[发明专利]台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法

说明书

本发明公开了一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，该方法包括：1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；4)实现中小尺度流场信息耦合；5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。本发明方法实现从工程场地气象大尺度、城市风环境中尺度到建筑结构小尺度的风效应数据信息耦合传递，有利于提高建筑结构抗台风灾害水平。

技术领域

本发明涉及土木工程结构抗风技术，尤其涉及一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。

背景技术

现代城市建筑越来越向着更高、更轻以及跨度更大的方向发展,给结构设计人员造成了更加艰巨的挑战。对于大跨薄膜和高耸悬臂等结构，由于刚度较小，其在强风作用下常发生较大位移，而发生位移后的结构空间状态又会影响周围流场和气压分布。在极端强风条件如台风持续作用下，这些柔性结构与大气流场的耦合现象非常明显，较大的结构位移反应会影响结构承载力并发生破坏。因此，有必要在这类结构的抗台风设计中考虑流固耦合效应。

目前工程实践主要依靠现场实测、风洞试验以及CFD仿真技术开展结构流固耦合问题研究，其中利用CFD技术进行瞬态流体-结构耦合分析已经受到工程实践和学术研究的广泛关注。国内外已有许多学者开始利用CFD瞬态分析技术开展建筑结构流固耦合效应分析，但目前该类仿真技术在结构抗台风设计方面极为缺乏，主要有以下几点不足：(1)现有计算方法一般分别采用基于有限体积法的流体求解器和有限元固体求解器分别求解结构风压和位移，计算过程较为复杂，需要花费大量时间在CFD网格划分和耦合步骤上，严重影响工程实践应用效率；(2)以往的流固耦合仿真技术仅考虑结构位和理想大气流场的相互影响，未考虑真实台风气象条件与结构流场的耦合作用；(3)过境台风变化复杂，直接影响工程场地风场特性，同时场地周边建筑也会影响目标建筑附近流场，现有计算方法未能充分考虑实际台风作用和场地干扰建筑对目标建筑风压分布的共同影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种台风作用下考虑流固耦合效应的建筑结构抗风分析方法，包括以下步骤：

1)建立结构有限元分析模型，进行结构自振特性分析；

2)利用中尺度气象数值模式WRF建立区域多尺度网格嵌套模型，进行三维台风风场模拟计算分析；

3)在XFlow无网格流体分析软件中确定计算域尺寸，导入目标建筑模型文件和城市干扰建筑模型文件，建立城市三维流体分析模型；

4)利用WRF风场信息指定XFlow计算域边界和初始条件，实现中小尺度流场信息耦合；

5)针对目标建筑有限元模型，定义流固耦合接触面信息，在XFlow软件中设置流固耦合参数，开展基于分区双向流固耦合分析。

按上述方案，步骤2)具体包括以下子步骤：

2.1)根据历史台风发生的气象数据和GIS地形地貌数据，设置四层嵌套网格计算域，启动单向网格嵌套模拟，其中目标建筑区域位于最内层网格计算域中心；

2.2)设置多种描述大气物理变化过程的参数，进行台风路径强度模拟；

2.3)针对包含目标建筑位置的场地，基于WRF最内层网格计算域进行近地面台风风场模拟。

2.4)基于NCL程序脚本批量处理台风风场数据，处理最内层网格嵌套域的三维风速和湍流场信息。