基于CFD结果的广告牌结构计算与风损评估

2015-03-04 01:31戴卓见马石城印长俊
关键词:广告牌风压风向

戴卓见,马石城, 印长俊

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湘潭 411105)

参 考 文 献



基于CFD结果的广告牌结构计算与风损评估

戴卓见,马石城, 印长俊

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湘潭 411105)

为了探讨户外广告牌的结构安全评估方法,以高速公路两侧典型的非平行双面单立柱广告牌为例,利用CFD软件计算得到广告牌各部位在不同工况下的风压力,然后凭借有限元软件对公路广告牌进行结构分析,获得广告牌结构各构件的应力和位移,并对各工况条件下广告牌结构的损伤情况进行了评估.结果表明,风向角为30°时对公路广告牌结构的安全最为不利,同时发现,与面板相连的广告牌支架的应力和位移始终较大,在风荷载下容易屈服或因变形过大而导致面板脱落,在设计中应予以重视.该研究方法可用于高速公路广告牌结构的精细计算和损伤评估.

公路广告牌;CFD模拟;结构分析;风损评估;风荷载

0 引 言

随着我国经济建设的发展,广告业日益兴旺,大型户外广告牌如春笋般在城市繁华地带、交通主干道及高速公路沿线涌现.然而,户外广告牌作为一种风灾易损结构物,是抗风防御中的薄弱环节,其在强风作用下的损毁事故经常发生,轻则幕布或铁皮被撕裂,随风飞舞,重则整个广告牌骨架倒塌,对行人行车的安全构成了严重威胁[1].

针对户外广告牌结构,学者们主要从风荷载计算、广告牌结构分析和风灾损伤评估三个方面展开研究[2-6].如:金新阳等[3]采用计算流体力学(CFD)方法对双面和三面独立柱广告牌的风荷载进行了数值模拟,得到了风压系数和偏心距系数,为广告牌结构的设计提供了依据.刘明晖和王琳[5]利用有限元分析与模型试验相结合的方法,对户外广告牌在水平风荷载下的力学特性进行了分析,发现落地式三面广告牌结构受扭矩影响较大,广告牌振动形式与结构刚度和质量分布相关,主要以立柱扭转和面板水平振动加转动为主.艾晓秋等[6]以典型的平行双面广告牌为研究对象,提出了基于结构参数的风易损分析方法,通过建立模型来定量研究其风灾易损性,为城市防灾减灾提供支持.分析以上文献,发现尽管能用CFD方法计算得到较细致的广告牌表面风压力,但研究者在对广告牌进行结构分析时,多采用的是通过规范简化法计算得到的风荷载,而由此获得的计算结果显然不能精确地反映广告牌结构局部的受力和变形情况.因此,有必要将风荷载计算、结构分析和风损评估三方面进行连续性研究.

本文以高速公路非平行双面单立柱广告牌为例,利用CFD软件计算得到广告牌各部位在不同工况下的风压力,并对所得风荷载进行分析.然后利用有限元软件建立广告牌结构模型,将用CFD方法得到的风压力作为外荷载进行计算,得到广告牌结构各部位的应力和位移.最后基于结构应力的风易损分析方法对不同工况下广告牌结构各部位的损伤情况进行了评估.

1 户外广告牌风荷载特性研究

1.1 广告牌基本情况

所研究对象为高速公路两侧典型的非平行单立柱落地式钢结构广告牌,该户外广告牌单面面积为6 m×18 m,总高18 m,为钢管、H型钢、角钢和槽钢构成的组合桁架,立柱为直径1.35 m的钢管.广告牌结构用钢量约为26 T,其中立柱部分重约14 T,牌面桁架重约 12 T.广告牌面板表面包2 mm铝板,折弯焊接,表面烤漆.广告位面层为5 mm透明耐力板,内置3 mm乳白耐力板中间夹灯箱片,外框不锈钢扣边,可以更换画面,内置日光灯.基础形式为钢筋混凝土扩展基础.非平行双面广告牌结构的立面图和剖面图如图1所示.

图1 广告牌立面和剖面图

考虑不同风速和不同风向角对广告牌所受荷载特性的影响.风速采用15 m/s、20 m/s、25 m/s和30 m/s四种大小,分别对应于蒲福风力等级的7级劲风、8级大风、10级狂风和11级暴风,事实上11级风在陆地上是很少见的,其破坏程度仅次于台风.风向角考虑0°、30°、60°和90°四种情况,其示意图如图2所示.

图2 风向角示意图

1.2 广告牌CFD数值模拟

建立仅包含立柱、横梁和面板的简化实体模型,为了便于建模和网格划分,面板厚度取10 cm,其他尺寸均采用实际值.广告牌置于计算域长度方向的1/3位置处,计算域尺寸为200 m×100 m×100 m (长×宽×高),通过布尔运算得到广告牌的外部流场.计算域外轮廓网格大小为2 m,广告牌附近区域的网格进行加密处理,板面网格大小为0.25 m,横梁与立柱的交界细部网格尺寸为0.1 m,整个模型采用具有良好适应性的非结构四面体网格,网格划分完成后,最终体网格单元总数在36万左右.广告牌的计算模型及网格划分如图3所示.

图3 广告牌CFD模型及网格划分

流体分析时湍流模型采用RNGk-ε模型,该模型基于Boussinesq涡粘性假定,由湍动能k和耗散率ε构造湍动粘性来计算雷诺应力,修正了标准k-ε模型在流场滞点附近产生过高湍动能的缺陷.由于所研究的风速较低,可认为空气是不可压缩流体,故计算域入口面采用速度进口边界条件,给定来流的平均速度与湍流参数.来流平均风速采用满足指数关系的风剖面表达式[7]:

v(z)=v10(z/10)α

(1)

式中,v10为参考高度10 m处的风速,m/s;z为高度,m;α为地面粗糙度指数.

假设广告牌所在场地为B类,即位于田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区,根据建筑结构荷载规范[8],B类地面粗糙度指数取0.16,风速沿高度的变化通过UDF编程实现.流域出口面采用完全发展出流边界条件;流域顶部和两侧采用自由滑移的壁面;结构表面和地面采用无滑移的壁面条件.求解时选择适用于低速不可压缩流动的压力基求解器,采用二阶迎风格式,以提高计算精度;迭代计算的收敛标准设定无量纲均方根残差降至10[-4]以下[9].

1.3 广告牌风荷载特性

1.3.1 不同工况下风荷载分布

图4为双面广告牌在各种不同风速和风向角工况下的整体风压分布图.从图4可以看出,在风向角均为0°的条件下,除了广告牌迎风向面板的外侧面受到风压力外,其他各面的风荷载都表现为吸力,且风荷载大小均随着风速的增加而非线性增大;迎风向面板两侧面及背风向面板内侧面的风荷载分布比较均匀,只在面板边缘附近存在一定的变化外,而背风向面板外侧面的风吸力表现为四周小,中心大的不均匀分布.

图4 不同工况下广告牌风压等值线图

在风速均为20 m/s的条件下,风向角从0°增加的30°,迎风向面板外侧面的风压力迅速减小,迎风向面板内侧面及背风向面板两侧面的风吸力均有所增大;风向角从30°增加到90°的过程中,迎风向面板外侧面风压力略有增大,而其他各面的风吸力均显著减小至0并于风向角为60°前后转为风压力,并随风向角的增加而进一步增大.在风向角从0°变化到90°的整个过程中,迎风向面板所受风荷载合力和背风向面板所受风荷载合力的方向始终相异,且荷载大小均显著减小.

立柱被面板遮蔽的部分受到的风荷载较小,立柱位于面板以下的部分受到的风荷载较大,除了迎风面小范围内受到正压力外,绝大多数部位均承受吸力;立柱所受到的风荷载随风速的增加而显著增大,但其所受风荷载占广告牌全部风荷载的比例受风速影响较小;立柱上风荷载的大小受风向角的影响较小,但其所受风荷载占广告牌全部风荷载的比例受风向角的影响较大(从7.1%到86.6%变化).横梁由于被两面板所遮挡,所受到的风荷载非常小,在各种工况下均不足总风荷载的1%.

获得各工况下广告牌的风压等值线图后,即可提取广告牌各部位表面的风压值,以用于结构计算.图5给出了提取得到的20 m/s风速和0°风向角时广告牌迎风向面板外侧面的风压力三维曲面图.

图5 广告牌面风压值的提取

1.3.2 风压系数和偏心距系数

广告牌表面的风荷载压力系数定义为广告牌表面平均风压与广告牌中心高度来流动压的比值.风压系数可以用来反映因风场绕流在广告牌表面所产生的实际风荷载的情况,压力系数的正、负分别表示垂直于广告牌表面的风荷载为压力或吸力.压力系数Cp可按下式计算[2]:

(2)

式中,p为数值计算所得广告牌面的平均风压力,Pa;ρ为空气密度,kg/m3;vh为板面中心高度处的来流风速,m/s.

广告牌表面的风荷载偏心距系数定义为风荷载对广告牌中心轴产生的扭矩与风荷载合力和板宽乘积的比值.偏心距系数可以用来反映因空气绕流引起的广告牌实际所受的扭矩大小,偏心距系数的正负代表右手螺旋法则的正反方向.偏心距系数Ce的计算式如下[2]:

(3)

式中,Mz为风荷载对广告牌中心轴的扭矩,N·m;A为广告牌面板的面积,m2;L为广告牌面板的宽度,m.

在平坦场地,风速为20 m/s时,双面板广告牌各面板表面的风压力系数和偏心距系数受风向角的影响较大(见表1).广告牌面板的最大风荷载合力出现在0°风向角的情况下,同时,当风向角在0°~30°范围变化时其合力减小较少,但随着风向角的继续增大,风荷载合力显著减小.广告牌扭矩随风向角的增加逐渐增大,在60°风向角时达到最大,然后风向角继续增加扭矩反而减小,当风向角为90°时,扭矩减小至0.

表1 广告牌风压系数和偏心系数

2 户外广告牌结构计算与损伤评估

2.1 广告牌有限元模型

利用有限元软件对广告牌结构进行整体计算和分析.立柱、横梁、支架等构成主体骨架的全部构件均用壳单元模拟,并采用实际尺寸;构成面板结构的龙骨、铝板和面板等效为10 mm厚薄板,并用壳单元模拟;其他附属设施如检修道、灯具等不予考虑,广告牌的有限元模型如图6所示.

图6 广告牌有限元模型

广告牌主体骨架通过布尔运算融合成整体,即不论焊接或螺栓连接均按全焊处理;而面板与广告牌支架之间采用全约束连接.计算荷载仅考虑广告牌自重与风荷载,自重通过定义密度和重力加速由软件自动计算和施加;忽略横梁和其他构件上的风荷载,只考虑广告牌面板四个面和立柱上的风荷载,风荷载大小采用前节用CFD软件计算的到的风压力(吸力).在立柱底面施加约束全部自由度的位移边界.除10 mm厚面板采用耐力板外,广告牌其他构件均采用Q235钢材,所有材料均采用理想弹性模型,材料的物理力学特性如表2所示.

表2 材料物理力学性质

2.2 结构计算结果及损伤评估

2.2.1 广告牌应力和位移结果分析

表3给出了不同工况下双面广告牌的最大应力和最大位移结果.从表3可以看出,广告牌各部位的等效应力和位移均随风速的增大而呈非线性增加;当风速小于等于15 m/s时等效应力最大部位位于钢管横梁,而当风速继续增大后用于支撑面板的槽钢支架逐渐出现应力集中,其应力显著大于其他部位;广告牌骨架的最大位移始终位于槽钢支架端部.随着风向角的增大,广告牌骨架各部位的应力和位移除了个别情况外都表现为先增大后减小的变化趋势,可知30°风向角对广告牌结构最为不利;随着风向角的增大,钢管横梁所受应力比重增大,但位移最大部位仍位于槽钢支架.

表3 不同工况下广告牌的最大应力和最大位移

2.2.2 广告牌结构损伤评估

在广告牌结构计算的基础上,结合基于结构参数的风损评估方法,可对广告牌结构进行风致损失分析.根据材料力学知识,广告牌各构件保持安全使用的强度条件为[6]:

σ≤[σ]

(4)

式中,σ为各构件的实际应力,MPa;[σ]为材料的许用应力,MPa.

当[σ]采用不同的强度限值时,可以将结构分为4个破坏等级:第一级,结构基本完好,σ≤σe;第二级,结构轻微破坏,σe<σ≤σs;第三级,结构严重破坏,σs<σ≤σb;第四级,结构完全破坏,σ>σb(σe、σs、σb分别为钢材的弹性极限、屈服强度和极限强度).

户外广告牌的主体结构均为Q235钢材,其弹性极限、屈服强度和极限强度见表2.根据结构计算得到的广告牌应力及材料强度,根据式(4)即可对广告牌在不同工况下的风致损伤进行评估,见表4.

表4 广告牌结构风损评价

3 结 论

本文基于CFD结果对公路广告牌结构进行了有限元分析和损伤评估,得到以下结论:

(1) 随着风速的增加广告牌各部位受到的风荷载显著增大;随着风向角的增大,迎风向面板外侧面的风压力先迅速减小后略微增大,而其他各面的风吸力表现出先增大后减小至0并转为风压力的变化.立柱所受风荷载不容忽视,但其大小受风向角的影响较小,而横梁所受风荷载可以忽略.

(2)当风速小于等于15 m/s时,广告牌结构等效应力的最大值位于横梁,而随着风速继续增大与面板相连的支架逐渐出现应力集中,且数值显著大于其他部位;随着风向角的增大,广告牌骨架各部位的应力和位移大多表现为先增大后减小的变化,可知30°风向角对广告牌结构最为不利.

(3) 根据风损评估方法,双面广告牌在文中8种工况下,除了当风速达到30 m/s时,局部构件的应力超过材料弹性极限而可能出现轻微破损外,在其他工况下均评定为基本完整.本文研究方法可用于户外广告牌结构的精细计算和损伤评估,对广告牌的设计有着较好的参考价值.

参 考 文 献

[1] 安水晶. 单立柱广告牌结构风灾易损性研究[D]. 哈尔滨工业大学硕士论文, 2009.

[2] 秦 云, 张耀春, 王春刚. 两平行面板组成的独柱支承广告牌的风荷载研究[J]. 建筑结构, 2004, 34(12): 67-70.

[3] 金新阳, 金 海, 扬 伟, 申 林. 户外独立柱广告牌风荷载的数值模拟研究[J]. 工业建筑, 2007, 37(增): 383-386.

[4] 冯振宇,赵振宇,贺宏斌. 风荷载作用下高速公路广告牌的力学分析[J]. 建筑科学与工程学报, 2009, 26(4): 100-107.

[5] 刘明晖, 王 琳. 大型户外广告牌抗风性能的力学分析和模型试验[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(4): 49-53.

[6] 艾晓秋, 秦 彤. 城市区域风易损结构风载损失分析研究[J]. 灾害学, 2010, 25(增): 216-219.

[7] 贺 晗, 王国砚, 余邵锋. 风洞试验数值模拟中的若干问题研究[J]. 结构工程师, 2010, 26(5): 98-103.

[8] 中华人民共和国建设部. GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[9] 郑德乾, 李 天, 顾 明. 四面坡顶轻钢空旷结构表面风压数值模拟[J]. 结构工程师, 2007, 23(3): 31-36.

Structural Calculation and Wind Damage Assessment of Highway Billboard Based on CFD Results

DAI Zhuo-jian, MA Shi-cheng, YIN Chang-jun

( College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China )

To investigate the structural safety assessment method of outdoor billboards, the wind pressures on the single column billboard with two non-parallel panels are calculated by using CFD software under different working conditions. Then by means of finite element software, the stresses and displacements are obtained, and wind damage assessments of the billboard are made. The results show that the safety of the billboard is at risk when the wind blows from the 30° angle. It is also found that the stress and displacement of the billboard bracket that is connected with the panels is always great, which makes the structure easier yield or lead to the falloff of billboard panel due to excessive deformation under wind loads, and this should be paid careful attention when designing. The research methods in this paper can be used for elaborate calculation and wind damage assessment of highway billboard structure.

highway billboard; CFD simulation; structural analysis; wind damage assessment; wind load

2015-03-06

戴卓见(1990-),男,硕士研究生,研究方向:结构工程.

马石城(1963-),男, 博士,教授,研究方向:结构工程.

TU973

A

1671-119X(2015)03-0070-05

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