矩五拱折叠网架结构绕流风速场计算技术及表面风压分析

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矩五拱折叠网架结构是一种可折叠展开的自锁式结构,具有质量轻、使用空间大、便于携带运输等特点,广泛应用于军事工程领域和民用工程领域。由于该结构质量轻、展开后空间大,是典型的风敏感结构,风荷载为控制其结构安全的主要因素。目前国内外对此类结构的风荷载计算研究仍然处在初始阶段,而我国的荷载规范也没有给出此类结构的风荷载体型系数。本文采用大涡模拟方法对矩五拱折叠网架结构作了钝体绕流分析研究,得到了具有工程实用价值的研究成果。本文的主要工作内容有以下几点:首先,本文结合结构风工程的特点,研制了一套可进行钝体绕流计算的大涡模拟计算程序,该程序可以实现完整的网格划分和钝体绕流计算,并且可以通过合理的边界条件设置,较准确的反映真实的流场情况,并且对复杂的边界具有良好的适应性。利用本文研制的程序对典型的方柱模型及TTU建筑物模型进行了钝体绕流数值模拟,并与文献及实测结果进行了对比,结果显示本文研制的程序具有较高的计算精度,能够较准确地反应出流场特征,因此应用于流动机理的研究中具有一定的可行性。其次,利用本文提出的计算程序对矩五拱折叠网架结构进行了数值风洞模拟,并对该结构在0°风向角及90°风向角的流场分布和结构表面的平均风压进行了计算和分析,在此基础上对结构设计给出了改进意见。在90°风向角下结构上最大负压为-550pa,而在0°风向下结构上出现的最大负压只有-320pa。在两种风向角下,结构所受最大正压力都出现在迎风正面上,所受最大负也均出现在迎风坡面的上边缘处。除迎风正面外,其它面最大正压或负压都出现在面的角部或者边缘,在结构设计时,每个面的角部和边缘应重点考虑。最后,在风向角的流场分布和结构表面的平均风压的计算结果基础上进一步计算出了矩五拱折叠网架结构的风荷载体型系数,并与我国荷载规范中的相关体型系数作了对比,发现该结构迎风正面处体形系数与规范中给出的体型系数相差不大,均为0.8;而在迎风坡面处,由于角区和顶面的影响,体型系数与规范中所给出的相似结构迎风坡面体型系数有很大差距。用本文所得结果对该结构的进一步优化设计提出了参考意见,并为下一步的现场实测提供数据支持。
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