大跨超高空间网格结构风工程分析方法技术

本发明专利技术公开了一种大跨超高空间网格结构风工程分析方法，属于特种工程设计技术领域。该分析方法的实现步骤如下：首先建立空间网格结构的结构数值风洞模型；其次根据结构数值风洞模型取得空间网格结构的体型系数，根据理论分析计算空间网格结构的风振系数；然后根据体型系数和风振系数建立各风荷载计算工况分析模型；再根据工况分析模型计算风荷载作用下力学特性，判别力学特性是否满足设计要求，是则进行下一步，否则进行结构优化；最后采用结构低阶屈曲模态进行风荷载计算工况下结构弹塑性全过程分析，计算结构在风荷载作用下的整体稳定性。本发明专利技术能够代替风洞试验取得任意风向角作用下任意位置的体型系数，试验周期短，成本低。

Wind Engineering Analysis Method for Large Span and Super High Spatial Grid Structures

【技术实现步骤摘要】
大跨超高空间网格结构风工程分析方法
本专利技术涉及大跨度和超高空间的结构体系，用于特种装备厂房的建造，属于特种工程设计

技术介绍
国内外大跨结构较多，但大跨结构的空间高度一般不高，国内最大的A380主机库净高度才30m，即跨度大又超高的单层空间结构很少；该大跨超高中空结构受力特性与一般大跨或超高结构不同，不但要承受很大的竖向荷载，还要承受地震、风等水平荷载；该类超大异型超限结构无相关建设标准，技术指标缺乏，无法用长宽比、高宽比、位移角等现有标准技术指标规范；该类大跨超高中空结构在建造上也存在诸多技术难题；该类结构设计构建难度极大。斜支撑与拱形屋盖相结合的大跨超高空间网格结构可以满足特种厂房的建筑要求，该超大跨、超高结构中的支撑与屋盖一体设置，支撑是屋盖的一部分，屋盖也是支撑的一部分。这种结构对风特别敏感，结构体型特殊，体型系数和风振系数确定困难，风荷载作用下结构破坏有自身特点，进行科学的风工程分析尤为重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种大跨超高空间网格结构风工程分析方法，能够代替风洞试验取得任意风向角作用下任意位置的体型系数，试验周期短，成本低。一种大跨超高空间网格结构风工程分析方法，该分析方法的实现步骤如下：步骤一：建立空间网格结构的结构数值风洞模型；步骤二：根据结构数值风洞模型取得空间网格结构的体型系数，根据理论分析计算空间网格结构的风振系数；步骤三：根据体型系数和风振系数建立各风荷载计算工况分析模型；步骤四：根据工况分析模型计算风荷载作用下力学特性，判别力学特性是否满足设计要求，是则进行下一步，否则进行结构优化；步骤五：采用结构低阶屈曲模态进行风荷载计算工况下结构弹塑性全过程分析，计算结构在风荷载作用下的整体稳定性。进一步地，所述结构数值风洞模型采用数值风洞方法，建立超高大跨空间结构数值风洞分析模型采用的边界条件包括：入口边界条件采用速度入口边界条件；出口边界条件采用完全发展出流边界条件；建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件；计算流域顶部和两侧采用对称边界条件；建立超高大跨空间结构数值风洞分析模型选取的计算域取10倍结构长×宽×高，堵塞度为0.54％，计算域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元进行离散，体网格采用四面体单元进行划分。进一步地，为验证数值风洞模型边界条件及计算域选取的正确性，需进行数值风洞结果验证，验证对象采用封闭落地圆弧拱进行。进一步地，所述空间网格结构进行八个风向角(周向间隔45度)数值风洞模型计算分析，取得各风向角作用下结构各部位的体型系数。有益效果：本专利技术可解决斜支撑与拱型屋盖一体设置大跨超高空间网格结构设计风工程分析技术难题。相比传统风洞试验确定超高异型结构体型系数，数值风洞方法更方便、快捷、全面，适用于设计周期紧的超高超大异型工程以及前期方案设计，此外，对于类似大跨超高结构，可参考本工程分析方法和体型系数、风振系数分析结果。附图说明图1为本专利技术实现的步骤流程图；图2为本专利技术实施例中大跨度超高厂房模型示意图；图3为计算域模型网格示意图；图4为厂房及周围流场分布示意图；图5为厂房在0度风作用下体型系数分布图；图6为典型风荷载工况作用下结构体型系数及风振系数取值；图7为风垂直主拱作用时结构变形图；图8为风荷载工况下结构整体稳定系数及破坏形态图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。如附图1所示，本专利技术提供了一种大跨超高空间网格结构风工程分析方法，该分析方法的实现步骤如下：步骤一：建立空间网格结构的结构数值风洞模型；结构数值风洞模型采用数值风洞方法，建立空间结构数值风洞分析模型采用的边界条件包括：入口边界条件采用速度入口边界条件；出口边界条件采用完全发展出流边界条件；建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件；计算流域顶部和两侧采用对称边界条件；建立超高大跨空间结构数值风洞分析模型选取的计算域取10倍结构长×宽×高，堵塞度为0.54％，计算域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元进行离散，体网格采用四面体单元进行划分。步骤二：根据结构数值风洞模型取得空间网格结构的体型系数，对空间网格结构进行八个风向角(周向间隔45度)数值风洞模型计算分析，取得各风向角作用下结构各部位的体型系数，结构顶部体型系数最大为-2.0；根据理论分析计算空间网格结构八个风向角(周向间隔45度)的风振系数，风振系数采用位移一致系数，风振系数取1.4～1.75；步骤三：根据体型系数和风振系数建立各风荷载计算工况分析模型；步骤四：根据工况分析模型计算风荷载作用下力学特性，判别力学特性是否满足设计要求，是则进行下一步，否则进行结构优化；步骤五：采用结构低阶屈曲模态进行风荷载计算工况下结构弹塑性全过程分析，计算结构在风荷载作用下的整体稳定性。进一步地，为验证数值风洞模型边界条件及计算域选取的正确性，需进行数值风洞结果验证，验证对象采用封闭落地圆弧拱进行。某特种装备厂房结构风工程采用本专利技术的方法进行分析，图2所示，该厂房长266m，宽140m，高116m，主拱为双层正放四角锥网格，立柱倾斜8.7度布设，屋盖采用圆弧拱，屋盖与斜立柱相切，网格6mX6m，矢高6m。门梁为悬挂式双层网架结构，门框柱采用三层网格桁架结构，门洞上下分别设置水平导轨；山墙为正放四角锥网格结构，网格5mX5m，矢高5m。基础为双排条形扩展基础，该结构24米以上采用球节点，24米以下采用相贯节点，实现了管桁架与网架结构的有机结合。入口边界条件采用速度入口边界条件(velocity-inlet)，A类场地，基本风压W0＝0.45KN/m2，对应风速为26.83m/s，地面粗糙度指数α取0.12；出口边界条件采用完全发展出流边界条件；建筑物表面和地面是固定不动，不发生移动，故采用无滑移的壁面条件；计算流域顶部和两侧采用对称边界条件；建立超高大跨空间结构数值风洞分析模型。结构几何尺寸为266m×140m×116m，对应的计算域长×宽×高＝3000m×2600m×1160m堵塞度为0.54％，计算域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元进行离散，体网格采用四面体单元进行划分，共划分网格为1222922个，如附图3所示。图4给出了0度角风作用下厂房及周围风流场分布图，从图中可以看出，当场地风受厂房阻挡，风的流场发生改变，靠近厂房附近的正面和背面风速减小，在背部区域存在反向流和环向流，从厂房两侧和顶部的绕流承明显加速状态，两侧风速最大可达42m/s，在两侧影响范围内进行建设应考虑绕流风的影响。正面和和背面风速较小，从拱腰部分开始风速逐渐增大，拱顶最大，风速达66m/s，两侧山墙和边角部位流场比较复杂。图5给出了厂房在0度风作用下体型系数分布图。正面拱腰以下墙面压力系数为0.68，从拱腰部分开始压力系数逐步由正值变为负值(风由压力变为吸力)，拱顶中部区域吸力最大，压力分布系数达到了-2.07，平均约为-1.45，两侧山墙主要承受吸力，最大压力分布系数越为-1.3，平均压力分布系数约为-0.9，背面以吸力为主，平均约为-0.30。结构第一平动周期为1.36S，应考虑风压脉动对结构产生的风振影响。采用随机振动理论研究结构在不同方向风荷载作用下的风振响应，横向风荷载作用下位移一致风振系数取1.4，大门打开时纵向风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大跨超高空间网格结构风工程分析方法，其特征在于，该分析方法的实现步骤如下：步骤一：建立空间网格结构的结构数值风洞模型；步骤二：根据结构数值风洞模型取得空间网格结构的体型系数，根据理论分析计算空间网格结构的风振系数；步骤三：根据体型系数和风振系数建立各风荷载计算工况分析模型；步骤四：根据工况分析模型计算风荷载作用下力学特性，判别力学特性是否满足设计要求，是则进行下一步，否则进行结构优化；步骤五：采用结构低阶屈曲模态进行风荷载计算工况下结构弹塑性全过程分析，计算结构在风荷载作用下的整体稳定性。

【技术特征摘要】
1.大跨超高空间网格结构风工程分析方法，其特征在于，该分析方法的实现步骤如下：步骤一：建立空间网格结构的结构数值风洞模型；步骤二：根据结构数值风洞模型取得空间网格结构的体型系数，根据理论分析计算空间网格结构的风振系数；步骤三：根据体型系数和风振系数建立各风荷载计算工况分析模型；步骤四：根据工况分析模型计算风荷载作用下力学特性，判别力学特性是否满足设计要求，是则进行下一步，否则进行结构优化；步骤五：采用结构低阶屈曲模态进行风荷载计算工况下结构弹塑性全过程分析，计算结构在风荷载作用下的整体稳定性。2.如权利要求1所述的大跨超高空间网格结构风工程分析方法，其特征在于，所述结构数值风洞模型采用数值风洞方法，建立超高大跨空间结构数值风洞分析模型采用的边界条件包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁龙，尹续峰，刘记军，李志强，周霞，王洪西，刘丹，杨垚，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：北京,11