大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)-溫耦合效應(yīng)研究現(xiàn)狀

閆鳳濤, 程衛(wèi)祥, 李國(guó)強(qiáng), 劉 用, 王靜峰

(1.中能建建筑集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088;2. 廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司,廣東 廣州 510940;3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)建筑以其材質(zhì)高強(qiáng)、構(gòu)件制造工業(yè)化程度高、建造工期短、工程造價(jià)省等優(yōu)點(diǎn)使其在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅、大型體育場(chǎng)館、廠房等民用與工業(yè)建筑領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

但鋼結(jié)構(gòu)也存在一定的缺陷,其受風(fēng)荷載、溫度荷載效應(yīng)影響明顯,易造成建筑物的損害和人民財(cái)產(chǎn)損失(圖1、圖2)。大型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)風(fēng)荷載和溫度荷載極其敏感,在風(fēng)荷載和溫度荷載作用下可能產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力,影響鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)安全和正常使用。由于溫度荷載、風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全存在極大的危害,所以眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程及溫度效應(yīng)開展了多層次、多角度的深入研究。但是現(xiàn)有學(xué)者的眾多研究中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的風(fēng)荷載、溫度荷載研究都是分開的,并未考慮兩者之間耦合影響因素,具體的規(guī)律和特點(diǎn)也未深入探究。部分學(xué)者在分析鋼結(jié)構(gòu)溫度荷載的時(shí)候,分析了在日照環(huán)境不同風(fēng)速對(duì)鋼材表面溫度的影響規(guī)律。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,由于風(fēng)速和溫度兩者對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用時(shí)存在一定的相關(guān)性,需基于地區(qū)風(fēng)速和溫度兩者的實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù),對(duì)荷載規(guī)范中的風(fēng)速、溫度荷載組合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,以保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。但均未建立風(fēng)-溫耦合效應(yīng)有限元模型和分析其中的作用機(jī)制和規(guī)律,未分析該模型下整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和評(píng)定方法。

圖1 風(fēng)災(zāi)工程案例

圖2 溫度荷載破壞工程案例

1 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外結(jié)構(gòu)風(fēng)工程發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外Uematsu等[1,2]對(duì)不同結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)跨度比下的平屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)特性開展了研究,結(jié)果表明,屋蓋表面風(fēng)壓分布特性會(huì)隨風(fēng)向角和屋蓋的角度變化而變化。當(dāng)風(fēng)向角幾乎成90°作用于屋蓋上部表面時(shí)則主要會(huì)形成柱狀旋渦,其中附面層的分離則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)屋蓋表面在其迎風(fēng)側(cè)區(qū)域處產(chǎn)生相對(duì)壓力值變化較大時(shí)的負(fù)壓區(qū)域。當(dāng)風(fēng)向角邊緣與屋蓋邊緣間存在著一定旋轉(zhuǎn)角度時(shí)將主要是形成錐形旋渦,產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)壓力值的負(fù)壓區(qū)域也基本與具有該類旋渦作用區(qū)域相符合。平均脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在一些研究中都被證明發(fā)現(xiàn)在兩者參數(shù)之間還存正相關(guān)性。

此外,Uematsu等[1,2]也陸續(xù)開展起了綜合考慮屋面結(jié)構(gòu)矢跨比數(shù)值及高跨比數(shù)值對(duì)圓柱形屋面風(fēng)壓分布與特性等的相關(guān)影響研究,結(jié)果分析表明,結(jié)構(gòu)矢跨比參數(shù)的綜合調(diào)整將對(duì)屋頂結(jié)構(gòu)風(fēng)壓特性分布的相關(guān)影響作用更為深入顯著,其中結(jié)構(gòu)矢跨比的數(shù)值也是一個(gè)影響屋頂氣流與屋面結(jié)構(gòu)物相分離效應(yīng)的很重要參考因素,結(jié)構(gòu)表面的正負(fù)壓風(fēng)場(chǎng)的分布特性同樣也必然會(huì)相應(yīng)受到影響。Simiu等[3]首次將越界峰值法應(yīng)用到在極值風(fēng)速的分析模型中,若閾值參數(shù)選值過高或閾值參數(shù)選值過低都可能使分析數(shù)據(jù)完全失去理論參考價(jià)值且不利于保證研究結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。因此對(duì)閾值高低指標(biāo)的科學(xué)選擇和合理假設(shè)都是準(zhǔn)確應(yīng)用該分析方法的最為關(guān)鍵之處。Suzuki等[4]依托風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)研究分析了大跨懸掛式屋蓋結(jié)構(gòu)表面在受柱狀旋渦作用時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)荷載分布及其特性,旋渦的脫落及與氣流的發(fā)生和分離后再附以等風(fēng)場(chǎng)特性現(xiàn)象均在該結(jié)構(gòu)表面均被充分顯現(xiàn)。相比較于結(jié)構(gòu)本身的迎風(fēng)側(cè),結(jié)構(gòu)自身的背風(fēng)側(cè)的氣流結(jié)構(gòu)顯得更為復(fù)雜紊亂、脈動(dòng)風(fēng)荷載也變得更大,但風(fēng)壓系數(shù)則相反。Ginger等[5]也曾分別研究柱狀旋渦和錐形旋渦是如何影響大跨平屋蓋的,開展研究了在上述兩種不同旋渦作用影響下,形成的不同對(duì)應(yīng)位置風(fēng)壓觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性問題。

1.2 國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)洞模型試驗(yàn)器以其外形受空間氣候條件環(huán)境和工作時(shí)間因素的共同影響變化小,模型制作和各種測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)安裝、操作、使用維護(hù)比較簡(jiǎn)捷方便實(shí)用等顯著優(yōu)勢(shì),是國(guó)內(nèi)開展大跨空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最常見且相對(duì)準(zhǔn)確有效的方式。李秋勝等[11]還通過依托廣州會(huì)展中心項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn),分析探討了大跨空間結(jié)構(gòu)表面的平均風(fēng)壓分布特性和脈動(dòng)風(fēng)壓分布特性,探究在受風(fēng)向角變化作用時(shí)結(jié)構(gòu)表面的測(cè)點(diǎn)位置及其最不利情況,并總結(jié)分析了測(cè)點(diǎn)間距、測(cè)試頻率和測(cè)點(diǎn)相干性等因素的影響關(guān)系。李波等[6]依托具有頂部屋蓋可以正常開啟、閉合功能的國(guó)家某一體育場(chǎng)館進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果,分析并提出了場(chǎng)館在其頂部屋蓋關(guān)閉和完全開啟兩種不同使用狀態(tài)作用下產(chǎn)生的風(fēng)荷載空間分布特性。結(jié)果表明,兩種不同狀態(tài)下的平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和繞流形式均存在顯著不同,但測(cè)點(diǎn)功率譜主要在頂部屋蓋開啟狀態(tài)下有較大影響。劉帥等[7]針對(duì)的屋蓋結(jié)構(gòu)涉及矩形和圓形兩類,對(duì)比分析矩形屋蓋和圓形屋蓋的風(fēng)荷載分布特性,探究不同屋蓋類型下的極值風(fēng)壓及平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。結(jié)果表明,負(fù)壓區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性在兩種不同屋蓋下存在較大不同。其中圓形屋蓋負(fù)壓區(qū)則主要出現(xiàn)在屋蓋結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)側(cè)的前緣處,而矩形屋蓋結(jié)構(gòu)的負(fù)壓區(qū)又主要是出現(xiàn)在屋蓋結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)側(cè)的前緣處及屋蓋的角部位置,由此分析可知圓形結(jié)構(gòu)屋蓋的整體抗風(fēng)荷載性能也更突出,文中同時(shí)提出在矩形結(jié)構(gòu)屋蓋的邊角處采用切角的設(shè)計(jì)思路來提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。葉燁[8]依托武漢理工大學(xué)體育中心的剛性風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)數(shù)據(jù),針對(duì)群體大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)與分析開展了深入研究,內(nèi)容包括了群體大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布特性及體形系數(shù)研究。

相對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)而言,數(shù)值模擬的方法由于其研究成本低、研究參數(shù)調(diào)整便利和研究結(jié)果直觀易懂等優(yōu)點(diǎn)正被廣大學(xué)者逐步采用。陳伏彬等[9]采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩者相結(jié)合的方法,對(duì)深圳新火車站系統(tǒng)開展了在不同工況下的研究。結(jié)果表明,最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)發(fā)生在車站屋蓋的迎風(fēng)的懸挑區(qū)域,但其會(huì)因?yàn)樵诓煌疖嚁?shù)量工況下存在局部差異,但對(duì)整體影響較小;其中存在于火車站主站房東側(cè)縱、橫方向上的大跨度開洞均會(huì)產(chǎn)生氣流的“匯集”等風(fēng)場(chǎng)特性。王瑩等[10]通過依托CFX數(shù)值計(jì)算分析平臺(tái)分別對(duì)扁平屋蓋、球形屋蓋結(jié)構(gòu)和馬鞍形屋蓋等三種結(jié)構(gòu)形式的大跨結(jié)構(gòu)表面風(fēng)場(chǎng)特性開展了三維數(shù)值模擬計(jì)算研究與作用機(jī)理研究,探究出風(fēng)向角、地表粗糙度差異和矢跨比對(duì)表面風(fēng)壓分布特性及影響規(guī)律;結(jié)合上述三種大跨結(jié)構(gòu)屋蓋類型,提出了在數(shù)值模擬研究中使用的計(jì)算域的幾何尺寸、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分的方法、選擇湍流模型的參考依據(jù)和收斂性分析等應(yīng)用建議。張虎躍[11]利用ANSYS流體和靜力計(jì)算模塊,開展大跨結(jié)構(gòu)的流體數(shù)值模擬與靜力分析,數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)模擬的風(fēng)荷載試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

與風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究手段相比,風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)由于操作性難度大使得相關(guān)研究成果較少。王煜成[12]開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究,開展了包括風(fēng)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的研發(fā)標(biāo)定、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法的改進(jìn)等工作,與不同荷載規(guī)范進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比來驗(yàn)證測(cè)試方法的準(zhǔn)確性和可靠性。研究結(jié)果表明,現(xiàn)場(chǎng)在40 m高度處實(shí)測(cè)的風(fēng)速湍流度值要高于國(guó)內(nèi)規(guī)范針對(duì)B類地貌下0.113的湍流度值,研究建議可參考?xì)W洲規(guī)范計(jì)算陣風(fēng)系數(shù)的方法來計(jì)算坡度較為平坦雙坡屋面的局部風(fēng)壓系數(shù),且應(yīng)適當(dāng)提高背風(fēng)側(cè)的陣風(fēng)系數(shù)的值。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的脈動(dòng)風(fēng)速及風(fēng)壓值在進(jìn)行相關(guān)性特征分析處理時(shí),按平均風(fēng)速方向遷移的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在屋蓋表面,但事實(shí)上此類相關(guān)性特征通常會(huì)隨著旋渦運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)發(fā)生一定的改變。

2 結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的研究現(xiàn)狀

在開展的建設(shè)中,對(duì)溫度場(chǎng)的研究主要包括混凝土橋梁、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、組合結(jié)構(gòu)橋梁、大型體育場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)體系等大型建筑中。目前針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主要開展火災(zāi)下和太陽(yáng)輻射下的溫度場(chǎng)研究。建筑結(jié)構(gòu)受到溫度的影響主要是由于建筑材料在周圍環(huán)境溫度的影響下會(huì)發(fā)生熱脹冷縮變形。但同時(shí)對(duì)于內(nèi)部存在多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)體系而言,結(jié)構(gòu)體系自身的自由溫度變形會(huì)受到制約,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)在溫度荷載作用下產(chǎn)生了一定的溫度應(yīng)力和變形。

2.1 日照溫差作用下的溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀

金曉飛等[13]總結(jié)了日照溫差作用對(duì)大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的數(shù)值分析方法,主要包括:應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行的熱分析有限元法,利用熱電比擬法的熱網(wǎng)絡(luò)法和流體熱分析法三種。

其中,對(duì)于熱分析有限元法,國(guó)內(nèi)范重等[14]對(duì)國(guó)家體育館工程的各部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件在太陽(yáng)輻射下的溫度上升下降的各類影響因素進(jìn)行了分析,通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)的分析資料數(shù)據(jù)確定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場(chǎng)計(jì)算采用的各種關(guān)鍵物理參數(shù)及室內(nèi)外風(fēng)速及相應(yīng)構(gòu)件材料的熱傳導(dǎo)計(jì)算邊界條件。研究采用有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算了箱形構(gòu)件各表面的輻射溫度與構(gòu)件的平均輻射溫升,進(jìn)而分析出結(jié)構(gòu)在各區(qū)域內(nèi)構(gòu)件的輻射溫度,研究計(jì)算結(jié)果后得到符合大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的合攏溫度要求,包括在設(shè)計(jì)時(shí)合攏溫度與最大正、負(fù)溫差。劉紅波等[15]開展了包括各種結(jié)構(gòu)材料太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)、鋼管溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算新方法,以及在太陽(yáng)輻射影響下對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析空間鋼結(jié)構(gòu)中的溫度效應(yīng)等問題研究。王化杰[16]開展了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)非均勻溫度場(chǎng)的變化對(duì)比研究,結(jié)果進(jìn)一步說明了在太陽(yáng)輻射影響下空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)部各受力桿件表面的溫度場(chǎng)變化是不同的,但需要考慮建筑自身對(duì)溫度場(chǎng)的影響。總的來說,采用熱分析法直接分析建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的日照溫度場(chǎng),優(yōu)勢(shì)在于可將所求的溫差直接作為荷載加載,進(jìn)而能直接用來分析建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的溫度效應(yīng),不足之處是未考慮實(shí)際的風(fēng)向及風(fēng)速對(duì)溫差取值可能造成偏差。

對(duì)于運(yùn)用CFD流體熱分析法,裴永忠等[17]通過建立AMECO-A380大跨度機(jī)庫(kù)數(shù)值分析模型,開展了考慮天氣條件、太陽(yáng)輻射等因素影響下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋的上、下弦平面溫度效應(yīng)及分布規(guī)律。甘明等[18]利用CFD流體熱分析法對(duì)空間結(jié)構(gòu)開展不均勻溫度場(chǎng)計(jì)算,結(jié)果表明空間結(jié)構(gòu)的組合荷載工況需要包含溫度作用,進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)還要考慮空間鋼結(jié)構(gòu)溫度作用的取值范圍、分項(xiàng)系數(shù)取值以及和其他工況中的組合分項(xiàng)系數(shù)取值。劉樹堂[19]基于晴空模型分析可得出日照強(qiáng)度下的鋼構(gòu)件溫度場(chǎng)變化會(huì)受到風(fēng)速變化的影響,這是由于風(fēng)速會(huì)改變鋼構(gòu)件表面換熱系數(shù)。陳濱濱[20]研究輻射-熱-流耦合場(chǎng),通過試驗(yàn)獲得在金屬材料表面涂上不同顏色的材料時(shí)太陽(yáng)輻射下金屬的吸收系數(shù),以及進(jìn)一步探究了面漆材質(zhì)、顏色變化等特性對(duì)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)變化規(guī)律。研究也發(fā)現(xiàn)在考慮流體時(shí)太陽(yáng)輻射影響下大跨度結(jié)構(gòu)數(shù)值法模擬計(jì)算出的非均勻溫度場(chǎng)分布和非均勻溫度效應(yīng)的分布會(huì)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。Hongbo Liu等[21]通過對(duì)太陽(yáng)輻射作用下溫度的非均勻分布和變化及其對(duì)鋁穹頂結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)了溫度荷載仍是鋁穹頂結(jié)構(gòu)承受的關(guān)鍵荷載。通過對(duì)太陽(yáng)輻射作用下溫度的非均勻分布和變化對(duì)鋁穹頂結(jié)構(gòu)影響的研究,發(fā)現(xiàn)溫度荷載是鋁穹頂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵荷載,且主要受太陽(yáng)輻射的影響。李博[22]基于CFD理論,開展完成了太陽(yáng)輻射下膜屋面下大跨鋼結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射非均勻溫度效應(yīng)數(shù)值模擬方法研究,通過試驗(yàn)得到不同膜材料太陽(yáng)輻射系數(shù),開展帶有不同膜材下鋼材溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究和有限元模擬研究,形成了一種基于CFD理論對(duì)輻射-熱-流耦合作用的膜下鋼結(jié)構(gòu)非均勻溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。

2.2 年溫差作用與環(huán)境驟然降溫作用下的溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀

邊廣生[23]開展了南京奧體中心體育場(chǎng)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在溫度作用下的模型試驗(yàn)和理論計(jì)算研究,并且分析了屋蓋日照溫差值、屋蓋下部混凝土結(jié)構(gòu)剛度及拱腳支座剛度等和不同參數(shù)變化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋溫度效應(yīng)的影響。肖星星[24]開展了年溫差作用下多跨長(zhǎng)聯(lián)橋的溫度效應(yīng)研究,并提出支座位移量、梁端伸縮量的計(jì)算方法。劉堅(jiān)等[25]對(duì)廣州某中心體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在不同工況下溫度效應(yīng)特性開展了研究。結(jié)果表明,在溫度工況作用下鋼屋蓋支座及其支承附近部位的桿件以及下弦桿應(yīng)力變化的影響最大;對(duì)于鋼屋蓋支座處節(jié)點(diǎn)的水平位移影響較大,溫差為負(fù)數(shù)作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致桁架跨中豎向撓度增大,而溫差為正數(shù)作用時(shí)對(duì)于桁架跨中豎向撓度的變化影響則有所減小。王昌彤等[26]利用MIDAS/GEN軟件分別對(duì)江蘇大劇院屋蓋鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)和合攏溫度工況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算,分析不同結(jié)構(gòu)溫度工況狀態(tài)下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支座以及桿件變形及應(yīng)力的影響。上述相關(guān)研究表明,年溫差作用對(duì)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形有著非常大的影響。

王昌衡[27]基于傳熱學(xué)理論,在路面驟然降溫10 ℃/h條件下利用ANSYS有限元軟件對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,結(jié)果也表明,隨著道路驟然大幅降溫,瀝青路面溫度會(huì)發(fā)生大幅度降低。王仁振[28]通過對(duì)各種混凝土構(gòu)件在各種不同的降溫速率環(huán)境下的溫度場(chǎng)變形進(jìn)行有限元分析。研究表明,結(jié)構(gòu)溫度自約束應(yīng)力會(huì)隨著降溫速率的持續(xù)加快而急劇變大。由此可見,需要充分重視在驟然降溫時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生的巨大影響,尤其對(duì)溫度極其敏感的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)-溫耦合效應(yīng)研究現(xiàn)狀

關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)-溫耦合效應(yīng)的現(xiàn)有研究較少,目前只有部分學(xué)者在利用CFD流體熱分析法分析溫度場(chǎng)時(shí)考慮不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響。其中肖曉[28]同時(shí)考慮到太陽(yáng)輻射、結(jié)構(gòu)表面溫度與內(nèi)部及其周圍環(huán)境輻射換熱、內(nèi)外部環(huán)境空氣的對(duì)流換熱等影響因素,對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)和建筑物局部構(gòu)件在多物理場(chǎng)耦合作用影響下溫度場(chǎng)變化特性和分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。先通過對(duì)封閉方鋼管構(gòu)件的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并得到關(guān)鍵數(shù)據(jù),再將有限元模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和有效性。再利用該方法對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,獲取不同設(shè)置風(fēng)速下結(jié)構(gòu)在各時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況。劉軒[30]在利用FLUENT軟件模擬焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)中,在太陽(yáng)輻射-自然對(duì)流換熱系統(tǒng)作用條件下金屬屋面材料的非均勻溫度場(chǎng)分布狀況及其力學(xué)性能。研究表明,屋面在太陽(yáng)輻射作用下的溫度場(chǎng)受風(fēng)速影響很大,風(fēng)速越大屋面的均值溫度則越小,面板的溫度波動(dòng)幅值隨著風(fēng)速變大而變小且離散程度也較低。清華大學(xué)公共研究院[31]提出新的基于溫度場(chǎng)相似的輻照-高溫-強(qiáng)風(fēng)耦合分部實(shí)驗(yàn)分析方法理論與流程,可以突破環(huán)境模擬設(shè)備在耦合作用下的極限測(cè)試工況限制,將輻照、溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)解耦,減小變量個(gè)數(shù),在低測(cè)試工況下得到較高的真實(shí)測(cè)試工況下的測(cè)試值,為實(shí)現(xiàn)此方面的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)有研究中主要是基于溫度場(chǎng)分析的時(shí)候引入風(fēng)速作為影響因子,但缺乏其中對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合作用機(jī)制研究,缺乏考慮風(fēng)和溫度耦合作用下大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析,缺乏考慮風(fēng)和溫度耦合作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法。

為推動(dòng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)-溫耦合效應(yīng)的研究,需要在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上,圍繞關(guān)鍵的科學(xué)問題,結(jié)合理論推導(dǎo)、模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),推動(dòng)研究建立精細(xì)化風(fēng)-溫耦合模型及優(yōu)化有限元模型的建立方法,探究溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)兩者結(jié)合的雙場(chǎng)耦合模型作用機(jī)制的研究。研究建立風(fēng)溫耦合效應(yīng)模型和結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)交換方式,實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析?；谘芯康臄?shù)據(jù),對(duì)荷載耦合作用下的大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析,引入隨機(jī)概率論使得分析因素更全面,建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域提出合理設(shè)計(jì)建議和構(gòu)造措施。

4 結(jié)束語

實(shí)際工程環(huán)境是非常復(fù)雜的,影響建筑結(jié)構(gòu)安全的因素也是多方面的。因此,隨著工程建設(shè)的發(fā)展,多領(lǐng)域的交叉研究是未來研究的重要課題之一。建立大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)-溫耦合效應(yīng)的分析和評(píng)定方法是一種全新的結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)手段,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究并不完善,積極開展這方面研究的理論和工程應(yīng)用價(jià)值非常明顯。