風(fēng)荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)表面的壓力分布研究

周建芬,王玉強(qiáng)

(浙江水利水電專科學(xué)校,浙江 杭州 310018)

浙江省沿海地區(qū)遭受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)損失較嚴(yán)重,次數(shù)較多,個(gè)別地區(qū)遭受臺(tái)風(fēng)損失較為典型,特別是溫州、臺(tái)州、麗水等幾個(gè)地方.研究建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)場作用下的壓力分布對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用.臺(tái)風(fēng)的中心氣壓低、風(fēng)力強(qiáng)、降雨強(qiáng)度大、防御難.數(shù)值模擬高強(qiáng)度風(fēng)場對(duì)結(jié)構(gòu)的作用還有很大的難度,目前針對(duì)一般強(qiáng)度風(fēng)場對(duì)建筑結(jié)構(gòu)作用的研究開展的較多.利用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)模擬建筑表面的風(fēng)壓,避免了風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用高,周期長等不足之處.數(shù)值風(fēng)洞在增加費(fèi)用的情況下,可以根據(jù)研究的需要改變流場和結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù),對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行多方面的分析研究.

1 數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)

數(shù)值風(fēng)洞方法與直接的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比較,具有模擬真實(shí)風(fēng)環(huán)境的能力,可以構(gòu)造與建筑物實(shí)際尺寸相當(dāng)?shù)挠?jì)算模型,可以按實(shí)際的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真和模擬,避免了風(fēng)洞試驗(yàn)只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的不足.

我國規(guī)范上采用體型系數(shù)表示建筑面上的平均風(fēng)壓系數(shù),表達(dá)式如下：

式中：μsi—面上第i測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù);

Ai— 第i測點(diǎn)的面積;

A—面積之和.

本研究的建筑結(jié)構(gòu)為鈍體形狀,建筑物在地表邊界層內(nèi)的流場中存在,鈍體周圍的流場由撞擊、分離、再附、環(huán)繞和漩渦等確定.

計(jì)算不可壓縮流體湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)將湍流看作平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分,將湍流運(yùn)動(dòng)的任何參變量都分解為時(shí)間平均值和脈動(dòng)值,即

p′—脈動(dòng)壓力.

數(shù)值模擬繞鈍體速度和壓力場的分布時(shí)采用改進(jìn)的k-ε模型,即MMK模型,該模型方程如下[1]

式中：Pk—某點(diǎn)的壓強(qiáng);

vk—渦團(tuán)粘度;

S—平均切變率張量;

k—湍流動(dòng)能;

Cu—待定常數(shù);

ε—耗散率.

1.1 順風(fēng)向情況下柔性結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力風(fēng)荷載和位移方程

由風(fēng)速實(shí)錄可知,順風(fēng)向除了平均風(fēng)速還包括脈動(dòng)風(fēng)速分量.當(dāng)結(jié)構(gòu)物剛性很強(qiáng)時(shí),脈動(dòng)風(fēng)引起結(jié)構(gòu)物風(fēng)振慣性力不明顯,可略去,當(dāng)結(jié)構(gòu)物較柔時(shí),除靜力風(fēng)荷載外,還應(yīng)該考慮風(fēng)振慣性力,即風(fēng)振動(dòng)力荷載,則總風(fēng)荷載表達(dá)式為

式中：W(z,t)—具有某一保證率的總風(fēng)荷載;(z)—z高度處的平均風(fēng)荷載;wd(z,t)—具有某一保證率的風(fēng)振動(dòng)力風(fēng)荷載.

受風(fēng)敏感的柔性結(jié)構(gòu)屬豎向一維懸臂結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)沿豎向的質(zhì)量和剛度分布不均勻,現(xiàn)將其抽象為一維懸臂的無限自由度體系.其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中：yd(z,t)—第j振型的動(dòng)位移;

φj(z)—第j振型z高度處的坐標(biāo);

qj(t)—第j振型的廣義坐標(biāo).

則結(jié)構(gòu)z高度處最大峰值位移可表示為

g—峰因子,其表達(dá)式為[2]

g的常用范圍為3.0-4.0.

1.2 橫風(fēng)向情況下結(jié)構(gòu)風(fēng)振方程

當(dāng)風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)物上時(shí),就會(huì)在該結(jié)構(gòu)物兩側(cè)背后產(chǎn)生交替的漩渦,且將由一側(cè)向另一側(cè)交替脫落,形成卡門渦列.卡門渦列使建筑物表面的壓力呈周期性變化,且作用方向與風(fēng)向垂直.該作用引起結(jié)構(gòu)發(fā)生與風(fēng)向垂直的渦激振動(dòng).該振動(dòng)是伴隨著漩渦的出現(xiàn)而產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)增強(qiáng)后,又會(huì)有由振動(dòng)控制的渦流發(fā)生,表現(xiàn)出自激振動(dòng)的特性.當(dāng)風(fēng)速在某一特定風(fēng)速范圍內(nèi),該振動(dòng)才變得較為顯著.

對(duì)于豎向懸臂結(jié)構(gòu),在橫風(fēng)向渦激動(dòng)力荷載作用下,其運(yùn)動(dòng)方程為

式中：y″(z,t)—不同質(zhì)點(diǎn)處的水平加速度;

y′(z,t)—不同質(zhì)點(diǎn)處的水平的速度;

ρ—空氣的質(zhì)量密度;

ˉυ—來流的平均速度;

D(z)—物體在垂直于平均流速的平面上投影特征尺寸;

μL—升力系數(shù).

2 邊界條件

本文應(yīng)用Fluent軟件的用戶自定義函數(shù)(UDF)功能實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)風(fēng)特性一致的平均風(fēng)速與湍流特性等規(guī)律.

(1)平均風(fēng)剖面

對(duì)C類地貌,平均風(fēng)速按指數(shù)形式表示.為對(duì)于數(shù)值風(fēng)洞,k-ε模型計(jì)算的是湍動(dòng)能k和湍耗散率ε的輸運(yùn)方程.

(2)湍流特性

風(fēng)洞試驗(yàn)常給出湍流強(qiáng)度與湍流積分尺度,本文采用日本建議的Ⅲ類地貌湍流強(qiáng)度公式擬合,因此需要將上述湍流強(qiáng)度及積分尺度進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化.

實(shí)踐結(jié)果表明,由于上述關(guān)系基于湍流各向同性假設(shè),將使建筑迎風(fēng)面的湍動(dòng)能及風(fēng)壓系數(shù)等偏大.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

將風(fēng)洞試驗(yàn)測得的風(fēng)壓與改進(jìn)的k-ε模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較可以看出改進(jìn)的k-ε模型對(duì)風(fēng)壓力計(jì)算給出了較好的結(jié)果[3],見圖1、圖2.

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖2 改進(jìn)的模型

柱體建筑物正面受到風(fēng)壓作用,為正值,而背面、側(cè)面和頂面則受到吸力,為負(fù)值.數(shù)值分析結(jié)果如圖4,從圖中可以看出,對(duì)鈍體建筑物,正面中間偏上處正壓力最大,在兩邊及靠近下部處壓力則較小,氣流對(duì)該面有向下流動(dòng)的趨勢,而且繞兩側(cè)和頂面流動(dòng),大約在建筑物2/3高度處,氣流有一正面停滯點(diǎn),氣流從該停滯點(diǎn)向外輻射擴(kuò)散.在該點(diǎn)以上,流動(dòng)上升越過建筑物頂面,在該點(diǎn)以下,氣流向下并流向地面,在這一區(qū)域,其動(dòng)能比同一水平高度的來流大,因此它可以呈現(xiàn)反風(fēng)向流動(dòng),能量逐步損失直至在地面分離點(diǎn)處于靜止,在氣流向下滾動(dòng)時(shí),在建筑物迎風(fēng)面緊靠地面形成了水平滾動(dòng),成為駐渦區(qū).

建筑物側(cè)面的壓力分布規(guī)律為氣流在側(cè)面的角線處分離,在離頂部1/3高度范圍內(nèi)分流穩(wěn)定,而下部的風(fēng)速明顯比同一高度來流風(fēng)速大,由漩渦引起的豎向摻混使側(cè)面的流動(dòng)沿高度方向趨于均勻.

頂面的壓力來源于正面1/3以上氣流,這部分氣流流向頂面,頂面上部的風(fēng)有較低的分離流線,導(dǎo)致了較早的再附著.

4 不同的結(jié)構(gòu)體形在氣流場中的荷載分布規(guī)律

經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算分析,對(duì)于不同傾斜的屋面,平均風(fēng)流線分布,見圖3.

圖3 屋面傾角對(duì)風(fēng)流線分布的影響

屋面風(fēng)壓力有再附著現(xiàn)象,當(dāng)屋面傾角為30°左右時(shí),屋面部分受到向上升力部分受到向下壓力.當(dāng)屋面傾角大于45°時(shí),屋面氣流在附著現(xiàn)象不再出現(xiàn),屋面受到壓力作用.其它傾角的屋面存在再附著現(xiàn)象,屋面受到上升力作用.

[1] S.MURAKANI,A.MOCHIDA,K.K,et al.These Proceedings[M].Landon：J.Wind Eng.Ind.Aerodyn Press,1997.

[2] 埃米爾??？?羅伯特?H?斯坎倫.風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用——風(fēng)工程導(dǎo)論[M].劉尚培,項(xiàng)海帆,譯.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1992.

[3] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程：理論規(guī)范實(shí)踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.