周 優(yōu) 文
(重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 400712)
地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性具有顯著影響,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]對(duì)風(fēng)荷載給出了地形的修正系數(shù)。國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)于地形影響下的風(fēng)場(chǎng)或風(fēng)荷載進(jìn)行了研究,如JACKSON等[2,3]研究了山丘地形對(duì)于邊界層風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)的影響。李正良等[4-7]通過(guò)一系列試驗(yàn)及數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了山地風(fēng)場(chǎng)特性,發(fā)現(xiàn)山地地形對(duì)于平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)均存在顯著的加速效應(yīng)。
本文通過(guò)數(shù)值模擬,詳細(xì)研究了某臨江超高層建筑群的風(fēng)荷載特性,通過(guò)與平地工況進(jìn)行對(duì)比,分析了地形對(duì)于建筑風(fēng)荷載的影響,可為相關(guān)工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定參考。
建筑模型及地形條件如圖1所示,該建筑位于江邊,為3棟塔樓組成的建筑群體,受江面來(lái)流影響較大,數(shù)值模擬為考慮地形對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響,分別研究了平地與臨江地形下的建筑風(fēng)荷載特性。
數(shù)值模擬計(jì)算域尺寸為2 520 m×1 000 m×450 m(長(zhǎng)寬高)。建筑物位于計(jì)算流域沿風(fēng)流向的前1/3處,流域?qū)挾却笥?B~8B(B為目標(biāo)建筑物寬度),流域高度約為2H,建筑物群整體阻塞率小于5%,滿足阻塞率要求。以目標(biāo)建筑物所在區(qū)域?yàn)橹行?,中心區(qū)域處采用精細(xì)化網(wǎng)格劃分,復(fù)雜建筑物表面采用三角形和四面體混合的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格,遠(yuǎn)離中心的各區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,從而同時(shí)滿足計(jì)算精度和收斂性。數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖2所示。
計(jì)算模型需要設(shè)定流域入流和流域出口兩處邊界條件以及流場(chǎng)側(cè)面。計(jì)算流域入流處采用FLUENT中的速度進(jìn)口邊界條件(Velocity-Inlet)。其中各參數(shù)計(jì)算如下:
大氣邊界層風(fēng)速剖面:
(1)
湍流度剖面:
(2)
湍流參數(shù):
(3)
(4)
其中,Cμ=0.09;l=0.07L為湍流積分尺度;L為建筑物的特征尺寸;K和ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗率。按上述公式可得風(fēng)剖面和湍流度如圖3所示。
流域出口:出口采用完全發(fā)展出流邊界條件(Outflow)。
流域頂部及兩側(cè):計(jì)算流域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件(Symmetry)。
建筑物表面和地面:采用無(wú)滑移的壁面條件(Wall)。
為考察臨江地形下的建筑周圍流場(chǎng)特性,分別給出速度云圖和矢量場(chǎng),如圖4,圖5所示。
由圖4,圖5可以看出,江面附近的氣流在越過(guò)江堤后,在堤岸近地面產(chǎn)生加速,在建筑表面中上部存在一氣流駐點(diǎn),氣流在撞擊建筑物后,分別沿駐點(diǎn)上下側(cè)流動(dòng),向建筑上側(cè)流動(dòng)的氣流最終越過(guò)建筑頂部,并在頂部附近產(chǎn)生分離渦,受環(huán)渦結(jié)構(gòu)的影響,建筑頂部附近風(fēng)速較大。在建筑后方,尾流分為兩部分,一為建筑附近尾流,其為靠近建筑背后的回流區(qū),受建筑影響較大,氣流較為紊亂;二為建筑遠(yuǎn)后方尾流,其主要受到大氣邊界層風(fēng)的影響,其流動(dòng)隨與建筑物距離的增大而逐漸與邊界層風(fēng)趨同。
采用無(wú)量綱形式的壓力系數(shù)表示結(jié)構(gòu)風(fēng)壓值,壓力系數(shù)定義為:
(5)
其中,pi為測(cè)點(diǎn)平均壓力;Pref為參考點(diǎn)靜壓,參考點(diǎn)取建筑物高度處遠(yuǎn)前方點(diǎn);ρ為空氣密度,取為1.225 kg/m3;Vref為參考點(diǎn)處的平均風(fēng)速。這里取450 m高度處風(fēng)速為43.1 m/s,對(duì)應(yīng)風(fēng)壓1.16 kPa。
如圖6所示為平地地形下的建筑表面風(fēng)壓系數(shù)分布云圖,從圖中可以看出,迎風(fēng)面最大風(fēng)壓系數(shù)為0.6,其出現(xiàn)在塔樓迎風(fēng)面的中上部,在0.8H位置附近。2號(hào)樓受到1號(hào)樓的遮擋,被遮擋區(qū)域風(fēng)壓較小。背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)整體為-0.6左右,其中,1號(hào)樓背面由于受到下風(fēng)向2號(hào)樓的影響,負(fù)風(fēng)壓很小。圖7給出了臨江地形下的建筑表面風(fēng)壓系數(shù)分布,從圖中可以看出,考慮地形影響后,迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)極值有所增大,其最大風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到0.8左右,離江堤較遠(yuǎn)的3號(hào)樓受地形影響較小,其風(fēng)壓分布與平地地形差別較小。2號(hào)樓的背風(fēng)面負(fù)壓相對(duì)較大,1號(hào)樓背風(fēng)面受2號(hào)樓影響,致使負(fù)壓較小??紤]地形影響后,1號(hào)樓和2號(hào)樓頂面負(fù)壓較大,最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到-1.0左右。
將建筑按5 m間隔進(jìn)行分段,根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)分布可分別求出每段的體型系數(shù),而后對(duì)比考慮臨江地形與平地地形下建筑的層體型系數(shù),影響系數(shù)為臨江地形的層體型系數(shù)與平地地形層體型系數(shù)之比,X和Y分別表示順江面來(lái)流方向與垂直江面來(lái)流方向。由于塔樓高度不同,限于篇幅,對(duì)每棟塔樓僅給出頂部附近4層和底部4層的影響系數(shù),見表1。
表1 體型系數(shù)的影響系數(shù)
從表1中可以看出,考慮臨江地形后,與江堤距離較近的1號(hào)樓受地形影響較大。2號(hào)樓由于受到1號(hào)樓的遮擋作用,在1號(hào)樓高度以下部分的體型系數(shù)較小,高出1號(hào)樓的上部樓層體型系數(shù)則有明顯增大。3號(hào)樓距離江堤較遠(yuǎn),受江面來(lái)流影響較小。
通過(guò)數(shù)值模擬研究了考慮臨江地形與平地地形下某塔樓群體建筑的風(fēng)荷載特性,主要結(jié)論如下:
1)考慮臨江地形后,江面來(lái)流在越過(guò)江堤后其風(fēng)速有所增加,進(jìn)而影響到臨江建筑表面的風(fēng)荷載分布。
2)距離江堤較近的1號(hào)樓表面風(fēng)壓分布受地形影響較大,離江堤較遠(yuǎn)的3號(hào)樓表面風(fēng)壓分布受地形影響相對(duì)較小。
3)建筑層體型系數(shù)在考慮地形后有所增大,其中增大最為明顯的位置為靠近江堤的1號(hào)樓中下部。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮地形的不利影響,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。
[1] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].
[2] JACKSON P S, HUNT J C R.Turbulent wind flow over a low hill[J].Q. J. Roy.Meteorol.Soc.,1975(101):929-955.
[3] JACKSON P S.The influence of local terrain features on the site selection for wind energy generating systems[R].Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory Internal Report, University of Western Ontario,BLWT-1-1979.
[4] 李正良,徐姝亞,肖正直,等.山地風(fēng)速地形修正系數(shù)沿山坡的詳細(xì)插值分布[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(3):23-31.
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