基于CFD模拟的球面网壳风压分布分析

张华彤

（河北工程大学土木工程学院 河北邯郸 056038）

0 前言

由于网壳结构能够在不增加墙柱的情况下提供大跨度空间，为公共建筑提供了更加广阔的公共区域，因此，网壳结构在体育馆等大型公共建筑中颇受青睐。近年来，CFD数值模拟在抗风研究中逐渐推广，CFD数值模拟中利用流体计算软件模拟风场中的实际情况，节约了风洞试验产生的经济成本和时间成本，便于对多个结构进行风场模拟。

1 常用参数及分析方法

1.1 常用参数

风压分布模拟中通常通过风压系数表示网壳表面风压分布情况，计算公式如下：

其中：Cpi-平均风压系数；pi-表面测点风压；p∞-结构远前方上游参考点风压；ρ-空气密度；v-参考高度处平均风速。

1.2 分析方法与流程

CFD模拟分析的基本流程主要包括确定计算域及建立模型、划分网格、设置边界条件、计算求解。本文CFD模拟中设流场中结果为刚性模型，分析中有以下几点需要注意：

（1）为保证结构周围空气流动的需要，流场计算域中阻塞率小于3%。由于建筑背风面空气会产生较长的尾流，通常将模型置于流场前部1/3处。

（2）化分网格的网格质量系数应介于0～1之间，越接近1质量越好，不允许出现负值。

（3）流场中边界条件的设定，本文设流场入口边界条件为风速入口，利用UDF文件根据随高度变化的指数风剖面设置风速条件，取天津塘沽地区10m高处平均风速v=30m/s，地面粗糙度为C类，地面粗糙度指数 α=0.22。

2 单层球面网壳表面风压分布

2.1 网壳表面风压分布模拟

对三个不同尺寸网壳进行模拟，得到网壳表面风压并计算表面平均风压系数。跨度90m，矢跨比1/3的网壳计算结果如图1所示。跨度90m，矢跨比1/6网壳计算结果如图2所示。跨度30m，矢跨比1/6网壳的计算结果如图3所示。

2.2 风压模拟结果分析

由图1～图3数据可知，网壳在风荷载作用下受力最大的不利区域位于网壳顶部。在网壳矢跨比及网壳跨度变化的情况下，网壳表面风压分布发生改变。

图1 跨度90m矢跨比1/3网壳

图2 跨度90m矢跨比1/6网壳

图3 跨度30m矢跨比1/6网壳

对比跨度为90m，矢跨比分别为1/3和1/6的单层球面网壳的计算结果可以发现，跨度相同矢跨比减小时，作用在网壳表面的风吸力和风压力同时减小，网壳顶部危险区域的风压系数由-1.2变为-0.9，但网壳表面负风压分布区域增大，当网壳矢跨比较小时网壳表面以负压区为主。对比矢跨比同样为1/6，跨度分别为90m和30m的单层球面网壳计算结果可以发现，网壳表面基本为负压区，可见矢跨比相同的情况下网壳表面风压变化规律基本相同。当网壳跨度减小时，网壳表面风压略有减小。

3 结论

本文通过分析主要得出以下几点结论：

（1）风荷载作用下，单层球面网壳受力最大的最不利区域位于网壳顶部，在实际工程中对网壳进行抗风设计时应当重视网壳顶部的受力情况。

（2）改变网壳跨度、矢跨比时网壳风压分布发生改变，结构设计中应根据网壳具体跨度和矢跨比进行受力分析。