考虑流固耦合效应的超高层建筑风荷载响应计算仿真

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随着理论研究的完善、高强轻质材料的不断创新以及施工技术的不断突破,高层及超高层建筑发展迅猛,但是此类建筑容易受风荷载作用破坏,风荷载及风致响应分析成为高层及超高层建筑的重点关注问题。目前国内外高层及超高层建筑的风荷载设计主要依赖风洞试验,但风洞试验费用贵、周期长,且缩尺模型不足之处不能避免,因此,利用数值风洞对结构在风环境下的流固耦合效应进行模拟,分析超高层建筑结构在风场中的特性以及风与结构之间的相互作用,对于高层及超高层建筑的安全设计、安全校核及适用性评估具有重大意义。本文研究超高层建筑在风荷载作用下的流固耦合响应,采用梁单元、壳单元和实体单元对建筑结构进行详细建模,验证了数值风洞的可靠性及准确性,分析了建筑结构中重要构件在风荷载作用下的响应。首先,基于ANSYS Workbench中的CFX和Static Structural模块对CAARC(联邦航空咨询委员会协调人会议)标准高层建筑模型全尺寸模型进行单向流固耦合模拟,分析流场中风速风压分布规律、建筑模型表面风压分布规律、风压系数、风荷载体型系数及结构在风荷载作用下顶点的位移等,与国内外科研机构风洞试验数据、国家规范相关数据进行比较,分析四种湍流模型的可靠性及准确性。然后,基于ANSYS Workbench中的CFX和Transient Structural模块对CAARC标准高层建筑模型全尺寸模型进行双向流固耦合模拟,在平均风荷载作用下分析建筑模型表面风压分布规律、风压系数时程、风荷载体型系数及结构顶点位移时程,与单向流固耦合数据及国家规范相关数据进行比较,验证建筑结构在风荷载作用下进行双向流固耦合的必要性及合理性。最后,以实际超高层建筑——广州东塔为例,用梁单元和壳单元建立有限元模型,在平均风荷载作用下对结构进行单向、双向流固耦合模拟,分析流场中风速风压分布规律、结构表面风压分布规律、风压系数、风荷载体型系数、顶点位移及侧向位移限值等情况,与规范中相关数据进行比较,并直接考察结构内部重要构件在风荷载作用下的响应。
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