大跨度钢结构屋盖风-温耦合效应研究现状

闫凤涛, 程卫祥, 李国强, 刘 用, 王静峰

(1.中能建建筑集团有限公司,安徽 合肥 230088;2. 广州环投从化环保能源有限公司,广东 广州 510940;3.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

钢结构建筑以其材质高强、构件制造工业化程度高、建造工期短、工程造价省等优点使其在高层钢结构住宅、大型体育场馆、厂房等民用与工业建筑领域中得到了广泛应用。

但钢结构也存在一定的缺陷,其受风荷载、温度荷载效应影响明显,易造成建筑物的损害和人民财产损失(图1、图2)。大型复杂的钢结构建筑对风荷载和温度荷载极其敏感,在风荷载和温度荷载作用下可能产生较大的变形和应力,影响钢结构建筑的结构安全和正常使用。由于温度荷载、风荷载对建筑结构安全存在极大的危害,所以众多国内外学者对建筑结构风工程及温度效应开展了多层次、多角度的深入研究。但是现有学者的众多研究中对钢结构建筑的风荷载、温度荷载研究都是分开的,并未考虑两者之间耦合影响因素,具体的规律和特点也未深入探究。部分学者在分析钢结构温度荷载的时候,分析了在日照环境不同风速对钢材表面温度的影响规律。在结构设计阶段,由于风速和温度两者对结构产生作用时存在一定的相关性,需基于地区风速和温度两者的实测记录数据,对荷载规范中的风速、温度荷载组合系数进行优化调整,以保证钢结构设计的安全性。但均未建立风-温耦合效应有限元模型和分析其中的作用机制和规律,未分析该模型下整体结构的振动响应和评定方法。

图1 风灾工程案例

图2 温度荷载破坏工程案例

1 结构风工程的发展现状

1.1 国外结构风工程发展现状

国外Uematsu等[1,2]对不同结构高度和结构跨度比下的平屋盖结构风场特性开展了研究,结果表明,屋盖表面风压分布特性会随风向角和屋盖的角度变化而变化。当风向角几乎成90°作用于屋盖上部表面时则主要会形成柱状旋涡,其中附面层的分离则会导致整个屋盖表面在其迎风侧区域处产生相对压力值变化较大时的负压区域。当风向角边缘与屋盖边缘间存在着一定旋转角度时将主要是形成锥形旋涡,产生相应的负压力值的负压区域也基本与具有该类旋涡作用区域相符合。平均脉动风压系数和脉动风压系数在一些研究中都被证明发现在两者参数之间还存正相关性。

此外,Uematsu等[1,2]也陆续开展起了综合考虑屋面结构矢跨比数值及高跨比数值对圆柱形屋面风压分布与特性等的相关影响研究,结果分析表明,结构矢跨比参数的综合调整将对屋顶结构风压特性分布的相关影响作用更为深入显著,其中结构矢跨比的数值也是一个影响屋顶气流与屋面结构物相分离效应的很重要参考因素,结构表面的正负压风场的分布特性同样也必然会相应受到影响。Simiu等[3]首次将越界峰值法应用到在极值风速的分析模型中,若阈值参数选值过高或阈值参数选值过低都可能使分析数据完全失去理论参考价值且不利于保证研究结果的有效性和准确性。因此对阈值高低指标的科学选择和合理假设都是准确应用该分析方法的最为关键之处。Suzuki等[4]依托风洞试验场研究分析了大跨悬挂式屋盖结构表面在受柱状旋涡作用时产生的风场荷载分布及其特性,旋涡的脱落及与气流的发生和分离后再附以等风场特性现象均在该结构表面均被充分显现。相比较于结构本身的迎风侧,结构自身的背风侧的气流结构显得更为复杂紊乱、脉动风荷载也变得更大,但风压系数则相反。Ginger等[5]也曾分别研究柱状旋涡和锥形旋涡是如何影响大跨平屋盖的,开展研究了在上述两种不同旋涡作用影响下,形成的不同对应位置风压观测点数据之间的相关性问题。

1.2 国内结构风工程发展现状

风洞模型试验器以其外形受空间气候条件环境和工作时间因素的共同影响变化小,模型制作和各种测试实验仪器产品的现场安装、操作、使用维护比较简捷方便实用等显著优势,是国内开展大跨空间结构抗风研究中最常见且相对准确有效的方式。李秋胜等[11]还通过依托广州会展中心项目进行风洞模拟试验,分析探讨了大跨空间结构表面的平均风压分布特性和脉动风压分布特性,探究在受风向角变化作用时结构表面的测点位置及其最不利情况,并总结分析了测点间距、测试频率和测点相干性等因素的影响关系。李波等[6]依托具有顶部屋盖可以正常开启、闭合功能的国家某一体育场馆进行风洞模拟试验的数据结果,分析并提出了场馆在其顶部屋盖关闭和完全开启两种不同使用状态作用下产生的风荷载空间分布特性。结果表明,两种不同状态下的平均风压系数、脉动风压系数和绕流形式均存在显著不同,但测点功率谱主要在顶部屋盖开启状态下有较大影响。刘帅等[7]针对的屋盖结构涉及矩形和圆形两类,对比分析矩形屋盖和圆形屋盖的风荷载分布特性,探究不同屋盖类型下的极值风压及平均风压系数分布规律。结果表明,负压区的风场特性在两种不同屋盖下存在较大不同。其中圆形屋盖负压区则主要出现在屋盖结构的迎风侧的前缘处,而矩形屋盖结构的负压区又主要是出现在屋盖结构的迎风侧的前缘处及屋盖的角部位置,由此分析可知圆形结构屋盖的整体抗风荷载性能也更突出,文中同时提出在矩形结构屋盖的边角处采用切角的设计思路来提高结构的抗风性能。叶烨[8]依托武汉理工大学体育中心的刚性风洞试验模型及试验数据,针对群体大跨度屋盖结构的抗风设计与分析开展了深入研究,内容包括了群体大跨屋盖结构的风压分布特性及体形系数研究。

相对于风洞试验而言,数值模拟的方法由于其研究成本低、研究参数调整便利和研究结果直观易懂等优点正被广大学者逐步采用。陈伏彬等[9]采用风洞试验和数值模拟两者相结合的方法,对深圳新火车站系统开展了在不同工况下的研究。结果表明,最大平均负风压系数和脉动风压系数发生在车站屋盖的迎风的悬挑区域,但其会因为在不同火车数量工况下存在局部差异,但对整体影响较小;其中存在于火车站主站房东侧纵、横方向上的大跨度开洞均会产生气流的“汇集”等风场特性。王莹等[10]通过依托CFX数值计算分析平台分别对扁平屋盖、球形屋盖结构和马鞍形屋盖等三种结构形式的大跨结构表面风场特性开展了三维数值模拟计算研究与作用机理研究,探究出风向角、地表粗糙度差异和矢跨比对表面风压分布特性及影响规律;结合上述三种大跨结构屋盖类型,提出了在数值模拟研究中使用的计算域的几何尺寸、网格结构的网格划分的方法、选择湍流模型的参考依据和收敛性分析等应用建议。张虎跃[11]利用ANSYS流体和静力计算模块,开展大跨结构的流体数值模拟与静力分析,数值模拟结果与现场模拟的风荷载试验结果吻合度较好。

与风洞试验及数值模拟研究手段相比,风场现场实测由于操作性难度大使得相关研究成果较少。王煜成[12]开展了现场实测的方法研究,开展了包括风场测试设备的研发标定、现场实测方法的改进等工作,与不同荷载规范进行实测的结果对比来验证测试方法的准确性和可靠性。研究结果表明,现场在40 m高度处实测的风速湍流度值要高于国内规范针对B类地貌下0.113的湍流度值,研究建议可参考欧洲规范计算阵风系数的方法来计算坡度较为平坦双坡屋面的局部风压系数,且应适当提高背风侧的阵风系数的值。实测数据中的脉动风速及风压值在进行相关性特征分析处理时,按平均风速方向迁移的现象会出现在屋盖表面,但事实上此类相关性特征通常会随着旋涡运动的推进发生一定的改变。

2 结构温度场的研究现状

在开展的建设中,对温度场的研究主要包括混凝土桥梁、钢结构桥梁、组合结构桥梁、大型体育场馆钢结构体系等大型建筑中。目前针对钢结构主要开展火灾下和太阳辐射下的温度场研究。建筑结构受到温度的影响主要是由于建筑材料在周围环境温度的影响下会发生热胀冷缩变形。但同时对于内部存在多余约束的超静定结构体系而言,结构体系自身的自由温度变形会受到制约,导致结构内部会在温度荷载作用下产生了一定的温度应力和变形。

2.1 日照温差作用下的温度场研究现状

金晓飞等[13]总结了日照温差作用对大跨度网架结构温度效应的数值分析方法,主要包括:应用ANSYS软件进行的热分析有限元法,利用热电比拟法的热网络法和流体热分析法三种。

其中,对于热分析有限元法,国内范重等[14]对国家体育馆工程的各部位结构构件在太阳辐射下的温度上升下降的各类影响因素进行了分析,通过实地实验和监测的分析资料数据确定了结构构件温度场计算采用的各种关键物理参数及室内外风速及相应构件材料的热传导计算边界条件。研究采用有限元数值模拟方法计算了箱形构件各表面的辐射温度与构件的平均辐射温升,进而分析出结构在各区域内构件的辐射温度,研究计算结果后得到符合大跨度屋盖结构的合拢温度要求,包括在设计时合拢温度与最大正、负温差。刘红波等[15]开展了包括各种结构材料太阳辐射吸收系数、钢管温度场的简化数值计算新方法,以及在太阳辐射影响下对实际工程进行数值模拟分析空间钢结构中的温度效应等问题研究。王化杰[16]开展了空间网架结构非均匀温度场的变化对比研究,结果进一步说明了在太阳辐射影响下空间网架结构内部各受力杆件表面的温度场变化是不同的,但需要考虑建筑自身对温度场的影响。总的来说,采用热分析法直接分析建筑结构及构件的日照温度场,优势在于可将所求的温差直接作为荷载加载,进而能直接用来分析建筑结构或构件的温度效应,不足之处是未考虑实际的风向及风速对温差取值可能造成偏差。

对于运用CFD流体热分析法,裴永忠等[17]通过建立AMECO-A380大跨度机库数值分析模型,开展了考虑天气条件、太阳辐射等因素影响下的网架结构屋盖的上、下弦平面温度效应及分布规律。甘明等[18]利用CFD流体热分析法对空间结构开展不均匀温度场计算,结果表明空间结构的组合荷载工况需要包含温度作用,进行设计优化时还要考虑空间钢结构温度作用的取值范围、分项系数取值以及和其他工况中的组合分项系数取值。刘树堂[19]基于晴空模型分析可得出日照强度下的钢构件温度场变化会受到风速变化的影响,这是由于风速会改变钢构件表面换热系数。陈滨滨[20]研究辐射-热-流耦合场,通过试验获得在金属材料表面涂上不同颜色的材料时太阳辐射下金属的吸收系数,以及进一步探究了面漆材质、颜色变化等特性对太阳辐射吸收系数变化规律。研究也发现在考虑流体时太阳辐射影响下大跨度结构数值法模拟计算出的非均匀温度场分布和非均匀温度效应的分布会更加稳定准确。Hongbo Liu等[21]通过对太阳辐射作用下温度的非均匀分布和变化及其对铝穹顶结构受力影响规律的研究,发现了温度荷载仍是铝穹顶结构承受的关键荷载。通过对太阳辐射作用下温度的非均匀分布和变化对铝穹顶结构影响的研究,发现温度荷载是铝穹顶结构的关键荷载,且主要受太阳辐射的影响。李博[22]基于CFD理论,开展完成了太阳辐射下膜屋面下大跨钢结构太阳辐射非均匀温度效应数值模拟方法研究,通过试验得到不同膜材料太阳辐射系数,开展带有不同膜材下钢材温度场试验研究和有限元模拟研究,形成了一种基于CFD理论对辐射-热-流耦合作用的膜下钢结构非均匀温度场的数值模拟方法。

2.2 年温差作用与环境骤然降温作用下的温度场研究现状

边广生[23]开展了南京奥体中心体育场钢屋盖结构在温度作用下的模型试验和理论计算研究,并且分析了屋盖日照温差值、屋盖下部混凝土结构刚度及拱脚支座刚度等和不同参数变化对钢结构屋盖温度效应的影响。肖星星[24]开展了年温差作用下多跨长联桥的温度效应研究,并提出支座位移量、梁端伸缩量的计算方法。刘坚等[25]对广州某中心体育馆大跨度钢结构屋盖在不同工况下温度效应特性开展了研究。结果表明,在温度工况作用下钢屋盖支座及其支承附近部位的杆件以及下弦杆应力变化的影响最大;对于钢屋盖支座处节点的水平位移影响较大,温差为负数作用时会导致桁架跨中竖向挠度增大,而温差为正数作用时对于桁架跨中竖向挠度的变化影响则有所减小。王昌彤等[26]利用MIDAS/GEN软件分别对江苏大剧院屋盖钢结构温度效应和合拢温度工况进行有限元数值模拟计算,分析不同结构温度工况状态下对钢结构支座以及杆件变形及应力的影响。上述相关研究表明,年温差作用对大跨度空间网架结构的应力及变形有着非常大的影响。

王昌衡[27]基于传热学理论,在路面骤然降温10 ℃/h条件下利用ANSYS有限元软件对沥青路面结构温度场进行瞬态热分析,结果也表明,随着道路骤然大幅降温,沥青路面温度会发生大幅度降低。王仁振[28]通过对各种混凝土构件在各种不同的降温速率环境下的温度场变形进行有限元分析。研究表明,结构温度自约束应力会随着降温速率的持续加快而急剧变大。由此可见,需要充分重视在骤然降温时对建筑结构的各种结构性能产生的巨大影响,尤其对温度极其敏感的钢结构建筑。

3 大跨度钢结构屋盖风-温耦合效应研究现状

关于大跨度钢结构屋盖风-温耦合效应的现有研究较少,目前只有部分学者在利用CFD流体热分析法分析温度场时考虑不同环境风速对温度场的影响。其中肖晓[28]同时考虑到太阳辐射、结构表面温度与内部及其周围环境辐射换热、内外部环境空气的对流换热等影响因素,对建筑整体结构和建筑物局部构件在多物理场耦合作用影响下温度场变化特性和分布规律进行了数值模拟。先通过对封闭方钢管构件的温度场进行数值模拟并得到关键数据,再将有限元模拟数据与现场试验实测数据进行对比验证方法的准确性和有效性。再利用该方法对大跨度空间结构的温度场进行数值模拟,获取不同设置风速下结构在各时刻的温度场分布情况。刘轩[30]在利用FLUENT软件模拟焊接不锈钢金属屋面系统中,在太阳辐射-自然对流换热系统作用条件下金属屋面材料的非均匀温度场分布状况及其力学性能。研究表明,屋面在太阳辐射作用下的温度场受风速影响很大,风速越大屋面的均值温度则越小,面板的温度波动幅值随着风速变大而变小且离散程度也较低。清华大学公共研究院[31]提出新的基于温度场相似的辐照-高温-强风耦合分部实验分析方法理论与流程,可以突破环境模拟设备在耦合作用下的极限测试工况限制,将辐照、温度场和风速场解耦,减小变量个数,在低测试工况下得到较高的真实测试工况下的测试值,为实现此方面的实验研究提供了理论基础。

现有研究中主要是基于温度场分析的时候引入风速作为影响因子,但缺乏其中对大跨度钢结构屋盖风场和温度场耦合作用机制研究,缺乏考虑风和温度耦合作用下大跨度钢结构风振响应分析,缺乏考虑风和温度耦合作用的大跨度钢结构损伤评估方法。

为推动大跨度钢结构屋盖风-温耦合效应的研究,需要在总结已有研究的基础上,围绕关键的科学问题,结合理论推导、模型实验和现场实测,推动研究建立精细化风-温耦合模型及优化有限元模型的建立方法,探究温度场、风场两者结合的双场耦合模型作用机制的研究。研究建立风温耦合效应模型和结构模型的数据交换方式,实现多物理场的数据计算,进行结构的风振响应分析。基于研究的数据,对荷载耦合作用下的大跨度钢结构进行易损性分析,引入随机概率论使得分析因素更全面,建立风险评估和评价准则,针对结构薄弱区域提出合理设计建议和构造措施。

4 结束语

实际工程环境是非常复杂的,影响建筑结构安全的因素也是多方面的。因此,随着工程建设的发展,多领域的交叉研究是未来研究的重要课题之一。建立大跨度钢结构屋盖风-温耦合效应的分析和评定方法是一种全新的结构防灾减灾手段,目前国内外关于此方面的研究并不完善,积极开展这方面研究的理论和工程应用价值非常明显。