本發(fā)明涉及屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體是一種屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法。

背景技術(shù)：

1、復雜大跨屋蓋結(jié)構(gòu)由于其屋蓋柔度大，在風荷載作用下易發(fā)生大幅振動。對結(jié)構(gòu)安全性影響最大的是在非平穩(wěn)脈動風作用下發(fā)生的短時超幅振動可能引起的瞬時破壞，但是要獲取脈動風下風荷載數(shù)據(jù)難度較大，想獲得脈動風下結(jié)構(gòu)響應(yīng)難度更大，于是提出了風振系數(shù)這一概念。風振系數(shù)是脈動風作用下結(jié)構(gòu)總響應(yīng)與平均風荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值，主要用以量化結(jié)構(gòu)在脈動風下結(jié)構(gòu)位移或變形較穩(wěn)態(tài)風下結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系。借助風振系數(shù)便可以根據(jù)易得的平均風荷載快速換算得到脈動風響應(yīng)。

2、現(xiàn)有技術(shù)在計算風振系數(shù)時，對于具有實體風洞試驗條件的多采用風洞試驗的方法，但風洞試驗基本均是采用剛性模型試驗，無法真實反應(yīng)結(jié)構(gòu)所應(yīng)具有的彈塑性，從而只能得到結(jié)構(gòu)模型外表面的風壓分布情況，而無法獲取結(jié)構(gòu)物在風荷載作用下的變形響應(yīng)數(shù)據(jù)。而為了節(jié)約時間及經(jīng)濟成本，更多的是采用數(shù)值模擬的方法。數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)分辨率更高，得到的數(shù)據(jù)精確度也就更高，但也具有同風洞試驗一樣的缺陷，即無法考慮結(jié)構(gòu)材料的彈塑性變形。

3、可使用ansysapdl軟件進行有限元動力響應(yīng)計算。但由于使用該軟件進行分析時所輸入的荷載數(shù)據(jù)是采用的風洞試驗測壓數(shù)據(jù)。由于風洞試驗?zāi)Ｐ拖拗?，所能設(shè)置的測壓孔數(shù)量有限，分布位置不完全合理，比如外圍外挑屋檐處往往上下表面間距極小，無法進行打孔安裝測壓管設(shè)備，因此在試驗時多會將理論上本應(yīng)布置于邊緣處的測點內(nèi)移，這在很大程度上影響了結(jié)果的準確性。除此之外，由于有限元分析時是將各個結(jié)構(gòu)單元分割成有限個微小單元，這便導致了其模型在空間維度上被離散后并不具備連續(xù)性，具體表現(xiàn)為有限元模型是由許多節(jié)點和桿單元拼接而成。由此便使得風洞測壓試驗時在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置測壓點的位置在有限元模型中相同位置可能并沒有可以施加荷載的節(jié)點，即便存在，其位置也是存在著微小差距的。因此在已有研究中通常會選擇與測點位置最為接近的節(jié)點作為荷載施加點。以上缺陷均會給分析結(jié)果帶來不可忽略的偏差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了提高風振系數(shù)的計算精度，本申請?zhí)峁┝艘环N屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法。

2、本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：

3、屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，包括：

4、步驟1、獲取建筑模型的幾何參數(shù)和材料特性數(shù)據(jù)；

5、步驟2、根據(jù)幾何參數(shù)和材料特性數(shù)據(jù)建立有限元彈塑性模型；

6、步驟3、根據(jù)幾何參數(shù)建立數(shù)值模型和物理剛性模型；

7、步驟4、對數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分；

8、步驟5、提取有限元彈塑性模型中的節(jié)點坐標；

9、步驟6、根據(jù)節(jié)點坐標布置數(shù)值模型中的監(jiān)測點；

10、步驟7、基于監(jiān)測點進行數(shù)值模擬計算；

11、步驟8、獲取數(shù)值模型中各個監(jiān)測點的風壓時程1；

12、步驟9、物理剛性模型按照結(jié)構(gòu)特點進行測點布置并記錄測點坐標；

13、步驟10、對物理剛性模型進行風洞試驗；

14、步驟11、獲取物理剛性模型屋蓋在不同方向來流下的表面風荷載，得到風壓時程數(shù)據(jù)2；

15、步驟12、將數(shù)值模型監(jiān)測點與物理剛性模型測點疊加合并，對于位置接近的兩個測點，保留數(shù)值模型的監(jiān)測點而去掉物理剛性模型測點；

16、步驟13、分別將相應(yīng)測點的風壓時程數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，對于位置接近而保留的點則選取對應(yīng)物理剛性模型對應(yīng)的風壓時程數(shù)據(jù)，由此得到風壓時程數(shù)據(jù)3；

17、步驟14、分別將風壓時程1、風壓時程2及風壓時程3導入有限元分析軟件并施加在對應(yīng)點位，利用模態(tài)迭代法進行風致振動彈塑性分析以獲取三組結(jié)構(gòu)位移時程曲線；

18、步驟15、基于三組結(jié)構(gòu)位移時程曲線獲取各節(jié)點處位移脈動值和平均值；

19、步驟16、基于步驟15獲取的數(shù)據(jù)分別計算風振系數(shù)1、風振系數(shù)2及風振系數(shù)3；

20、步驟17、對風振系數(shù)1和風振系數(shù)2進行疊加得到風振系數(shù)4，其中重疊的點位取加權(quán)平均值；

21、步驟18、將風振系數(shù)3與風振系數(shù)4合并取包絡(luò)值得到風振系數(shù)5，風振系數(shù)5即為最終的風振系數(shù)。

22、進一步地，所述步驟2還包括：對有限元彈塑性模型進行簡化，省略下部主體部分，將屋蓋與下部主體部分的連接部位作為有限元彈塑性模型的約束邊界條件。

23、進一步地，所述步驟4還包括：對流體分離劇烈處網(wǎng)格進行加密處理。

24、進一步地，所述步驟6在選取監(jiān)測點時按照風洞試驗測點布置原則并加密處理。

25、進一步地，所述加密處理是指：平緩區(qū)域測點布置間距對應(yīng)原始建筑尺寸應(yīng)保持在1m以內(nèi)；局部形態(tài)突變部位，在突起處頂部兩側(cè)不大于0.1m間距布置測點；曲面區(qū)域沿二維曲線不大于0.5m間距布置，且在曲線的波峰波谷頂點處布置測點；在呈線性變化方向測點以不大于1m間距布置。

26、進一步地，所述步驟7基于瞬態(tài)計算及l(fā)es大渦模擬湍流模型進行數(shù)值模擬計算。

27、進一步地，所述步驟9中，測量點布置原則為邊緣及局部突變處加密，其余位置均布。

28、進一步地，還包括步驟19、將點分布風振系數(shù)按照覆蓋面積加權(quán)平均轉(zhuǎn)換為分區(qū)面分布風振系數(shù)。

29、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有的有益效果是：

30、通過測點布置方法和載荷組合方法將數(shù)值模擬和物理風洞試驗兩種方法相結(jié)合共同用以進行風荷載響應(yīng)研究，規(guī)避了兩種方法固有的缺陷，結(jié)合了二者的優(yōu)勢，使得風振系數(shù)的計算精度更高。測點布置方法是指：提取建筑有限元模型的單元節(jié)點坐標，按照測點布置原則從單元節(jié)點中選取點位作為測點。載荷響應(yīng)組合方法是指：一是先進行測壓點疊加從而將荷載疊加，然后將疊加后的荷載數(shù)據(jù)加載到有限元模型進行動力分析；二是分別將數(shù)值模擬和風洞試驗的荷載數(shù)據(jù)加載到有限元模型進行動力分析，然后將計算得到的風荷載響應(yīng)進行疊加；最后將兩種方法得到的風荷載響應(yīng)合并取包絡(luò)值得到最終響應(yīng)結(jié)果。

31、在測點布置方面結(jié)合了有限元模型單元坐標以及風洞物理模型的幾何形狀特征，使得測點布置更為合理，覆蓋密度更高。

32、進行有限元彈塑性動力分析時荷載的加載位置更合理準確，大部分加載點位所加載的荷載即為相同位置風荷載數(shù)據(jù)，采用近似等效的加載點位大幅減少。

33、更密的測點，更準確的加載位置，使得經(jīng)有限元計算得到的動力響應(yīng)結(jié)果更為準確，由此得到的風荷載響應(yīng)參數(shù)具有更高的有效性與可用性。

34、結(jié)合了數(shù)值模擬的高密度高精度數(shù)據(jù)以及風洞試驗高可信度的特點，同時通過交換荷載疊加和響應(yīng)疊加的先后順序修正了結(jié)果誤差。

技術(shù)特征：

1.屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述步驟2還包括：對有限元彈塑性模型進行簡化，省略下部主體部分，將屋蓋與下部主體部分的連接部位作為有限元彈塑性模型的約束邊界條件。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述步驟4還包括：對流體分離劇烈處網(wǎng)格進行加密處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述步驟6在選取監(jiān)測點時按照風洞試驗測點布置原則并加密處理。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述加密處理是指：平緩區(qū)域測點布置間距對應(yīng)原始建筑尺寸應(yīng)保持在1m以內(nèi)；局部形態(tài)突變部位，在突起處頂部兩側(cè)不大于0.1m間距布置測點；曲面區(qū)域沿二維曲線不大于0.5m間距布置，且在曲線的波峰波谷頂點處布置測點；在呈線性變化方向測點以不大于1m間距布置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述步驟7基于瞬態(tài)計算及l(fā)es大渦模擬湍流模型進行數(shù)值模擬計算。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，所述步驟9中，測量點布置原則為邊緣及局部突變處加密，其余位置均布。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項所述的屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，其特征在于，還包括步驟19、將點分布風振系數(shù)按照覆蓋面積加權(quán)平均轉(zhuǎn)換為分區(qū)面分布風振系數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，為了提高風振系數(shù)的計算精度，提供了屋蓋結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算方法，通過測點布置方法和載荷組合方法將數(shù)值模擬和物理風洞試驗兩種方法相結(jié)合共同用以進行風荷載響應(yīng)研究，規(guī)避了兩種方法固有的缺陷，結(jié)合了二者的優(yōu)勢，使得風振系數(shù)的計算精度更高。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣媛,張奧,回憶,李明,吉翔,程麗娟,陳強,劉銳,鄧秋意,孫宇彤,楊成錦,原先凡
受保護的技術(shù)使用者：中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30