矩形高层钢结构风致疲劳分析中体型系数的讨论

作     者：方钊 Zhao Fang

作者机构：南京工程学院建筑工程学院南京211167 

基　　金：国家自然科学基金青年基金项目(52008202) 

出 版 物：《钢结构（中英文）》 (Steel Construction（Chinese & English）)

年 卷 期：2022年第37卷第11期

页      码：39-45页

摘      要：高层钢结构梁柱焊接节点在风作用下可能发生疲劳破坏。目前结构风致疲劳的分析方法是,采用体型系数整体上替代结构表面不同部位的风压系数,对风压系数分布进行平面上的平均处理,进而结合准定常假设计算风压并进行疲劳分析。然而高层结构表面风压分布较为复杂,关键节点应力的分布将有可能受到该平均化处理的影响,且GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中体型系数的规定值主要针对基于位移的风振计算,能否满足基于局部应力的风致疲劳计算,目前尚未有相关文献对该问题进行研究或验证,因此需验证采用体型系数计算结构风致疲劳的准确性。选取了位于风灾频发区域的某矩形截面高层钢框架支撑结构,首先考虑空间相关性,利用谐波叠加法模拟了该结构具有代表性的梁柱节点位置的脉动风速时程,通过逆傅立叶变换将模拟的风速时程转换为功率谱密度曲线,并与目标谱进行对比验证,随后通过计算流体动力学(CFD)软件FLUENT建立了结构1∶300缩尺比的数值风洞计算模型,利用雷诺平均模拟(RANS)计算了结构表面的风压系数分布,并与日本东京工艺大学风洞试验数据库中类似体型的结构模型风洞试验数据进行了对比和验证;最后,利用有限元软件ANSYS对该结构建立了多尺度有限元模型,并分别基于风压系数和体型系数,结合准定常假设计算风压时程,将风压时程转化为各梁柱节点的风荷载时程并最终施加在结构多尺度有限元模型上,采用等效结构应力法对结构梁柱焊接节点进行了疲劳评估,并将基于风压系数的分析结果与基于体型系数的分析结果进行了对比。结果表明:利用谐波叠加法模拟的脉动风速时程的功率谱与目标谱在大部分频段吻合较好;结构表面风压系数分布结果和东京工艺大学风洞试验结果较为接近且变化趋势相同,因此,该结构风压系数的数值风洞模拟结果较为合理;基于体型系数的风致疲劳计算结果与基于结构表面不同部位风压系数的风致疲劳计算结果较为接近,可满足工程需要,并且更加偏于安全;GB 50009—2012中关于体型系数规定值能够较好地适用于矩形平面高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳的计算。

主 题 词：梁柱焊接节点 风致疲劳 体型系数 计算流体动力学 多尺度 

学科分类：081405[081405] 08[工学] 0814[工学-地质类] 

D　O　I：10.13206/j.gjgS22051701

馆 藏 号：203118547...