一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法与流程

本发明涉及建筑行业屋盖结构技术领域，具体涉及一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法。

背景技术

目前大跨度屋盖结构已经成为建筑结构的主流形式之一。大跨度屋盖结构重量轻,柔性大，几何非线性强，对风荷载的作用十分敏感。值得注意的是，强风来临时常常伴有强降雨，雨滴在风荷载的作用下会对结构产生较大的撞击力，加剧了结构所受荷载作用；同时降雨过程中雨水冲刷堆积会造成建筑迎风面的潮湿,影响建筑结构的安全性,耐久性要求。

根据国内外资料显示，越来越多研究人员开展风雨作用下建筑壁面及屋面的研究，其主要研究的是在风雨共同作用下高层及中高层建筑(群)和低矮房屋迎风面雨压分布规律。虽然大跨度结构已广泛应用于实际中，但研究风雨作用下大跨度双曲屋盖结构的极少，原因是其屋盖形状较为复杂，风雨联合作用效果繁琐。通过计算流体动力学数值模拟研究大跨度屋盖结构雨压特性会遇到许多难题，但随着时间推移，大跨度结构必然发展成为社会主流趋势的结构形式，现有的结构设计规范对大跨度屋盖结构抗风雨计算的规定也不完善。

目前国内研究的都是大跨度屋盖结构抗风设计，对风雨联合作用下大跨度双曲屋盖结构的研究十分匮乏，造成大跨度屋盖结构在风雨联合作用下的压力分布规律尚不明确，抗风雨设计的重要参数不完善，且现行规范中对于风雨共同作用下大跨度屋盖表面压力系数尚未给出明确规定，给风雨联合作用下大跨度屋盖的设计带来不便，给日后结构的安全造成隐患。

基于此，本发明研究在风雨联合作用下，四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖的风压分布特性，得到不同风向角下各双曲屋盖表面平均风压系数分布规律，分析重要影响参数对各双曲屋盖表面平均风压系数分布的影响规律，得到最不利影响参数；对比分析各双曲屋盖布置测点平均压力系数，分区分析，得出最不利抗风雨位置，并提出各屋盖的合理平均风压分区系数建议值。

技术实现要素：

针对上述不足，基于现有的计算软件和研究方法，发明一种基于风雨联合作用的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法，为大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计提供参考依据。

1、一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，确定其计算域尺寸，应用gambit软件建立数值模拟实验的计算模型，并进行网格划分；

步骤2、采用风雨多相流湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖风压特性进行数值模拟；

所述的风雨多相流湍流模型采取雨相中选择欧拉-欧拉模型、在风相中选择标准k-ε模型；连续介质雨场中雨滴被看成连续相而不是离散相，有利于得到各种云图，对雨荷载进行定义，得到公式：其中vn(d)为雨滴撞击大跨度屋盖结构时法向速度大小，ρi为液态水密度；雨相迎风口边界条件首先是定义不同直径雨滴的雨相体积分数，之后在流域场入口边界设置雨滴速度，湍流强度等参数；计算模型近壁面选取标准壁面函数，求解方法中选取simple算法，选择梯度变化的green-gausscelldased，动能、湍动能耗散率选取二阶迎风差分格式，监控残差、净压力界面分别在计算域入口和出口设置基于面积积分的平均加权静压力，当其界面上平均加权压力曲线变化有规律时，则表示计算收敛。

步骤3、将步骤2的数值模拟结果与已有风洞试验数据进行对比分析，发现风雨对各投影形状双曲屋盖的作用；

步骤4、通过计算模型的计算得到四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖结构在不同风向角下的平均压力系数云图，分析云图，得出最不利投影形状及各投影形状的大跨度双曲屋盖表面的风压分布规律；

步骤5、在步骤4的基础上，分析风向角、风速、降雨强度等重要参数，得到不同影响参数对在风雨联合作用下的不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

步骤6、对最不利情况下各双曲屋盖进行数值模拟，对比分析各双曲屋盖布置测点平均压力系数，并根据规范对各双曲屋盖进行分区分析，得到最不利抗风雨位置，提出合理建议值，从而得到大跨度双曲结构得抗风雨设计方案。

所述的最不利情况为最不利风向角、最不利风速、最不利降雨强度。

所述的分区数值选取依据：相邻两列数据选取大值，以确保其安全性。

本发明的有益成果为：

本发明涉及一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法，采用数值模拟方法分析发现各双曲屋盖的一系列复杂作用，探究不同重要影响参数对各投影形状双曲屋盖表面平均风压的影响规律，分析并总结其中的共性规律，根据规范，提出了常用跨度范围、不同投影形状的大跨度双曲屋盖的表面平均风压分区系数建议值，规范其抗风雨设计方法，对大跨度双曲屋盖结构和类似体型大跨度结构的抗风雨设计具有有价值的工程参考。

附图说明

图1为本发明具体实施方式提供的一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法流程图；

图2为本发明具体实施方式提供的四种不同形状的大跨度双曲屋盖结构计算模型(a-d)及参数定义图(e)；

图3为本发明具体实施方式提供的计算域模型图；

图4为本发明具体实施方式提供的大跨度双曲屋盖计算模型的流场网格划分模型图；

图5为本发明具体实施方式提供的各形状投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，其中，(a)为正方形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，(b)为矩形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图,(c)为圆形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，(d)为椭圆形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图；

图6为本发明具体实施方式提供的0°风向角下屋盖表面平均风压分区系数图，其中(a)为正方形投影双曲屋盖平均风压分区系数，(b)为矩形投影双曲屋盖平均风压分区系数，(c)为圆形投影双曲屋盖平均风压分区系数，(d)为椭圆形投影双曲屋盖平均风压分区系数，

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，确定其计算域尺寸，应用gambit软件建立数值模拟实验的计算模型，并进行网格划分；

本实施例中，选取正方形、矩形、圆形和椭圆形四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，其计算模型及参数定义如图2所示，计算模型宽度为l1，长度为l2，最大高度为hmax，经过多次计算对比，计算域尺寸为宽(l1)×长(l2)×高(h)＝8m×16m×2.133m，计算模型满足最大阻塞率<3％的要求，其在计算域迎风面三分之一处，计算域内的具体布置如图3。确定好计算模型和计算域尺寸后，用gambit软件建立计算模型，并进行网格划分。为了减少误差，本实施例采用建筑物核心区域采用非规则四面体结构化网格，而建筑核心区域外采用六面体结构化网格，建筑物区域内对其网格加密，最小网格尺寸为0.05m，网格数量在130万左右，计算模型的网格划分如图4所示。

步骤2、采用风雨多相流湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖风压特性进行数值模拟；

本实施例中风雨多相流湍流模型采取雨相中选择欧拉-欧拉模型、在风相中选择标准k-ε模型。

本实施例风雨联合作用下数值模拟具体方法中，连续介质雨场中雨滴被看成连续相而不是离散相，有利于得到各种云图，对雨荷载进行定义，得到公式：其中vn(d)为雨滴撞击大跨度屋盖结构时法向速度大小，ρi为液态水密度。

本实施例风雨联合作用下数值模拟具体方法中，雨相迎风口边界条件首先是定义不同直径雨滴的雨相体积分数，之后在流域场入口边界设置雨滴速度，湍流强度等参数。

本实施例风雨联合作用下数值模拟具体方法中，计算模型近壁面选取标准壁面函数，求解方法中选取simple算法，选择梯度变化的green-gausscelldased，动能、湍动能耗散率选取二阶迎风差分格式，监控残差、净压力界面分别在计算域入口和出口设置基于面积积分的平均加权静压力，当其界面上平均加权压力曲线变化有规律时，则表示计算收敛。

步骤3、将步骤2的数值模拟结果与已有风洞试验数据进行对比分析，发现风雨对各投影形状双曲屋盖的一系列复杂作用；

本实施例分析数值模拟结果发现：在风雨联合作用下正方形双曲屋盖受以吸力作用为主；矩形、圆形、椭圆形双曲屋盖表面平均压力系数受到雨压力、风吸力、风压力共同作用；受风雨联合作用复杂。

步骤4、通过计算模型的计算得到四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖结构在不同风向角下的平均压力系数云图，分析云图，得出最不利投影形状及各投影形状的大跨度双曲屋盖表面的风压分布规律；

本实施例中，得到的大跨度双曲屋盖表面的风压分布规律：

在0°风向角下，正方形、矩形屋盖呈梯状分布，屋盖平均压力系数均为负值，说明受到已吸力作用为主；圆形、椭圆形屋盖呈柱状分布，屋盖表面平均压力系数有负值有正值，平均压力系数正值出现在屋盖三分之二处的后段。

在45°风向角下，气流吹向屋盖拐角处，正方形、矩形棱角分明，气流分离作用强，平均压力系数较大，屋盖表面平均压力系数呈z状分布；圆形、椭圆棱角相对圆滑，平均压力系数较小，屋盖表面分布形状各异

在90°风向角下，迎风面是凸面，四种屋盖主要呈柱状分布，气流在屋盖处分离作用较强；正方形平均压力系数是先增大再减小、随后增大到极致再一直减小，矩形平均压力系数一直减小，圆形平均压力系数是先增大到极致再减小，为正值时再增大，椭圆平均压力系数分布无明显规律。

四种双曲屋盖都是屋盖前端处平均压力系数较大，且变化梯度较大；四种双曲屋盖表面平均压力系数不都是为负值，还存在正值，可能是风压力，雨压力作用，表明其风雨共同作用较复杂。

对比分析四种双曲屋盖的表明平均压力系数得到正方形为最不利投影状。

步骤5、在步骤4的基础上，分析风向角、风速、降雨强度等重要参数，得到不同影响参数对在风雨联合作用下的不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

本实施例中，得到的不同影响参数对大跨度双曲屋盖表面风驱雨压分布特性的影响规律为：

对正方形双曲屋盖结构最不利的风向角为0°，其他投影形状受风雨作用复杂，没有明显规律；风速、降雨强度越大，四种双曲屋盖表面受到作用力越大，平均压力系数越大，最不利风速为20m/s，最不利降雨强度为100mm/h。

步骤6、对最不利情况下各双曲屋盖进行数值模拟，对比分析各双曲屋盖布置测点平均压力系数，并根据规范对各双曲屋盖进行分区分析，得到最不利抗风雨位置，提出合理建议值，从而得到大跨度双曲结构得抗风雨设计方案。

所述的最不利情况为最不利风向角、最不利风速、最不利降雨强度。

所述的分区数值选取依据：相邻两列数据选取大值，以确保其安全性。

本实施例中，在风向角为0°，降雨强度为100mm/h，风速为20m/s的条件下对四种投影形状的双曲屋盖结构进行数值模拟。将屋面沿l2方向均等分成五列，分别为a、b、c、d、e，详细布置测点如图5(a)、(b)、(c)、(d)。分析数值模拟结果，并根据规范将各投影形状分区，将平均压力系数绘制成图，分区图如图6(a)、(b)、(c)、(d)。