CFD|避雷针塔抗风分析
摘要:
基于计算流体动力学( Computational Fluid Dynamics，CFD) ，研究了南昌市某建筑物屋顶处避雷针塔在风荷载作用下的动力响应特征( Dynamic response characteristics) 。结合流固耦合( FSI) 功能，采用Midas NFX 大型有限元分析软件，计算了在50a 一遇风荷载作用下该避雷针塔结构的水平位移; 并通过设置不同的风向角，得到了在不同风向作用下避雷针塔杆件的位移量。最后，结合当地的主导风向，分析了120°风向角作用下结构的表面压力分布和速度分布，通过提取指定高度处节点应力，得到了指定高度处的压力系数。为该类建筑物在风荷载作用下的分析和设计提供具有实用价值的方法。
关键词: CFD; 避雷针塔; Midas NFX; 流固耦合
中图分类号: TU973.213
文献标志码: A
传统的结构分析软件是将风荷载等效为静态荷载加在结构上进行计算，然而对于高耸结构和柔性结构而言，在风荷载作用下风振响应对周围风场产生较大影响，从而改变原结构受力情况。对该类结构物在进行分析时，不能仅将风荷载作用当作一种荷载而忽略风( 流体) 与结构的耦合作用，这将导致分析结构失真造成重大工程事故。基于以上结论，因此有必要基于流固耦合( FSI) 理论对该类结构物进行合理分析。
本文基于计算流体力学( CFD) 分析方法，采用Midas NFX 有限元(CAE) 分析软件，对南昌市某钢结构避雷针塔进行数值建模和相应的风洞模拟，选取SST湍流模型方程，分析结构在风荷载作用下的流场分布情况及避雷针塔结构在风荷载作用下的动力响应特征，最后将位移计算结果与《高耸结构设计规范》进行对比，为相关实际工程提供合理参考。
1.1建立模型
该钢结构避雷针塔建于南昌市某建筑物顶部，该建筑物高度为89.2m，相关尺寸见表1和图1。
避雷针塔结构的主要材料为Q345B钢材，并在钢管底部89.2m 至96m 处灌注C25混凝土，避雷针塔与屋顶采用刚接连接，流体( 空气) 的主要参数: 质量密度1.08 kg /m³，粘性
。采用Midas NFX 软件创建几何模型，通过建立相应的计算域来模拟流场，计算域尺寸根据参考文献中定义: 对于单体建筑，计算域横向距离至少为目标建筑物高度的5 倍，计算域纵向距离推荐为目标建筑物高度的20倍，计算域高度为目标建筑高度的3 倍。建立的流场模型如图2 所示，其中目标建筑的高度为避雷针塔的高度。对避雷针塔架进行网格划分，共生成1844314 个单元( 395539 个节点) ，得到的网格如图3所示。
1.2边界荷载条件
入口边界: 风速剖面主要有指数律风剖面和剖对数风剖面，采用土木工程常用的指数律风剖面作为入流风速剖面。其变化的规律用函数描述如下:
根据建筑结构荷载规范，可具体表示为
VC为入口风速，z 为海拔高度，V10为10m 高处风速，密度取值1.25kg /m³，地面粗糙度为B 类，α 取值0.16( 如表2 所示) ，南昌基本风压(50a一遇) W0=0.45kN/㎡，对应的海拔高度为46.7m，可得V10=21m/s，可得到入口风速随高度函数变化关系式:
边界壁面: 为减小壁面对流动速度的影响，模拟大气边界层，采用自由滑移的壁面条件。建筑物表面和地面是实际存在的边界，并不会产生位移，因此壁面类型采用无滑动壁面。
2 计算模型选择与相关参数定义
2.1计算模型
Gk是由于平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项:
Gb是由于浮力引起的湍流动能k的产生项:
2.2参数定义
湍流强度I 随高度变化规律用式( 7) 描述,相关参数取值如表2所示。
湍流积分尺度L 结合国外规范，可表示为
相关参数可以通过软件定义函数的方式对相关参数进行设置。
3 实验结果分析
3.1 避雷针塔偏移情况
通过采用软件的流固耦合( FSI) 功能，通过数值风洞模拟可以得到在模拟风作用下结构的偏移量，只考虑避雷针塔结构在风荷载作用下的偏移量，因此将底部建筑物视为刚体，在软件中作为边界条件处理。考虑到实际风向的随机性，选择以逆时针每隔θ=30°作为一个风向角，共设置12 个风向角。结合主体结构的坐落方位，设置的风向角如图4所示。
总结在上述不同风向角情况下，避雷针塔在模拟风荷载作用下水平位移量，并得到了风向转动角度与最大位移量之间的关系( 图5) ，可知，当风向处于90°~150°与270°～330°之间时，结构的迎风面积较大，所受风荷载绝对值较大，结构抵抗风荷载的刚度较小，易产生较大偏移。当风向角为120°时偏移量最大为4.07cm，当风向角为210°时最小偏移量为1.42cm。根据规范，如表3所示，H为结构高度，Δu为水平位移量，以风为主的标准组合荷载桅杆结构水平位移量不得大于1 /75，可知位移量符合要求。最大位移量如图6所示。
3.2压力分布
当风向角为120°( 迎风面) ，结构位移值最大，给出了120°风向角时避雷针塔建筑表面瞬时压力分布如图7 所示。
由图7可知，避雷针塔风压力主要集中在正面，最大值为2.12×10³N/m2，最小值出现在背风面处，大小为-2.9×10³N/m2。避雷针塔底部靠近侧面墙体部分( 距塔底部高度10m 处) 所受风压较大，压力为正值，而在以上部位出现负压现象，因此，结构在此高度处所受弯矩较大，易产生较大挠度。
以H为避雷针塔高度,绘制了高度z=1/3H( 离地面高度99m) 与z = 2 /3H( 离地面高度109m) 位置上沿周长的压力分布图(图8) 和对应高度处的压力系数( 图9) ,并根据风压系数求解关系式(9) ,得到了对应高度处的风压系数CP，其中P0为参考高度的平均风压值。
3.3速度分布
结构剖面处的流速分布如图10所示。最大风速出现在避雷针塔底部，由于风荷载取值为50a一遇，而底部建筑在89.2 m 处对墙体进行了开洞处理，导致局部风速较大，特别在不规则表面，局部风速最大值超过了50 m/s，于结构安全不利。底部建筑的顶部造型构造较为尖锐，也容易产生较大风压，因此为减小风对结构产生不利影响，建议采用外包柱脚混凝土的方法对塔底的基础部位进行加固处理。
4 结论
基于midas NFX数值风洞模拟,采用SST( k-ε) 湍流模型,结合流固耦合功能,模拟得到了避雷针塔结构在风作用下的压力分布情况、杆件位移大小和相应高度的风压系数,总结如下:
(1) 分析采用了FSI 模拟功能，分析得到了避雷针塔的位移情况，通过模拟分析结构可知,在50a一遇的风荷载条件下，该高层屋顶处避雷针塔最大位移量满足规范设计要求。
(2) 根据模拟分析结果，通过避雷针塔周围各位置处的压力分布和速度分布情况可知，底部建筑物的造型对避雷针塔结构产生了一定影响，单纯地将风荷载等效为静力荷载附加到避雷针塔表面会导致计算偏差较大，致结构安全存在隐患，另外，由图7剖面分布图可知，风荷载最大值主要集中在避雷针塔底部，需对避雷针塔底部采取一定的保护措施。
(3) 为研究风荷载对避雷针塔结构产生的附加弯矩和荷载分段取值提供了相应的依据。考虑到该避雷针塔正处在施工阶段,可以为避雷针的组织施工提供一定的参考。
(4) 风洞数值模拟计算了在1/3H 和2/3H 处的风压系数，为Midas NFX 软件用于土木工程的数值风洞模拟提供了一定的参考价值。但是，分析只采用软件对避雷针塔仿真模拟，尚缺少模拟风洞实验和实际测量对比结果，因此对于风压系数计算结果的准确性还需更要进一步的研究。
参考文献:
作者：洪成等
来源：
