高楼为什么会晃动？流固耦合分析给你答案！

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

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

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

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？）。

┃ 虎门大桥涡激共振仿真

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。

┃ ABAQUS+XFLOW联合仿真

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。

┃ 膜结构流固耦合与试验吻合良好

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。

┃ 考虑流固耦合的风振分析

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。

建筑结构的涡激共振不仅影响到结构的安全性，还会导致建筑舒适性降低，甚至造成公众心理恐慌。流固耦合是分析结构风振的重要手段，能够为结构的设计和优化提供参考。

未来，工程数字技术中心将继续深耕城市气候灾害下的建筑抗风性能分析，为建筑局地微气候和结构设计与优化提供数字化和智能化解决方案。

FLUENT桥梁风载荷模拟

FLUENT/Mechanical流固双向耦合模拟