网架设计软件STADS的计算风工程开发——风振分析
时间：2022-12-08 08:35:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
白泽升， 王孟鸿
(北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044)
实际风荷载通常包含长周期部分和短周期部分，其中长周期部分通常以平均风速描述，短周期部分以脉动风来描述。对结构物来说，由平均风速引起的作用力相当于静力作用，不同部位通过体形系数来计算；
脉动风速引起的作用力是动力性质的，将引起结构振动，通过风振系数来计算。荷载规范[1]规定：对于基本自振周期T1大于0.25 s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。规范对于复杂的空间网架结构的风振系数没有给出相应的数据和计算方法。因此，复杂网架结构的风振计算通常需要借助相关理论，通过计算分析确定[2]。
目前对复杂网架结构进行风振响应分析，主要采取对结构的周围风场进行模拟，以获取结构表面风压数据，以进行后续的风振效应分析；
而风洞试验一般作为刚性模型，可对结构表面风压分布进行测试，直接测试结构的风振效应较为困难。对结构周围风场的模拟方法主要有风洞试验法和数值风洞法。风洞试验法周期长、成本高，试验数据需要经过复杂的数据处理后导入分析软件进行分析计算。数值风洞法成本低、周期短、效率高，便于参数化控制，但需要复杂的前处理建模工作，而网架结构形式日益多样化、异型化，无疑增加了建模工作量，同时计算流体动力学(CFD)软件与结构分析软件脱节，网架结构杆件与节点众多，需要大量的荷载施加工作。
本接口软件可将复杂网架模型自动导入前处理软件ICEM，节省了大量的建模工作，而后处理功能基于FLUENT计算风工程功能，自动完成数据的读取以及荷载施加与计算过程，减少了大量手动施加工作。
由于风荷载的随机特性，目前大跨空间网架结构的风振分析方法主要有频域法和时域法。频域法是通过Fourier变换将风压时程转化为风压功率谱，再将风压功率谱通过动力系数传递转化为动力反应谱，并根据随机振动理论通过对动力反应谱进行积分求解得到结构的动力响应。因频域法计算效率较高，是目前大多数学者常采用的方法[3-6]，其进行的是线性范围内的分析。而大跨网架结构具有频率密集性，需通过振型分解解耦处理，考虑振型模态对系统应变能的贡献[8]，选取主要贡献模态，可能会损失一部分精度。时域法则是将结构风压荷载时程作用于大跨网架结构进行风振响应动力时程分析，获得动力时程响应的全过程。由于时域法能够反映风荷载的时空特性，并能够用于结构的非线性分析。因此，本文采用了时域法。
进行时域内的风振分析，需要确定作用在单元节点上的风荷载时程，通常有2种方法。其一采用风洞试验的风压时程，也是本文所采用的方法：从FLUENT模拟中提取风荷载时程，并将其等效为节点动力时程作用在相应的网架节点上。其二是对脉动风进行模拟，使模拟出的风速尽可能接近和满足自然风特性如平均值、与高度有关的自功率谱和互功率谱以及相位角关系等，常用的方法有谐波叠加法和线性滤波器法。通过模拟得到的风速时程在准定常假定的基础上转换成风荷载的时程。如何模拟合成输入风速以获得合理的风压时程文件需要做进一步的研究工作。
2.1 湍流数值模拟方法
CFD数值模拟方法可分为直接数值模拟法(DNS)、雷诺平均法(RANS)和大涡模拟法(LES)。直接数值模拟法(DNS)是直接采用瞬时的N-S方程对各尺度的涡流进行求解,需要耗费较高的计算资源，目前无法应用于真正意义上的工程计算。雷诺平均法(RANS)将湍流运动时均化处理，引入各湍流模型对流体控制方程进行封闭，广泛应用于稳态风场求解中。大涡模拟法(LES)的原理是将湍流中的涡旋分成大涡和小涡，用瞬时N-S方程对大涡直接求解，采用亚格子模型考虑小涡的能量输运与耗散，实质是对湍流运动进行空间平均化。由于大涡模拟法(LES)对高雷诺数的复杂湍流运动具有较高的分辨率，可以捕捉到复杂的非定常流动现象及其各物理量，准确度较高，是目前求解非定常流较为理想的湍流数值模拟方法。故本文采用了大涡模拟法(LES)。
2.2 瞬态场风压计算
基于大涡模拟法(LES)的瞬态场风压计算程序：
1) 模型转换，将STADS的模型转换到ANSYS ICEM CFD[8-9]。
2) 瞬态风压计算，通过FLUENT计算并输出控制点的风压时程[8,10]。
3) 计算节点的风压力时程，通过节点的控制面积和风压计算。
4) 求解振型模态[11]计算结构自振周期，利用前两阶振型计算阻尼系数。
5) 利用Newmark法进行时程计算，获得各节点位移时程。
6) 根据上一步的位移时程，计算各个节点的风振系数。
本文以跨度93 m、长度94 m的大型扁筒壳为例展示STADS风振计算的全部过程。在此需要说明：由于监控点太多，造成计算时间过长。因此，除进行模型分区处理以外，程序还增加了计算输出监控点时程的归并处理。通过定义数个相邻分区共用一个区域的风压时程[12]，减少数据输出，从而加快程序运行。
计算模型如图1所示：跨度93 m，长度94 m，节点数1 472，杆件5 724，上弦块数为712；
经分区，上弦划分为142块区域如图1所示。
图1 计算模型Fig.1 Computational model
3.1 模型转换与瞬态风压计算
通过选择风振控制项自动选择大涡模拟法(LES)进行计算，根据ICEM的脚本语言和函数控制格式生成模型文件，根据FLUENT二次开发方式，生成UDF和脚本控制文件。相应参数控制，如图2所示。
图2 参数控制Fig.2 Parameter control
其中，大涡模拟亚格子模型采用壁面适应局部涡黏模型(WALE)，对流场的整体流动以及分离、附着、转捩等局部流动模拟较为准确。压力与速度耦合采用SIMPLEC算法，对流项采用有限中心差分格式离散，时间项离散采用有限二阶精度格式，压力方程采用二阶精度离散格式。
瞬态分析中，时间步长的设置对大涡模拟的结果影响很大，决定了模拟结果的时间分辨度，是大涡模拟收敛情况的一个重要参数，同时也要保证数值模拟能在一个合理时间内完成。针对以上标准进行试算，计算步长控制为0.06 s，满足模拟需要。
在ICEM CFD中读取模型文件自动完成模型的转换和网格划分等前处理功能，程序通过UDF定义边界条件，运行FLUENT脚本控制文件后，自动完成模型的选择、监控点的设置、求解参数设置等操作，并输出控制点的风压时程数据。控制点风压时程如图3所示。100、137号为山墙端部节点，30、34、70号分别是筒壳迎风面、顶部和背风面节点。
图3 风压- 时间曲线Fig.3 Wind pressure-time curve
3.2 节点风压力时程的生成
时程分析前需要将FLUENT计算得到的控制点的风压时程转换成网架节点的风压力时程，该过程涉及复杂每个网格承载面积的计算，通过STADS-2加载程序自动完成该功能，从而形成每一个节点的风压时程。跨中752、769、770号节点风压时程如图4所示。
图4 节点风压- 时间曲线Fig.4 Node wind pressure-time curve
3.3 自振周期和阻尼系数计算
利用子空间迭代求得前两阶振型周期：T1=0.641 s，T2=0.529 s；
何艳丽等基于各基本参数对某筒壳风振响应进行了研究，随着阻尼比增大，各节点风振系数逐步递减[13]，参考其阻尼比对风振系数的影响和钢结构阻尼比取值经验，阻尼比取值ξ=0.025；
阻尼矩阵采用Rayleigh阻尼矩阵：[C]=α*[M]+β*[K]，其中，[C]、[M]、[K]分别为阻尼、质量和刚度矩阵，α和β为比例系数。程序据依前两阶角频率算得：α=0.268 2，β=0.002 3，如图5所示。
图5 计算系数求解设置Fig.5 Calculation coefficient solution setting
3.4 时程分析计算
时程分析计算采用高级分析软件STADS-3进行。程序读取节点风荷载时程，采用Newmark法进行时程分析，计算得到各节点位移时程，以用于下一步计算各个节点的风振系数。计算所得的跨中727和778号节点z向位移时程如图6所示。
图6 节点位移- 时间曲线Fig.6 Node displacement-time curve
3.5 风振系数的计算
根据荷载规范[1]定义，在工程应用中将风荷载的动力效应以风振系数β的形式等效为静力荷载，即风振系数为：
(1)
采用峰值因子法，由平衡方程，荷载风振系数通过刚度矩阵和位移表示为：
(2)
对于节点i，荷载风振系数βi为：
(3)
式中：j为i节点的相邻节点，kij为总刚矩阵第i行的非对角元。
采用峰值因子法，可将节点i处的位移风振系数表示为：
(4)
上述计算过程通过菜单引导执行，将各节点风振系数记录在相应文件中。用户可以选择执行荷载风振系数式(3)或者位移风振系数式(4)，其中在计算荷载风振系数时需要调用整体刚度矩阵。筒壳表面和山墙的位移风振系数如图7所示。
3.6 风振系数的利用
上述无论荷载风振系数还是位移风振系数，都仅作为设计参考，需要设计人员做出合理判断使用。考虑到其加载过程手工施加的工作量较大，在STADS-2的加载过程中可以自动读入各节点风振系数数据，可避免手工输入的烦琐与可能产生的数据错误，减小了相应工作量。
1) 在STADS网架设计软件基础上，借助FLUENT软件的风工程计算功能，编制了软件模型转换和风压读取接口，并在高级分析软件STADS-3的动力时程分析基础上，完成了复杂体型网架结构的风振分析。本接口软件的开发可为此类钢结构软件的风振分析开发提供理论依据与思路参考。
2) 接口程序通过菜单引导控制相应参数自动完成模型转换、FLUENT风场数值模拟参数设置和大量控制点数据的输入与计算结果的提取，以及荷载的自动读取与施加，操作简便，减少了大量手动输入的烦琐工作，节约了数值风洞环节的时间和经济成本。将FLUENT与STADS建立接口，有效弥补了计算流体动力学软件(CFD)与结构分析软件的脱节，加快了程序的运行，提高了工作效率。
3) 接口程序以某实际工程的筒壳模型为算例，计算得到网架结构各节点位移风振系数或荷载风振系数，在实际工程设计中可通过静力加载方式计算得到结构响应，简化了工程设计工作，为复杂体型网架结构抗风设计提供参考。同时可适应各类异型空间网架结构，具有良好的实用前景。
猜你喜欢 风压网架荷载 活荷载北方建筑(2022年2期)2022-11-21日光温室荷载组合方法及应用农业工程学报(2022年7期)2022-07-09天山煤电公司106 煤矿自然风压的规律研究与应用煤炭与化工(2022年5期)2022-06-17浅谈BIM技术应用于球型网架空间坐标的智能检测建材发展导向(2022年3期)2022-04-19论工况环境温度对风压传感器精度的影响科学与财富(2021年33期)2021-05-10结构计算模型中消防车荷载的输入科技风(2019年8期)2019-10-21矿井临时压风系统供风能力核算和管路选型中国科技纵横(2017年2期)2017-03-24某低矮模型房屋实测风场和风压的相关性研究湖南大学学报·自然科学版(2016年5期)2016-06-07车辆二维静力动力荷载分析建筑工程技术与设计(2015年20期)2015-10-21
