典型形式大跨度屋盖风雪漂移的数值模拟

近年来,因积雪的不均匀分布造成大跨度屋盖坍塌的事故已屡见不鲜,这主要是由于屋盖上的积雪在风力作用下发生复杂的风雪运动,从而造成大跨度屋盖表面积雪的不均匀分布,正确预测大跨度屋盖上的积雪分布有着非常重要的意义。基于Mixture多相流模型和k-kl-ω模型对几种典型形式大跨度屋盖的风雪漂移进行了数值模拟,探讨了不同形式屋盖的积雪分布规律,研究了风向角、矢跨比对屋面积雪分布的影响,并将平屋盖和拱形屋盖数值模拟结果与规范进行了对比分析。     

风雪绕流数值模拟的积雪预测模型研究

为研究钝体风雪绕流效应下的地表积雪现象,根据壁面剪切机制及空间混合理论共同确立了积雪预测模型,采用欧拉框架单流体方法对1 m高度立方体模型周边的风雪两相流动情况及空间雪相浓度进行了求解。通过对比不同积雪模型下沉积预测指标在绕流区域的分布情况,及以此得到的积雪预测形态与实测结果的差异发现：该文采用的积雪模型不完全依赖于当地摩阻风速与临界起动风速的相对关系,一定程度上避免了模型参数的取值局限,对沉积现象的反映更为直观;由于综合了两套理论并引入沉积量估计的双重动态指标,该文对于雪面侵蚀及沉积区域的界定划分较为清晰,对积雪形态的预测包括雪面极值位置的捕捉、坡面起伏规律的再现,都较已有数值计算结果更为合理。模型方法可用于其他外形地物绕流下的地表积雪现象模拟。     

地铁运行区域新建建筑全过程实测与数值模拟

以邻近地铁线路的某新建建筑为例,对从项目动工至建筑封顶过程中的主要节点进行全过程实测,得到地铁经过时自由场地及施工不同阶段建筑内部各楼层的振动数据。建立单体的有限元模型,采用不同的激励输入方式进行数值模拟,并将计算结果与实测结果进行对比验证,以获取既有地铁运行区域拟建建筑施工前振动预测的有效方法。在数值分析过程中,针对环境振动,提出了"原位激励"的概念。分析结果表明:一致激励输入仅适用于建筑平面尺寸较小时进行初步预测;原位激励与多点激励的输入方式计算结果准确可靠,可满足设计各个阶段的振动预测需求;根据不同的需求可分别选择采用原位激励或多点激励的输入方式进行振动预测;采用自由场地实测结果作为输入激励进行振动预测时,可将计算结果根据不同的建筑类型进行修正。该研究成果可对既有地铁运行区域拟建建筑施工前进行振动评价提供参考。     

标准低矮建筑TTU三维定常风场数值模拟研究

基于专业计算流体动力学软件平台FLUENT6提供的标准k?ε等多种湍流模型对大气边界层中的TTU(Texas Tech University Building Model)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟,并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞试验结果进行了比较。结果表明,多种湍流模型均能为工程应用提供有效参考,且对于此种体形简单的建筑复杂的雷诺应力模型的预测结果并不优于简单的涡粘模型,这为钝体绕流现象的数值模拟研究提供了有利依据。     

体育场主看台悬挑屋盖表面风压的数值模拟

采用数值模拟方法对体育场主看台悬挑屋盖结构的表面风压分布进行了预测和分析。为验证数值模拟的准确性,首先对一具有风压风洞试验结果的主看台平屋盖结构进行了计算,计算结果与风洞试验结果作了比较。然后对浙江温州地区一主看台悬挑屋盖结构进行了数值模拟,考虑了屋盖倾角为0°和16°两种情况;通过对两个最不利风向角0°和180°的模拟结果的分析和比较,提出了这类屋盖表面风压的简化分布规律和计算方法,并与国外相关规范建议的公式作了比较。该简化计算方法可直接供同类结构抗风设计参考和应用。     

外形几何参数对双坡低矮建筑屋盖上最不利风压系数的影响

利用作者最近开发的非高斯风压的极值计算方法对日本东京工艺大学低矮建筑气动数据库中的刚性模型测压风洞试验数据进行处理,研究了屋盖上的最不利负风压系数随建筑外形几何参数的变化规律。研究结果表明:屋盖倾角的变化对屋盖上的测点最不利负风压系数的大小和分布有重要影响。高宽比的影响相对较小,多数情况下屋盖的最不利局部风压系数基本上都是随高宽比的增大呈微弱的增加趋势。深宽比的影响最微弱,规律性也比较差。     

国家体育场大跨度屋盖结构风场实测研究

通过自主开发的基于无线传感技术的土木工程结构风场实测系统,对国家体育场大跨度屋盖上的风速风向进行了监测,获得了屋盖上的风场实测数据。经过对实测数据的分析,得到了平均风速和风向、阵风系数、湍流度以及脉动风速功率谱等风特性参数,分析结果表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大差别,表现为非高斯特性明显﹑湍流度较大﹑脉动风速功率谱在较高频率处达到峰值﹑空间上不同点脉动特性相关度较弱;本文从实测角度上证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定     

风雪流滞空颗粒受力及运动行为的数值模拟

为研究稀疏风雪流系统下滞空颗粒在介质中的变加速运动行为及非线性气动特性,以运动学微分方程为基础,建立了微观层面下不同粒径、密度颗粒的三维动网格计算模型。采用时间-空间离散的数值积分方法,求解了小时空尺度下,单个雪颗粒在静止空气及梯度风场中的自由沉降与强迫运动问题。通过对比不同颗粒参数及流场环境的模拟结果发现：颗粒自由沉降所能达到的终端线速度及对应稳定时间均随平均粒径及密度的增大而增大,粒径确定的情况下,相同时间内大密度颗粒沉降距离相对更远,自由沉降初期的非线性变速运动行为可近似考虑为小时空尺度问题;剪切流条件下,较小的风速梯度可能引起颗粒在来流及自重方向运动速度的波动,所受气动外力的改变总是滞后于运动速度的变化,强风环境下颗粒将具有更好的流场跟随性,其非线性变速阶段仍可视为小时空尺度问题。滞空雪颗粒在流场中的运动行为基本满足多相流理论的局部短时空尺度均衡假定。     

鞍形屋盖平均风压分布特性的数值模拟研究

基于Reynolds时均N-S方程和RSM模型对鞍形屋盖的平均风压分布进行了数值模拟,采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并采用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、矢跨比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性。最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将鞍形屋面分成12个区,给出了不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计的参考。     

“膜皮”屋盖建筑简介

<正> 南化公司新华三村浴室浴堂,平面呈正八边型,对边跨距11米,屋面坡度1:2,中央部位设置了正八边通风采光排雾气楼。屋盖采用新型空间结构——“膜皮”结构,即全部屋盖由八块支承在环梁上的预制膜壳板拼装而成。该结构成型简单1～2级抹灰工就可制作,装配程度高,几乎不用模板木材,技术经济指标较好。与南京大厂镇山畔一村浴室男澡堂10×     

井冈山机场航站楼屋盖表面风压的数值模拟及试验研究

采用数值模拟方法对井冈山机场航站楼屋盖结构在近地风作用下的表面风压进行了计算,并在边界层风洞中对该屋盖的表面风压进行了模型试验测定.数值模拟基于稳态的Reynolds时均Navier-Stokes方程,运用了标准k-ε湍流封闭模型.将计算得到的风压系数值与风洞试验值作了比较,结果表明数值模拟较好地反映了大跨度屋盖表面风压的分布情况,由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合.     

冻融损伤低矮RC剪力墙数值模拟方法

出于冻融环境下RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,通过理论分析与试验回归相结合的方法对8榀冻融损伤低矮RC剪力墙拟静力试验结果进行分析,得到了综合考虑冻融损伤参数和轴压比影响的低矮RC剪力墙剪切恢复力模型,进而提出了考虑不均匀冻融损伤分布组合剪切效应的低矮RC剪力墙数值模拟方法。通过模拟结果与试验结果对比发现：采用该模拟方法得到各试件的滞回曲线、骨架曲线以及最终破坏时的累积耗能均与试验结果符合较好,表明该文所提出的数值模拟方法可较为准确地反映冻融损伤低矮RC剪力墙的力学性能和抗震性能,可用于严寒地区在役RC剪力墙结构的抗震性能评估。     

建筑屋盖表面及其周围积雪分布研究

准确预测建筑屋盖表面和建筑周围的积雪空间分布形式是防止雪灾发生的重要手段。基于Euler-Euler方法,假定空气相和雪相均为连续相,运用计算流体力学软件FLUENT 17.0,采用Mixture多相流模型和k-kl-ω湍流模型模拟了立方体周围和高低屋盖表面的风致雪漂移。首先采用四组网格,以立方体为研究对象进行网格无关性验证;随后模拟了立方体周围风场并比较了迎风中线的平均风压系数,结果显示k-kl-ω湍流模型与实测结果吻合较好;最后模拟了立方体周围和高低屋盖表面的积雪分布并与实测和风洞试验结果进行了对比,侵蚀、沉积趋势一致。     

地铁运行区域新建建筑全过程实测与数值模拟EI北大核心CSCD

以邻近地铁线路的某新建建筑为例,对从项目动工至建筑封顶过程中的主要节点进行全过程实测,得到地铁经过时自由场地及施工不同阶段建筑内部各楼层的振动数据。建立单体的有限元模型,采用不同的激励输入方式进行数值模拟,并将计算结果与实测结果进行对比验证,以获取既有地铁运行区域拟建建筑施工前振动预测的有效方法。在数值分析过程中,针对环境振动,提出了"原位激励"的概念。分析结果表明:一致激励输入仅适用于建筑平面尺寸较小时进行初步预测;原位激励与多点激励的输入方式计算结果准确可靠,可满足设计各个阶段的振动预测需求;根据不同的需求可分别选择采用原位激励或多点激励的输入方式进行振动预测;采用自由场地实测结果作为输入激励进行振动预测时,可将计算结果根据不同的建筑类型进行修正。该研究成果可对既有地铁运行区域拟建建筑施工前进行振动评价提供参考。     

碎石桩加固可液化场地数值模拟与分析

采用砂土液化大变形模型模拟饱和砂土及等效非线性增量模型模拟碎石桩,对碎石桩加固约19 m厚饱和砂土场地的动力离心模型试验进行数值模拟,在加固区与非加固区不同部位的加速度和超静孔隙水压响应时程与试验数据符合较好。在试验验证的基础上,对不同震动强度下碎石桩的排水与加密效应对加固可液化场地的动力响应影响进行了模拟研究,包括：超静孔压累积与消散,土体液化变形的发展,及加固区内部与外部响应差异等。结果表明：碎石桩加固可明显改善土体抗液化能力,在所分析的0.2 g震动强度工况,碎石桩加固区除桩间土浅层1 m~2 m少量部位外未出现土体液化,基本达到加固消除液化的目的。碎石桩抗液化的有效影响范围约为2.5倍~3倍桩径,在浅层小而随深度增加;外围桩发挥着加固区排水屏障和非加固区排水通道的作用;碎石桩加固加密土体时,会提高土体的剪应力比峰值。     

大跨半钢板混凝土屋盖的施工模拟与分析

半钢板混凝土(HSC)屋盖在施工时,先以钢板为混凝土浇筑的模板和支撑,此时混凝土和钢筋的重量及施工荷载均由钢板承担,待混凝土硬化与钢筋和钢板成为一体后,三者共同承受外力作用。该文采用生死单元和追踪单元技术模拟了这个施工过程。首先,建立了大跨半钢板混凝土组合梁的数值模型,对典型构件的试验进行了模拟,检验了结构建模的有效性和粘结滑移的影响。在此基础上应用生死单元和追踪单元技术对直接成型梁试件和分阶段叠合成型梁试件的力学性能进行了对比研究。结果表明,考虑施工过程的大跨半钢板混凝土梁在加载初期刚度和后期承载力略有减小,施工过程仅增加了最终的构件变形。最后,对屋盖体系进行了模拟,研究了该屋盖体系在正常使用状态下的受力和变形,为该类屋盖结构提供设计依据。     

广义帽盖模型和数值模拟

帽盖模型是描述地质孔隙介质弹塑性破坏特征的重要工具之一。推广了古典的帽盖模型,用以描述大孔隙率地质材料的多种破坏机理,并将建立的广义帽盖模型应用于贮油砂岩的试验数值模拟之中,结果表明:该模型能较好地模拟注水采油等引起砂岩地层的附加沉降,描述油饱和与水饱和对砂岩地层的影响,并能很好地表征大孔隙率砂岩的几种破坏机理。     

直流磁控溅射膜厚分布实测与数值模拟研究

基于直流磁控溅射的基本原理,通过对小圆形磁控溅射平面靶的特点分析,建立了磁控溅射系统的几何模型,推导出了膜厚分布的数学理论模型。借助MATLAB数学软件,计算了不同靶基距下膜厚分布的理论数据,分析了靶基距变化时膜厚分布的特点。实测了两种不同靶基距下膜厚的分布,通过与理论数据的对比,验证了模型的可靠性。理论模型与实测数据的分析表明:随着靶基距的逐渐增大,膜厚的变化率减缓,膜层的平均厚度降低,膜厚分布的均匀性提高;在靶基距一定的情况下,增宽靶材的刻蚀区域会提高膜层厚度及其均匀性;基板上的膜厚分布大致呈现从中心到边缘逐渐变薄的趋势,膜层最厚的位置随着靶基距的增大,从靶材刻蚀最深处在基板上的投影位置,逐渐向基板中心转移。     

对接试板焊接残余应力实测与数值模拟

使用压痕法对两副对接试板进行了表面焊接残余应力测试,并通过焊接有限元仿真获得了对接试板焊接残余应力分布规律,对比分析了表面残余应力实测和数值模拟结果。分析结果表明,焊接残余应力数值仿真结果和压痕法实测结果趋势一致,数值相差不大,残余拉应力峰值实测为599 MPa,仿真结果为597 MPa,表明数值模拟方法可预测焊接残余应力;焊缝及热影响区最大纵向残余应力属于拉应力,而最大横向残余应力为压应力,横向残余应力峰值低于纵向残余应力峰值;等效应力(Mises应力)峰值792 MPa,高于试板材料在常温下的初始屈服强度,表明该材料具有明显的加工硬化现象。     

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速U_r=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。