強風作用下低矮民居受力分析

劉海亮 鄭曉洋 宮樂敏

(濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261011)

強風作用下低矮民居受力分析

劉海亮 鄭曉洋 宮樂敏

(濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261011)

受臺風影響的中國東南沿海地區(qū)，低矮房屋的損壞最為普遍也最為嚴重?；诖耍疚膶Φ桶窬拥谋砻骘L壓進行了模擬并對其抗風性能進行了研究，并指出了后續(xù)的低矮民居結(jié)構(gòu)抗風研究側(cè)重點。

強風，低矮民居，表面風壓，F(xiàn)LUENT，ANSYS

1 概述

風災是自然災害中發(fā)生最頻繁，也是人員傷亡和經(jīng)濟損失最為嚴重的一種。臺風是風災中破壞力最大、造成損失最嚴重的一種。我國東南沿海地區(qū)受臺風影響頻繁，每年由臺風造成的經(jīng)濟損失至少百億元以上并且會有一定的人員傷亡[1]。通過對臺風災害的研究可以發(fā)現(xiàn)，臺風災害中生命和財產(chǎn)損失主要是由土木工程結(jié)構(gòu)的風致破壞引起的[2]。而在土木結(jié)構(gòu)中，經(jīng)濟發(fā)展相對落后的村鎮(zhèn)地區(qū)的低矮民居房屋受臺風災害影響最為普遍，也最為嚴重。這主要是由于村鎮(zhèn)低矮房屋是大部分人群的生活場所，而這類結(jié)構(gòu)抗風能力極為脆弱。一旦發(fā)生臺風災害，會直接威脅到這部分人群的生命安全。和發(fā)達國家相比，我國的臺風災害研究工作主要集中在大型結(jié)構(gòu)抗風研究的投入上，在村鎮(zhèn)建筑抗風研究方面的投入和學術(shù)關(guān)注均很低[3]。為了評估及預測低矮民居在臺風災害中的破壞及損失，本文首先對雙坡兩層低矮民居的表面風壓進行了模擬研究，并對風荷載規(guī)范中的建筑表面風壓系數(shù)做了一定的修正。在低矮民居抗風性能研究方面，本文以廈門市村鎮(zhèn)地區(qū)常見的雙坡兩層砌體房屋為例建立有限元模型，參照當?shù)卦缕骄L速及地貌特征模擬生成脈動風，采用修正的低矮民居表面風壓系數(shù)，對該砌體結(jié)構(gòu)進行了時程脈動風荷載作用下的非線性有限元模擬。針對結(jié)果進行了低矮民居的抗風性能分析，并指出了后續(xù)的低矮民居結(jié)構(gòu)抗風性能研究側(cè)重方向。

2 低矮民居表面風壓模擬

從風災調(diào)查結(jié)果可知[4]，低矮民居的破壞往往是從表面圍護體系，尤其是屋面圍護體系的破壞開始的。由于低矮民居建筑的剛度比較大，所以在風荷載作用下產(chǎn)生共振的可能性比較小。在這種情況下，其結(jié)構(gòu)主體的抗風強度不是主要問題，而改善建筑的外形以減小其所受的風荷載，尤其是屋面體系所受的風荷載才是解決低矮民居抗風問題的最有效途徑。因此，若要做到這一點，必須要了解低矮民居的風壓特性，尤其是屋面體系的風荷載特性。對低層建筑風荷載的研究，目前主要有三種方法：全尺寸現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬，即CFD(Computational Fluid Dynamics)[5]方法。風對建筑的擾流流動屬于復雜的三維鈍體繞流流動問題，這類問題很少能用完全的解析方法成功地解決。目前為止，風洞試驗和全尺寸現(xiàn)場實測試驗方法仍然是解決該問題的主要方法。但是風洞試驗與全尺寸現(xiàn)場實測存在一些問題，而且，不管是風洞試驗還是全尺寸現(xiàn)場實測均存在周期長、費用高、結(jié)果的精度受測試手段和儀器靈敏度的影響等不利的因素。

2.1FLUENT建模

FLUENT軟件是目前國際上最流行的商用CFD軟件。其具有強大的網(wǎng)格支持能力，獨一無二的動網(wǎng)格技術(shù)，先進的數(shù)值解法，博采眾長的物理模型功能，高效率的并行計算功能以及強有力的圖形后處理功能。

幾何模型:為了與規(guī)范相比較，本研究采用的是以典型雙坡屋面，模型尺寸如下：h=5.332 m，w=3.6 m，l=10.8 m，坡度φ=30°，模型如圖1所示。

2.2邊界條件的設定及壁面處理

域入口處設置FLUENT中的速度進口邊界條件(velocity-inlet)，本研究按照規(guī)范分別采用10 m和10 m/s；計算流域出口條件設置采用出口邊界條件(pressure-outlet)。計算流域頂部和兩側(cè)條件采用對稱邊界條件(symmetry)。建筑物表面和地面邊界條件采用的是無滑移的壁面條件(wall)。

2.3計算結(jié)果及其與風荷載規(guī)范中低矮民居風壓系數(shù)的對比

將劃分好的網(wǎng)格導入到FLUENT中進行計算，再將結(jié)果文件導入到后處理軟件Tecplot中進行處理,可以得到建筑各表面平均風壓。將風壓轉(zhuǎn)化為風壓系數(shù)后與各國規(guī)范做對比，見表1。

表1 各國風荷載規(guī)范中典型雙坡屋面平均風壓系數(shù)和FLUENT計算結(jié)果對比

由表1可以得知，與各國規(guī)范[6]相比，F(xiàn)LUENT計算結(jié)果除了迎風面與背風面有些差距外，房屋其他側(cè)面與各國規(guī)范相接近。因此在后續(xù)的低矮房屋強風荷載非線性分析中，可以只將FLUENT計算結(jié)果中迎風面與背風面的風壓系數(shù)稍作調(diào)整即可。

3 脈動風荷載作用下雙坡兩層砌體房屋的受力分析

3.1雙坡兩層砌體房屋模型

為了研究砌體房屋在強風作用下的受力情況，本文先對砌體結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下的受力狀態(tài)運用有限元軟件進行了數(shù)值模擬。考慮到東南沿海村鎮(zhèn)居民生活水平較高，所以采用的是雙坡兩層砌體房屋，所采用的砌體材料為MU10，M5，混凝土材料為C30，梁、柱、樓板采用的鋼筋均為HRB335，屋架與檁條均采用木材，模型尺寸及效果如圖2所示。

為了分析砌體房屋在強風荷載作用下的受力情況，在房屋結(jié)構(gòu)平面的9個不同的區(qū)域生成了9種不同的脈動風速時程，參照廈門地區(qū)月平均風速，此處10 m標高處的參考風速為20 m/s。雙坡兩層砌體房屋不同位置處的脈動風荷載值可由Davenport譜[7]模擬求得：

(1)

風荷載模擬方法采用基于三角級數(shù)求和頻譜表示法的諧波疊加法[8]。施加到結(jié)構(gòu)表面的脈動風荷載平均值為20 m/s,與風力等級表中的八級風速相對應。

3.2非線性有限元模擬結(jié)果

求解計算完成以后，可通過ANSYS后處理得到結(jié)構(gòu)在各方向的位移及應力云圖及裂縫分布圖。ANSYS中Solid65破壞單元中圓圈區(qū)域表示該單元產(chǎn)生開裂破壞或者壓碎破壞[9]。由結(jié)構(gòu)的破壞區(qū)域圖可以看出，結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在樓板與圈梁連接的部分，而主體結(jié)構(gòu)其他部分則幾乎沒有破壞，見圖3，圖4。

從上述圖中可以看出：1)結(jié)構(gòu)的主體部分在強風荷載作用下位移較小，而圍護結(jié)構(gòu)屋面板位移較大。2)結(jié)構(gòu)屋頂屋面板與檁條相連接的部分剪切應力較大，容易發(fā)生剪切破壞。3)結(jié)構(gòu)裂縫主要產(chǎn)生在圈梁與樓板交接處。

4 結(jié)語

本文主要對建筑表面風壓分布模擬以及強風荷載作用下結(jié)構(gòu)的抗風能力進行了分析，得到了以下結(jié)論：

1)與各國規(guī)范相對比，F(xiàn)LUENT軟件模擬的建筑表面風壓系數(shù)在迎風面及背風面偏低，而在建筑其他側(cè)面的風壓系數(shù)則差距不大。有限元分析中，宜對建筑迎風面與背風面的風壓系數(shù)進行調(diào)整以更真實地模擬風荷載。

2)強風荷載作用下主體結(jié)構(gòu)在圈梁與樓板交接處易產(chǎn)生裂縫，而圍護結(jié)構(gòu)屋面板及檁條連接處易產(chǎn)生剪切破壞，這也符合風災現(xiàn)象中低矮房屋圍護結(jié)構(gòu)易發(fā)生損壞的現(xiàn)狀[10]。下一步將對強風荷載作用下低矮房屋的圍護結(jié)構(gòu)破壞進一步的研究。

3)充分利用FLUENT與ANSYS的優(yōu)缺點，真實有效地進行了強風荷載作用下低矮房屋的非線性有限元分析，論證了FLUENT與ANSYS結(jié)合的方法分析建筑結(jié)構(gòu)風致效應的可行性。

[1] 康 斌.我國臺風災害統(tǒng)計分析[J].研究探討,2016,2(26):36-40.

[2] 梁必騏，梁經(jīng)萍，溫之平.中國臺風災害及影響的研究[J].自然災害學報,1995,4(1):1-8.

[3] 顧 明,趙明偉,全 涌.結(jié)構(gòu)臺風災害風險評估研究進展[J].同濟大學學報,2009,5(37):569-574.

[4] 陳定外.低造價房屋抗臺風災害研究[J].建筑科學,1994(3)：76-77.

[5] 馬 駿.工業(yè)廠房數(shù)值模擬和抗風優(yōu)化[J].水利與建筑工程學報,2015,13(1):187-192.

[6] 鄭小宇.臺風致低層民居易損性初步研究[D].重慶:重慶大學,2008.

[7] 閆 石,鄭 偉.簡諧波疊加法模擬風譜[J].沈陽建筑大學學報,2005,1(21):1-4.

[8] 李 峰,竇 鵬,王 磊.風荷載模擬方法探討[J].水利與建筑工程學報,2009,7(4):57-59.

[9] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社,2007:480-481.

[10] 宮文壯.廣東沿海地區(qū)村鎮(zhèn)低矮房屋臺風易損性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

Sufferanceforcesanalysisoflow-riseresidentialbuildingsunderstrongwind

LiuHailiangZhengXiaoyangGongLemin

(WeifangSecondConstructionEngineeringCompany,Weifang261011,China)

The damage of low-rise residential buildings under the influence from typhoon is serious in the southeastern coastal areas of China. Based on that, the wind pressure on the surface of low-rise residential building is simulated and its wind resistance performance is studied. Besides, the focus of the next research on the wind resistance of the lower residential buildings is pointed out.

strong wind, low-rise residential building, surface wind pressure, FLUENT, ANSYS

1009-6825(2017)29-0062-02

2017-08-02

劉海亮(1989- )，男，工程師； 鄭曉洋(1990- )，男，工程師； 宮樂敏(1972- )，男，工程師

TU312.1

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