风荷载下某高层建筑模型变形的数值分析

【摘 要】近年来，随着我国城市人口数量的增长，对建筑的需求量不断增大，从而高层建筑也就不断地涌现出来。建筑不停的向高度更高、结构形式更多样、体型更复杂发展，并且由于各式各样的新材料使用让结构变得更加轻柔，建筑的风荷载成为控制高层结构的安全性和舒适性的主要因素之一。本文采用数值模拟方法，基于ANSYS Workbench15.0 平台，联合使用 ANSYS Static Structural 和 FLUENT 来搭建单向流固耦合平台，建立矩形截面建筑的弹性结构模型，模拟并分析在不同来流速度下矩形截面高层建筑模型的变形情况。

【关键词】高层建筑；风荷载；变形

0 引言

自古以来，人们对风的利用和风的皮坏作用就有了认识。远在一千八百年前，中国就已利用风帆进行航运，有文字记载“随风张幔为帆”。后来又发明了帆式风车，在《天工开物》一书中有“杨郡以风帆数页俣风转车，风息则止”的论述。中国唐代诗人杜甫写的“茅屋为秋风所破歌”描述了风对建筑破坏的作用。

进入19世纪以来，随着空气动力学的发展，人们开始把空气动力学和工程技术问题结合起来对风效应进行研究。1940年秋，美国塔科马悬索桥在风俗不到20m/s的作用下，发生振动而毁坏。德国著名的空气动力学家冯卡门亲自参加了塔科马大桥风毁原因的分析研究工作。这一事件对后来风工程的研究起了很大的推动作用，人们常把它作为风工程历史发展阶段的一个起点。20世纪50年代，丹麦M.Jaesen认为必须模拟大气边界层气流特性。20世纪60年代初，美国R.Scanlan提出了钝体断面的分离自激颤振理论，充分揭示了塔科马大桥被风吹毁的机理。加拿大的A.G.Davebpot在建筑物的风压风振研究中引进统计学理论的概念，促进了风效应的研究并且利用随机振动理论，开创了一套桥梁抖振分析方法。20世纪70年代，在建筑物风振实验研究中引入了高频底座天平技术，使风响应的研究得到长足的进步[2]。1970年，美国J.E.Germakz在美国结构风载会议上第一次正式定义了“风工程”（Wind Engineering）[3]一词，它是研究大气边界层内的风与人类在地球表面的活动以及人所创造物体之间的相互作用。研究者们采用理论分析、数值计算或风洞试验三种研究方法对风荷载作用下的建筑受力进行了大量的研究[1，4-7]。本文主要采用数值模拟方法对矩形截面建筑简化结构模型在均匀来流的流场中进行动力响应分析，采用FLUNENT对流场进行模拟，采用ANSYS对弹性结构模型的响应则进行模拟，考察不同均匀来流风速作用下矩形截面高层建筑模型的受力和变形情况。

1 模型与数值方法

考虑一矩形截面高层建筑，长宽高比值为1：1：10，为方便分析，对计算模型缩小4000倍，及长宽高分别为0.01m、0.01m和0.1m。几何模型在ANSYS Workbench 中的Design Modeler中建立，流体计算域为六面体区域。结构模型为参照某实际矩形截面建筑来建立。结构模型底部形心距离风入口面0.105m，距离风出口面为0.405m，距离两侧均为0.105m，计算域高度为 0.3m。流场几何模型在ANSYS Workbench 中的Meshing模块中划分，采用Automatic的自动化划分网格，最大的网格最大的大小为0.008m，全部为四面体网格，网格总数为555086个，网格节点总数为98061个。建筑物几何模型在ANSYS Workbench 中的Meshing中划分，采用Automatic的自动化划分网格，最大的网格最大的大小为0.001m，全部为六面体网格，网格总数为10000个，网格结点数为46541个。流场计算域的边界条件的设置如表1所示，建筑为弹性材料（钢结构）。数值模拟方法采用单向耦合方法，即先计算出流场稳态压力分布，然后将压力作为荷载加载到固体结构的耦合面上，固体域为静力学计算。

2 结果分析

2.1 建筑物气动力的特征分析

在矩形截面建筑进行单向流固耦合时，监视了建筑物在风作用下的受力，受力采用无量纲的系数形式给出。图 1给出了不同来流速度下建筑的阻力系数和倾覆力矩系数对比图。可以看出，随着来流速度的增大，矩形截面建筑的阻力系数是不断增加的，且增加的幅度随着来流速度的增大也增加。随着来流速度的增大，矩形截面建筑在倾覆力矩系数是不断增加的。

2.2 建筑物位移的特征分析

以来流速度为4m/s为例，矩形截面建筑物的总位移如图2所示，通过结果可以看出，矩形截面建筑的底部位移为0，位移值随着矩形截面建筑物高度的增大而增大，最大位移发生在矩形截面顶部。矩形截面建筑在X方向上的位移较为明显，在Y方向上的位移主要集中在迎风面受压弯曲部分，而在Z方向上的位移则集中在矩形截面建筑侧下端部分。

随着来流速度的不断增加，矩形截面建筑在三个方向上位移最大值的对比如图3所示，随着来流的增加，结构无论是从X、Y、Z各方向的位移，还是总移随之增加。顺风向位移（X方向）较为明显，横风向（Z方向）和竖直（Y方向）位移很小。由于竖直方向位移往往是由于结构弯曲导致的，而且竖向振动一般对于结构振动以及安全影响不大，设计中一般不做考虑。

3 总结

本文主要采用 ANSYS Workbench15.0 中 Fluid Flow（FLUENT）和Static Structural联合求解的方法，对矩形截面高层建筑简化弹性模型在不同速度来流风速作用下进行单向的流固耦合数值模拟。从流场的压力、速度分布以及矩形截面建筑简化弹性模型的各表面风压分析流场规律，还有对矩形截面建筑的气动力特性以及 x、y 各个方向上的位移等方面来分析矩形截面建筑风致振动的特性，得到以下结论：

（1）稳态计算时，流场的压力、速度分布基本成对称分布。矩形截面建筑迎风面总体为正压区，数值由结构向入口风向递减；侧面和背风面总体为负压区，绝对值由结构向出口和流场两侧方向递减。在迎风面的侧边缘有负压区，这是来流分离的结果。

（2）在考虑单向流固耦合下建筑所受的侧力基本为 0，所受阻力随着来流速度不断增加而增大，并且所受倾覆力矩也随来流速度不断增大而增大。矩形截面建筑最大位移在矩形截面顶部，矩形截面建筑的底部位移为 0，且位移值随着矩形截面建筑物高度的增大而增大。矩形截面建筑在顺风向（x 方向）上的位移较为明显，位移随着来流速度的不断增大也有相应的增加。

（3）在考虑单向流固耦合下矩形截面建筑所受的侧力基本为 0，所受阻力随着来流速度不断增加而增大，并且所受倾覆力矩也随来流速度不断增大而增大。

【参考文献】

[1]伊廷华，李宏男，顾明.典型体育馆屋盖表面平均风压特性及干扰效应风洞试验研究[J].振动与冲击，2009（1）：177-181.

[2]张愉，史庆轩.结构风工程与抗风研究的现状与展望[J].山西建筑，2007（25）：23-24.

[3]刘天成，刘高，葛耀君，吴宏波，曹丰产.基于拓展LB方法的桥梁结构数值风洞软件研发及应用[C].2009.

[4]项海帆.结构风工程研究的现状和展望[J].振动工程学报，1997（3）：12-17.

[5]武岳，沈世钊.索膜结构风振响应中的气弹耦合效应研究[J].建筑钢结构进展，2006（2）：30-36.

[6]顾明，叶丰，张建国.典型超高层建筑风荷载幅值特性研究[J].建筑结构学报， 2006（1）：24-29.

[7]周岱，马骏，李华峰，朱忠义.大跨柔性空间结构风压和耦合风效应分析[J].振动与冲击，2009，28（006）：17-22.