深圳赛格大厦晃动“解密”之流固耦合分析

作为建筑行业的翘楚，武汉中南建筑设计院于2019年开始与达索系统进行合作，双方基于BIM协同平台，在智慧城市建设、仿真分析等多项领域展开合作，迄今为止，已经携手打造多项建筑黑科技，为建筑行业增添全新动力。

流固耦合分析

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。

┃膜结构和高层住宅风振

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）。

┃城市风环境分析

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。

┃卡门涡街

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。

┃超高层涡激共振

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。

┃建筑风洞试验

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。

┃ 超高层建筑风效应分析

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。

┃基于CFD-FEM的非耦合求解方法

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。

┃ 基于CFD-FEM的流固耦合仿真

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。