流固耦合分析

無論是近期國內龍捲風災害引起的建築破壞，還是深圳市賽格大廈發生的渦激共振，城市建築與風的相互作用愈加引起社會民眾的廣泛關注。全球氣候變化背景下，強對流、龍捲風、暴雨和颱風等各種天氣事件對城市重要建築的影響愈加明顯，其中輕柔、高聳以及造型複雜的超高層建築和大跨空間結構的抗風問題日益突出。

大跨空間結構和高層建築在各種風氣象作用下會發生不同程度的流固耦合現象。所謂

流固耦合現象

，即風速流場產生的結構表面風力會使結構產生振動，同時結構振動又會影響流場變化，從而改變作用在結構表面的風力。當流固耦合作用持續增強時，結構振動現象將明顯增大至失穩，影響結構

舒適性

和

安全性

。

┃膜結構和高層住宅風振

風與結構的流固耦合作用

城市建築所處的大氣底層通常是湍流充分發展的地帶，地表摩擦使得湍流擴充套件到整個大氣邊界層高度（規範規定300~550米）。

┃城市風環境分析

結構風工程領域通常將實測風速分為長週期的平均風和短週期的脈動風，其中平均風引起結構靜力響應，

脈動風

通常與結構自振週期接近，發生不同程度的流固耦合振動現象。對於一般高層建築，通常發生順風向抖振和橫風向

渦激振動

。由經典的圓柱繞流問題可以發現，建築截面在風作用下將在橫風向產生交替的旋渦，形成兩側交替脫落的現象。

┃卡門渦街

這種

卡門渦街

現象使得結構表面橫向風壓出現週期性變化，當變化頻率與結構自振頻率接近時，將會發生

渦激共振

現象，使得結構發生明顯的振動現象甚至失穩。

┃超高層渦激共振

旋渦脫落頻率

在實際工程結構設計中，不同建築截面的旋渦脫落頻率與斯托羅哈數有關：

公式中ns為完成脫落一個旋渦脫落的頻率，D為垂直於來流風向上的平面投影尺寸，U為來流平均風速。根據結構風工程研究成果，斯托羅哈數只和

截面形狀和雷諾數

相關。從上式可知，渦激共振只有當處於接近共振風速範圍時才會發生。在實際結構設計中，一定要

避免受力結構自振頻率接近渦脫頻率

！

建築結構流固耦合模擬分析

國內外研究學者針對風場特性、結構動力特性以及結構風振位移開展了大量研究工作。其中，基於

氣動彈性

風洞試驗研究在實際建築流固耦合分析中應用最為成熟，但存在縮尺比帶來的

雷諾數問題

、氣動彈性

模型製作複雜

和

試驗難度大

等不足之處。

┃建築風洞試驗

隨著近年來計算機效率迅速提升和計算流體力學（CFD）演算法日益成熟，

基於CFD和有限元動力計算方法(FEM)聯合求解的流固耦合模擬技術

可以作為風洞試驗的補充，為複雜建築定性和定量風振分析提供設計參考。

┃ 超高層建築風效應分析

基於CFD和FEM的結構風振分析流程

一般基於CFD和FEM的結構風振分析流程為，先利用CFD的大渦模擬瞬態模擬技術求解出建築表面的脈動風壓時程，然後將風壓時程資料匯入有限元模型中開展動力分析計算。

┃基於CFD-FEM的非耦合求解方法

與該流程方法不同，基於CFD和FEM的建築流固耦合模擬技術，具有兩個主要特徵：1）CFD流體計算域和FEM有限元模型不能獨立求解；2）在CFD-FEM聯合求解過程中可以考慮計算風壓和結構變形的互相影響。

┃ 基於CFD-FEM的流固耦合模擬

ABAQUS+XFlow聯合模擬

實施流固耦合模擬模擬，不僅需要考慮流體和固體各自的力學特徵，還需要將兩者之間的

相互作用

。

工程數字技術中心

與

達索系統

開展了數字化技術和模擬分析方面的合作，率先將ABAQUS+XFLOW的解決方案應用於建築工程領域，開展了考慮流固耦合的

結構風振分析

。

ABAQUS軟體在結構工程領域已經有了廣泛的應用（相關閱讀☞建築結構非線性分析實踐），XFLOW是基於格子布爾茲曼方法的新一代的無網格流體模擬分析軟體。此前

虎門大橋的渦激共振事件

就採用了這套分析方案（相關閱讀☞誰晃動了虎門大橋？）。

┃ 虎門大橋渦激共振模擬

對於流固耦合的應用，XFlow和Abaqus的結合優勢主要在：

1.準確性，

XFlow是具有高保真度的CFD分析軟體，可以使用真實的幾何模型，無需或者只需很少的簡化或者修改，Abaqus的精度也是在各個行業都被認可的。

2. 緊密性，

Abaqus/XFlow協同模擬提供了無縫環境，可以執行單向或雙向模擬，甚至可以做緊密耦合的剛性FSI問題。

3.易用性，

XFlow 求解器受益於無網格方法。它能夠處理大型變形FSI問題，為我們提供獨特且易於使用的工作流程。

┃ ABAQUS+XFLOW聯合模擬

高層和大跨度結構流固耦合模擬分析

工程數字技術中心採用ABAQUS+XLFOW的解決方案，開展了

考慮雙向流固耦合的複雜建築結構風致振動分析實踐研究

，為實際

高層建築

和大跨

體育館薄膜

等風致敏感結構抗風設計提供了具有工程實用價值的技術參考。

┃ 膜結構流固耦合與試驗吻合良好

針對近期

深圳賽格大廈

晃動事件，工程數字技術中心團隊嘗試用模擬分析方法，採用考慮流固耦合的風振技術，從渦激共振的角度來解釋這一晃動現象。以第一階週期為基準，建立均質彈性體的大廈簡化模型，得到結構的風振加速度約為0。045m/s2。這裡由於採用了高度簡化的結構分析模型，因此只能定性解釋結構的振動現象。若需要得到更為準確的風振分析結果，還需要建立更為精細的有限元分析模型。

┃ 考慮流固耦合的風振分析

薄膜結構

是近年來應用十分廣泛的一種新型大跨度柔性屋蓋結構，其基本力學特點是“輕”和“柔”，因而對脈動風荷載的作用十分敏感，風荷載是結構設計中的主要控制荷載。採用XFlow和ABAQUS聯合模擬技術可以模擬出強風條件下膜結構明顯的流固耦合效應，透過膜結構區域性和整體振動三維時程分析可以得出膜結構風致破壞情況，為膜結構以及下部主體結構設計提供抗風設計補充參考。

總  結

建築結構的渦激共振不僅影響到結構的安全性，還會導致建築舒適性降低，甚至造成公眾心理恐慌。流固耦合是分析結構風振的重要手段，能夠為結構的設計和最佳化提供參考。

未來，工程數字技術中心將繼續深耕城市氣候災害下的建築抗風效能分析，為建築局地微氣候和結構設計與最佳化提供數字化和智慧化解決方案。