深圳赛格大厦晃动“解密”之流固耦合分析-品玩

*转载文章不代表本站观点。

本文来自微信公众号“中南建筑设计院工程数字技术中心”，作者：E.D.T.C

无论是近期国内龙卷风灾害引起的建筑破坏，还是深圳市赛格大厦发生的涡激共振，城市建筑与风的相互作用愈加引起社会民众的广泛关注。全球气候变化背景下，强对流、龙卷风、暴雨和台风等各种天气事件对城市重要建筑的影响愈加明显，其中轻柔、高耸以及造型复杂的超高层建筑和大跨空间结构的抗风问题日益突出。

大跨空间结构和高层建筑在各种风气象作用下会发生不同程度的流固耦合现象。所谓流固耦合现象，即风速流场产生的结构表面风力会使结构产生振动，同时结构振动又会影响流场变化，从而改变作用在结构表面的风力。当流固耦合作用持续增强时，结构振动现象将明显增大至失稳，影响结构舒适性和安全性。

风与结构的流固耦合作用

城市建筑所处的大气底层通常是湍流充分发展的地带，地表摩擦使得湍流扩展到整个大气边界层高度（规范规定300~550米）。

结构风工程领域通常将实测风速分为长周期的平均风和短周期的脉动风，其中平均风引起结构静力响应，脉动风通常与结构自振周期接近，发生不同程度的流固耦合振动现象。对于一般高层建筑，通常发生顺风向抖振和横风向涡激振动。由经典的圆柱绕流问题可以发现，建筑截面在风作用下将在横风向产生交替的旋涡，形成两侧交替脱落的现象。

这种卡门涡街现象使得结构表面横向风压出现周期性变化，当变化频率与结构自振频率接近时，将会发生涡激共振现象，使得结构发生明显的振动现象甚至失稳。

旋涡脱落频率

在实际工程结构设计中，不同建筑截面的旋涡脱落频率与斯托罗哈数有关：

公式中ns为完成脱落一个旋涡脱落的频率，D为垂直于来流风向上的平面投影尺寸，U为来流平均风速。根据结构风工程研究成果，斯托罗哈数只和截面形状和雷诺数相关。从上式可知，涡激共振只有当处于接近共振风速范围时才会发生。在实际结构设计中，一定要避免受力结构自振频率接近涡脱频率！

建筑结构流固耦合仿真分析

国内外研究学者针对风场特性、结构动力特性以及结构风振位移开展了大量研究工作。其中，基于气动弹性风洞试验研究在实际建筑流固耦合分析中应用最为成熟，但存在缩尺比带来的雷诺数问题、气动弹性模型制作复杂和试验难度大等不足之处。

随着近年来计算机效率迅速提升和计算流体力学(CFD)算法日益成熟，基于CFD和有限元动力计算方法(FEM)联合求解的流固耦合仿真技术可以作为风洞试验的补充，为复杂建筑定性和定量风振分析提供设计参考。

基于CFD和FEM的结构风振分析流程

一般基于CFD和FEM的结构风振分析流程为，先利用CFD的大涡模拟瞬态仿真技术求解出建筑表面的脉动风压时程，然后将风压时程数据导入有限元模型中开展动力分析计算。

与该流程方法不同，基于CFD和FEM的建筑流固耦合仿真技术，具有两个主要特征：1）CFD流体计算域和FEM有限元模型不能独立求解；2）在CFD-FEM联合求解过程中可以考虑计算风压和结构变形的互相影响。

ABAQUS+XFlow联合仿真

实施流固耦合仿真模拟，不仅需要考虑流体和固体各自的力学特征，还需要将两者之间的相互作用。工程数字技术中心与达索系统开展了数字化技术和仿真分析方面的合作，率先将ABAQUS+XFLOW的解决方案应用于建筑工程领域，开展了考虑流固耦合的结构风振分析。

ABAQUS软件在结构工程领域已经有了广泛的应用（相关阅读☞建筑结构非线性分析实践），XFLOW是基于格子布尔兹曼方法的新一代的无网格流体仿真分析软件。此前虎门大桥的涡激共振事件就采用了这套分析方案（相关阅读☞谁晃动了虎门大桥？）。

对于流固耦合的应用，XFlow和Abaqus的结合优势主要在：1.准确性，XFlow是具有高保真度的CFD分析软件，可以使用真实的几何模型，无需或者只需很少的简化或者修改，Abaqus的精度也是在各个行业都被认可的。2. 紧密性，Abaqus/XFlow协同仿真提供了无缝环境，可以执行单向或双向模拟，甚至可以做紧密耦合的刚性FSI问题。3.易用性，XFlow 求解器受益于无网格方法。它能够处理大型变形FSI问题，为我们提供独特且易于使用的工作流程。

高层和大跨度结构流固耦合仿真分析

工程数字技术中心采用ABAQUS+XLFOW的解决方案，开展了考虑双向流固耦合的复杂建筑结构风致振动分析实践研究，为实际高层建筑和大跨体育馆薄膜等风致敏感结构抗风设计提供了具有工程实用价值的技术参考。

针对近期深圳赛格大厦晃动事件，工程数字技术中心团队尝试用仿真分析方法，采用考虑流固耦合的风振技术，从涡激共振的角度来解释这一晃动现象。以第一阶周期为基准，建立均质弹性体的大厦简化模型，得到结构的风振加速度约为0.045m/s2。这里由于采用了高度简化的结构分析模型，因此只能定性解释结构的振动现象。若需要得到更为准确的风振分析结果，还需要建立更为精细的有限元分析模型。

薄膜结构是近年来应用十分广泛的一种新型大跨度柔性屋盖结构，其基本力学特点是“轻”和“柔”，因而对脉动风荷载的作用十分敏感，风荷载是结构设计中的主要控制荷载。采用XFlow和ABAQUS联合仿真技术可以模拟出强风条件下膜结构明显的流固耦合效应，通过膜结构局部和整体振动三维时程分析可以得出膜结构风致破坏情况，为膜结构以及下部主体结构设计提供抗风设计补充参考。