随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求,大跨空间结构的应用越来越多,并以其大空间、多功能、内部布置灵活等突出优势,在建筑结构中发挥着越来越重要的作用。这类结构具有自重轻、柔性大、阻尼小等特点,对风荷载十分敏感,其风压分布复杂,风荷载为结构设计的主要控制荷载。 计算风工程是随着计算机技术和计算流体力学的发展而出现的,相比于传统方法它具有独特的优势,设计周期短、实验费用低、承担风险小,有着十分广阔的发展前景,并且逐步开始在实际工程中有所应用。 本文对计算流体力学基本原理进行了全面深入的分析,包括计算流体力学基本方程及数值模拟方法等。基于FLUENT流体动力学数值模拟平台,利用雷诺平均法,对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构的平均风压分布及其绕流特性进行了细致的研究。将数值模拟结果与风洞试验结果进行对比分析,验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上,系统研究了风速、风向角、地面粗糙度、缩尺比、矢跨比等因素对结构风压分布及其绕流特性的影响。 风速、缩尺比在有限范围内变化对平均风压数值模拟结果的影响可以忽略不计。地面粗糙度对计算结果稍有影响,当其它条件相同时,平均风压绝对值按A、B、C、D四类地貌依次增大。结构的自身特征,如矢跨比、长宽比等对风压分布规律无显著影响,差异主要表现在数值大小方面。风向角对各种结构的风压分布影响最为显著。 本文采用了大涡模拟技术对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了非定常流场的计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性的要求,进而将其代入到实际计算的边界条件当中。计算得到了每个结构上的风压系数时程,经过时间统计得到了结构的脉动风压系数及峰值因子,并与试验结果比较,证明了本文从来流模拟到对风荷载计算及数据后处理的方法的正确性。 稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果几乎完全一致,非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大,其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。对于大跨空间结构,绝大部分都处于负压区。根据结构形式和风压分布特点,对上述五类结构分别进行区域划分,得到工程上实用的体型系数,并绘制成表格,可供设计参考,同时给出了这几类空间结构的峰值因子参考值,球壳取4.9,柱面取4.8,悬链面取5.6,菱形马鞍面取6,椭圆双曲抛物面取5.4。