一种基于数值模拟与物理模型试验相结合的建筑群消能防冲
优化设计方法
技术领域
[0001] 本
发明属于
建筑物设计试验领域，涉及一种基于数值模拟与物理模型试验相结合 的建筑群消能防冲优化设计方法。
背景技术
[0002] 洪
水的致灾作用通过淹没或冲毁建筑物造成人员生命财产损失来体现。洪水的冲 击作用是洪灾中房屋倒塌的主要动
力因素。在冲击过程中，在波峰刚
接触到结构迎流 面时存在着历时很短但强度极大的冲击压力,这种极强的冲击荷载会引起建筑物的失 稳或造成局部的破坏。经验表明，建筑物安全不受损害将提升灾后重建工作的30％ 的效率，减少60％的人员财产损失。因此，针对洪水冲击作用的特点，开展洪水冲击 作用下的建筑物动态响应和破坏过程分析，揭示洪水冲击作用下的住宅建筑物冲击破 坏机理与特性，评估住宅建筑物遭受洪水冲击作用后的生命力，对提高洪水多发区住 宅建筑物的防洪安全性至关重要。
[0003] 当前，洪水冲击作用下建筑物的响应研究已日趋成熟。冲击荷载破坏建筑物正向 以撞击为主，沿流向呈现波浪式变化以及遮蔽效应等特点。肖诗
云、葛学礼等人开展 模型试验研究不同量级洪水作用在不同开洞率的房屋上，描绘了洪水冲击对建筑结构 的冲击压力特性，分析了冲击荷载、水流荷载和静水压力之间的关系，讨论了不同水 头、不同开洞率对模型所受的水流荷载、弯矩和合力的变化规律，同时利用数值模拟 再现结构破坏过程，从而为乡村建筑防洪减灾设计提供技术指导。孙等人搭建模型试 验研究小比例尺砖混住宅建筑在洪水冲击作用下的破坏形式，对提升建筑安全
稳定性 设计有指导作用。Hu等将冲击荷载瞬时效应纳入考虑范围，建立数值模型并进行物 理试验研究溃坝洪水与流场内结构的相互作用，表明高速水流猛烈撞击建筑表面时， 强大的冲击力导致建筑物局部极易破坏。然而，建筑群的不同排列方式对洪水的削减 作用的研究仍处于空白。山洪暴发时，建筑物的排列方式差异，能够使得前排建筑抵 御洪水冲击消耗
能量，为后面的建筑物提供保护屏障，从而最大化的保护建筑群的安 全。
[0004] 本发明采用数值模拟与物理模型试验相结合的方式，研究洪水冲击作用下单一建 筑物及建筑群的响应。通过洪水对
单体建筑物的冲击试验，研究洪水对建筑冲击力的 大小和分布规律以及冲击之后房屋表面所受水流压力的大小和分布规律。同时选取典 型观测点，测量洪水冲击过程中的水深、流速、压强等流场物理量的变化。建筑群的 冲击试验旨在于研究建筑物的不同排列方式对洪水的抵抗作用，最大化保护建筑物安 全。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种基于数值模拟与物理模型试验 相结合的建筑群消能防冲优化设计方法，能够识别建筑物薄弱
位置，从而采取针对性 措施优化建筑物设计；保证更多的建筑在洪水冲击作用下的安全性能。
[0006] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0008] S1、物理模型实验操作步骤；
[0009] S2、数值模拟步骤；
[0010] 所述S1步骤中的物理模型实验操作步骤包括：
[0011] S11、制作水槽与有机玻璃房屋试验模型：水槽尺寸取14m×1.5m×1.5m，坡度1％， 其中5m×1.5m×1.5m的水槽首段充当上游水库，与下游通过闸
门间隔，水槽剩余部分 模拟居民区，在距离闸门3m、5m、7m位置处分别安装房屋模型。根据模型相似理 论，取典型村镇建筑作为房屋
原型(4.5m×4.2m×3m)，按照模型几何比尺为1/6制作 有机玻璃房屋模型；
[0012] S12、仪器布设：冲击压力测量采用DS-30型
数据采集系统，压力
传感器的量程 为30kPa和10kPa两种，自振
频率为500Hz，
采样间隔为0.023s，共采用30个压力 传感器进行测量，其中30kPa传感器10个，10kPa传感器20个，布置在房屋模型 迎流面上以捕捉冲击压力时程变化；实验开始时，闸门由重力控制沿流向快速翻转开 启，使用高速数字摄像机从侧面拍摄撞击过程，该摄像机能够以1280×720的
分辨率 每秒获取100
帧图像。利用流速仪测量建筑物附近流场信息，并采用多次重复试验保 证冲击荷载的测量
精度；
[0013] S13、开展模型试验：闸门关闭，用水槽首段分别蓄存至0.6m、0.9m、1.2m水 深，待水位稳定后，立即开启闸门控制
开关，闸门底部在重力提升下快速翻转，水流 快速冲击房屋模型，同时各测量装置捕捉记录流场数据。尾水通过渠道重新流入蓄水 池；
[0014] 所述S2步骤中的数值模拟步骤包括：
[0015] S21、数值模拟采用三组试验方案
[0016] 方案一：建筑物横轴与来流方向垂直布置方案，在距闸门3m、5m、7m位置处 同时布置3个房屋模型，探讨水流直冲建筑物作用在其上的冲击力学特征及其对后续 建筑物的保护作用，分别设置3组对照试验，在距闸门3m、5m、7m位置处单独布 置房屋模型，验证无前排建筑物保护作用下单独承担相同量级的洪水冲击作用下建筑 物的
变形特征；
[0017] 方案二：建筑物横轴与来流方向平行的排列方式，同样设置3组对照试验，研究 不同
水头冲击下前排建筑物对后排建筑物的遮蔽作用；
[0018] 方案三：建筑群的排列方式对水流冲击力学性质的影响，采用两种典型排列方式， 从物理力学特征研究建筑物排列方式对水流的阻挡作用，从而为优化大坝下游建筑物 排列方式，提高其应对洪水冲击，最大化保障建筑物安全提供参考；
[0019] S22、洪水冲击数值模型构建
[0020] 雷诺平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε
湍流模型用于求解过坝水流运动及湍动 情况，其连续方程如下：
[0021]
[0022] 其中，ui代表平均速度，xi为是维度，t为时间，p为压力，ρ为
流体密度，gi 为重力
加速度分量，v为分子运动
粘度，vt为
涡流运动粘度；
[0023] 雷诺平均Navier-Stokes方程是流场平均变量的控制方程，假定流场变量由一个 时均量和一个脉动量组成，通过引入Boussinesq假设，即湍流雷诺
应力与应变成正比， 湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数(即湍流粘性系数)的计算。本 章采用湍流涡旋粘度通过如下形式的湍
动能k和湍流耗散率ε、计算：
[0024]
[0025] 其中，C为常数，流场时均化后引入雷诺应力导致方程无法闭合，即未知数个数 多于方程个数，由此各种湍流模型应运而生，RNG k-ε、model采用修正的湍流耗 散率表征湍动强度，k和ε、的输运方程如下：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 其中，Rε为湍流的剪切性能，G为湍流动能的速率，模型中的系数取值如下：
[0031] Cμ＝0.085，Cε1＝1.42，Cε2＝1.68，σk＝σε＝0.7194，β＝0.012，η＝4.38 ，这些系数是利用大量统计数据进行数据融合得到的，广泛适用于湍流特性；
[0032] VOF(Volume of Fluid)方法被用于求解自由表面运动，气、液自由表面的追踪通 过如下形式的连续方程进行求解：
[0033]
[0034] 任何有限控制体均填满气体或液体或两者的混合物，依赖于液体的体积分数 αw，给定控制体内的体积分数是定值；
[0035] 时间步长根据Courant–Friedrichs–Lewy(CFL)条件确定，三维模型中的CFL 条件具有如下形式：
[0036]
[0037] 其中，C是无量纲常数，其取值依赖于要求解的特定方程，采用显示时间推进格 式，C值设为1；
[0038] S23、结构变形求解
[0039] S231、固相控制方程
[0040] 固体部分的守恒可以根据
牛顿第二定律：
[0041] 平衡方程：
[0042]
[0043] 几何方程：
[0044]
[0045] 物理方程：σij＝λσijεkk+2μεil
[0046]
[0047] 式中，ki为动压力荷载分量，m/s2；εij为Cauchy应变常量，s-1；λ，μ分别为
碳钢弯管的Lame常数；E为保护膜
弹性模量，kg m-1 s-2，v为泊松比；
[0048] S232、流固耦合控制方程
[0049] 流固耦合交界面应满足流体与固体的位移、应力、
温度等，同样也遵循相应基本 守恒规律，在流固耦合交界面，应满足流体与固体应力、位移、温度、热流量等变量 的守恒，即满足如下4个控制方程：
[0050] τf·nf＝τs·ns
[0051] df＝ds
[0052] Tf＝Ts
[0053] qf＝qs
[0054] 其中下标f表示流体，下标s表示固体，τ表示固体应力，d表示位移，T表示温 度，q表示热流量
[0055] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中有机玻璃房屋模型为单开 间建筑，确保洪水冲击时程与冲击过程的动力条件能够准确捕捉。
[0056] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中水槽底坡为1％，模拟溃 坝洪水的冲击效应。
[0057] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中闸门开启速度通过
配重控 制，保证闸门能够瞬时开启，充分模拟溃坝洪水后大量洪水瞬时涌出冲击房屋的过程， 保证模型试验与实际情况的一致性。
[0058] 而且，所述S2数值模拟步骤所述步骤S21中的对照试验与物理模型试验设置相 同，用于验证数值模拟的精度。
[0059] 本发明的优点和有益效果为：
[0060] 1、本发明通过模拟不同情境下建筑物周围流场与建筑物迎流面上动力学特征， 识别建筑物薄弱位置，从而采取针对性措施优化建筑物设计；通过建筑群的排列方式， 计算洪水冲击作用下建筑物的受力特征，从而优化建筑群设计，保证更多的建筑在洪 水冲击作用下的安全性能。
附图说明
[0061] 图1为数值水槽模拟方案设置图；
[0062] 图2为建筑群排列方式模拟方案设置图；
[0063] 图3为房屋结构模型图；
[0065] 图5为距闸门3m房屋迎流面不同测点压强历时变化图(a：1.2m水头；b：0.9m 水头；c：0.6m水头)；
[0066] 图6为水流冲击作用下结构变形图。
具体实施方式
[0067] 下面通过具体
实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0068] 一种基于数值模拟与物理模型试验相结合的建筑群消能防冲优化设计方法，其特 征在于：所述设计方法的步骤为：
[0069] S1、物理模型实验操作步骤；
[0070] 所述S1步骤中的物理模型实验操作步骤包括：
[0071] S11、制作水槽与有机玻璃房屋试验模型：水槽尺寸取14m×1.5m×1.5m，坡度 1％，其中5m×1.5m×1.5m的水槽首段充当上游水库，与下游通过闸门间隔，水槽 剩余部分模拟居民区，在距离闸门3m、5m、7m位置处分别安装房屋模型。根据模 型相似理论，取典型村镇建筑作为房屋原型(4.5m×4.2m×3m)，按照模型几何比尺 为1/6制作有机玻璃房屋模型；单开间房屋尺寸0.74m×0.69m×0.52m，房屋模型见 图3，物理模型试验方案设置见图1对照试验，本发明只针
对流场中单一建筑物开展 模型试验。物理模型与原型主要比尺关系见表1。
[0072] 表1模型与原型主要比尺关系
[0073]
[0074] S12、仪器布设：冲击压力测量采用DS-30型数据采集系统，压力传感器的量程 为30kPa和10kPa两种，自振频率为500Hz，采样间隔为0.023s，共采用30个压力 传感器进行测量，其中30kPa传感器10个，10kPa传感器20个，布置在房屋模型 迎流面上以捕捉冲击压力时程变化；实验开始时，闸门由重力控制沿流向快速翻转开 启，使用高速数字摄像机从侧面拍摄撞击过程，该摄像机能够以1280×720的分辨率 每秒获取100帧图像。利用流速仪测量建筑物附近流场信息，并采用多次重复试验保 证冲击荷载的测量精度；
[0075] S13、开展模型试验：闸门关闭，用水槽首段分别蓄存至0.6m、0.9m、1.2m水 深，待水位稳定后，立即开启闸门控制开关，闸门底部在重力提升下快速翻转，水流 快速冲击房屋模型，同时各测量装置捕捉记录流场数据。尾水通过渠道重新流入蓄水 池；
[0076] 所述S2步骤中的数值模拟步骤包括：
[0077] S21、数值模拟采用三组试验方案
[0078] 方案一：建筑物横轴与来流方向垂直布置方案，在距闸门3m、5m、7m位置处 同时布置3个房屋模型，探讨水流直冲建筑物作用在其上的冲击力学特征及其对后续 建筑物的保护作用，分别设置3组对照试验，在距闸门3m、5m、7m位置处单独布 置房屋模型，验证无前排建筑物保护作用下单独承担相同量级的洪水冲击作用下建筑 物的变形特征；
[0079] 方案二：建筑物横轴与来流方向平行的排列方式，同样设置3组对照试验，研究 不同水头冲击下前排建筑物对后排建筑物的遮蔽作用；
[0080] 方案三：建筑群的排列方式对水流冲击力学性质的影响，采用两种典型排列方式， 从物理力学特征研究建筑物排列方式对水流的阻挡作用，从而为优化大坝下游建筑物 排列方式，提高其应对洪水冲击，最大化保障建筑物安全提供参考。
[0081] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中有机玻璃房屋模型为单开 间建筑，确保洪水冲击时程与冲击过程的动力条件能够准确捕捉。
[0082] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中水槽底坡为1％，模拟溃 坝洪水的冲击效应。
[0083] 而且，所述S1物理模型实验操作步骤所述步骤S11中闸门开启速度通过配重控 制，保证闸门能够瞬时开启，充分模拟溃坝洪水后大量洪水瞬时涌出冲击房屋的过程， 保证模型试验与实际情况的一致性。
[0084] 而且，所述S2数值模拟步骤所述步骤S21中的对照试验与物理模型试验设置相 同，用于验证数值模拟的精度。
[0085] S22、洪水冲击数值模型构建
[0086] 雷诺平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型用于求解过坝水流运动及湍动 情况，其连续方程如下：
[0087]
[0088] 其中，ui代表平均速度，xi为是维度，t为时间，p为压力，ρ为流体密度，gi 为
重力加速度分量，v为分子运动粘度，vt为涡流运动粘度。
[0089] 雷诺平均Navier-Stokes方程是流场平均变量的控制方程，假定流场变量由一个 时均量和一个脉动量组成，通过引入Boussinesq假设，即湍流雷诺应力与应变成正比， 湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数(即湍流粘性系数)的计算。本 章采用湍流涡旋粘度通过如下形式的湍动能k和湍流耗散率ε、计算：
[0090]
[0091] 其中，C为常数，流场时均化后引入雷诺应力导致方程无法闭合，即未知数个数 多于方程个数，由此各种湍流模型应运而生，RNG k-ε、model采用修正的湍流耗 散率表征湍动强度，k和ε、的输运方程如下：
[0092]
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 其中，Rε为湍流的剪切性能，G为湍流动能的速率，模型中的系数取值如下：
[0097] Cu＝0.085，Cε1＝1.42，Cε2＝1.68，σk＝σε＝0.7194，β＝0.012，η＝4.38 。这些系数是利用大量统计数据进行数据融合得到的，广泛适用于湍流特性。
[0098] VOF(Volume ofFluid)方法被用于求解自由表面运动。气、液自由表面的追踪通 过如下形式的连续方程进行求解：
[0099]
[0100] 任何有限控制体均填满气体或液体或两者的混合物，依赖于液体的体积分数 αw，给定控制体内的体积分数是定值。一旦液体体积分数确定，空气的体积分数就 能够确定，自由表面位于两者体积分数均为0.5位置处。
[0101] 基于求解上述控制方程，大坝泄洪和洪水演进数值模拟能够顺利进行，采用有限 体积法对控制方程进行数值离散。在每个控制体积内，按变量的体积平均进行计算， 逐一求解包括压力、体积分数、密度、粘度、湍动能和湍流耗散率被逐一求解，控制 体上的面流通量、面应力和体积力被求解守恒方程，控制体上的面流通量、面应力和 体积力也逐步被求解。时间步长根据Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件确定， 三维模型中的CFL条件具有如下形式：
[0102]
[0103] 其中，C是无量纲常数，其取值依赖于要求解的特定方程，采用显示时间推进格 式，C值设为1。
[0104] S23、结构变形求解
[0105] S231、固相控制方程
[0106] 固体部分的守恒可以根据牛顿第二定律：
[0107] 平衡方程：
[0108]
[0109] 几何方程：
[0110]
[0111] 物理方程：σij＝λσijεkk+2μεij
[0112]
[0113] 式中，ki为动压力荷载分量，m/s2；εij为Cauchy应变常量，s-1；λ，μ分别为
碳钢弯管的Lame常数；E为保护膜弹性模量，kg m-1 s-2，v为泊松比；
[0114] S232、流固耦合控制方程
[0115] 流固耦合交界面应满足流体与固体的位移、应力、温度等，同样也遵循相应基本 守恒规律，在流固耦合交界面，应满足流体与固体应力、位移、温度、热流量等变量 的守恒，即满足如下4个控制方程：
[0116] τf·nf＝τs·ns
[0117] df＝ds
[0118] Tf＝Ts
[0119] qf＝qs
[0120] 其中下标f表示流体，下标s表示固体，τ表示固体应力，d表示位移，T表示温 度，q表示热流量。
[0121] 图5展示距闸门3m位置处房屋在不同水头冲击下迎流面压强历时变化曲线。通 过将建筑物压强积分求得建筑物表面上的力进而求得建筑物变形。
[0122] 图6展示了建筑群在1.2m水头冲击作用下各建筑物变形特征。总体而言，距离 溃口越近建筑物承受的冲击力更大，而建筑物迎流面底部承受的冲击压力最大，顶部 承受冲击压力较小但更容易失稳变形。建筑群的变形特征充分印证了不同排列方式应 对洪水冲击的能力不同。前排建筑物能够削减大量能量，从而保护了后排建筑物。在 洪水易发区，通过修建导流墙，将洪水冲击效应削减以保护建筑群安全的设计方式值 得推荐。导流墙承担大量能量同时改变洪水方向，减轻洪水对居民区的影响。
[0123] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理 解：在不脱离本发明及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和
修改都是可 能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
