風(fēng)荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布及局部體型系數(shù)數(shù)值模擬研究

周建民，石海波，程政

(同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

0 引 言

近兩年，受全球氣候變化影響，我國(guó)遭受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等特大風(fēng)災(zāi)的次數(shù)增多，給國(guó)家造成了極大損失。2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”造成華南地區(qū)近300萬(wàn)人受災(zāi)，還造成1 200余間房屋倒塌，800余間嚴(yán)重?fù)p壞，直接經(jīng)濟(jì)損失52億元。2018年臺(tái)風(fēng)“安比”于上海登陸，造成華東、華北地區(qū)144.3萬(wàn)人受災(zāi)，近500間房屋倒塌，4 900余間不同程度損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失9.9億元。在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受風(fēng)破壞并非總是出現(xiàn)在高層區(qū)域，角部區(qū)域也時(shí)有發(fā)生，因此，既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能值得深入研究。

課題組之前對(duì)既有建筑安全性能做了深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受風(fēng)災(zāi)破壞，一方面是由于老建筑未考慮抗風(fēng)或是按舊規(guī)范考慮，從而導(dǎo)致性能不足；另一方面按荷載規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑，依舊有部分出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象[1]。本文將基于CFD原理，運(yùn)用scSTREAM平臺(tái)，數(shù)值模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布及局部體型系數(shù)取值，以研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能。

目前建筑風(fēng)荷載的主要研究方法：在自然環(huán)境中的全尺度實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬[2-4]。其中數(shù)值模擬相比其他研究方法，存在耗費(fèi)資源少、效率高、實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為豐富等優(yōu)勢(shì)[5-7]。

近十多年來(lái)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)得到飛速發(fā)展，CFD對(duì)流場(chǎng)平均特性的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。本文使用的scSTREAM軟件，是日本軟件公司Software Cradle于1984年開(kāi)發(fā)的基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(直角或圓柱坐標(biāo))的通用熱流體仿真軟件，是開(kāi)發(fā)較早的一批CFD軟件。該軟件具有使用簡(jiǎn)單、結(jié)果精確、解題迅速、節(jié)約內(nèi)存等優(yōu)點(diǎn)。

選用同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室TJ-2建筑邊界層風(fēng)洞，于2003年完成的CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)剛性模型試驗(yàn)結(jié)果[8]作為參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)建立4個(gè)不同計(jì)算條件的CARRC全尺度模型[9-10]。分別計(jì)算試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果的平均風(fēng)壓系數(shù)。

scSTREAM平臺(tái)進(jìn)行CFD模擬具備可行性，而選擇RNGk-ε模型可以得到相對(duì)可靠的模擬結(jié)果，在迎風(fēng)面與背風(fēng)面利用修正系數(shù)進(jìn)行修正，分別取0.8，0.7。

1 不同風(fēng)速模型數(shù)值模擬

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載計(jì)算公式為

wk=βgzμslμzw0，

(1)

式中：βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。按規(guī)范規(guī)定，重現(xiàn)期50年時(shí)，沿海地區(qū)，如上海取0.55 kN/m2，廈門(mén)取0.8 kN/m2，香港取0.9 kN/m2，基本風(fēng)壓w0與基本風(fēng)速v0關(guān)系為

w0=0.5ρv02。

(2)

經(jīng)計(jì)算可得，基本風(fēng)壓取0.9 kN/m2時(shí)，基本風(fēng)速為37.3 m/s，值得注意的是，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的基本風(fēng)速是在B類(lèi)地貌條件下，地面10 m高度處10 min平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，重現(xiàn)期50 a，而臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)力，則是A類(lèi)地貌條件，應(yīng)采用2 min的時(shí)距。因此，需對(duì)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

v0=0.945×vb/1.280.5，

(3)

其中，vb為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)力。經(jīng)換算可得，規(guī)范規(guī)定0.9 kN/m2對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)力為44.6 m/s(大致對(duì)應(yīng)14～15級(jí)臺(tái)風(fēng))，考慮臺(tái)風(fēng)頻遇率及荷載組合時(shí)風(fēng)荷載存在分項(xiàng)系數(shù)，可認(rèn)為荷載規(guī)范規(guī)定的基本風(fēng)壓滿足遭遇強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下的要求；按最新荷載規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下會(huì)發(fā)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞是由于風(fēng)荷載局部體型系數(shù)取值不當(dāng)，即風(fēng)壓分布不均造成的。

以下將研究不同風(fēng)速對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布和風(fēng)荷載局部體型系數(shù)的影響，在模型基礎(chǔ)上，建立基本風(fēng)速為30,40 m/s 的RNGk-ε模型，其余條件同上節(jié)，并計(jì)算數(shù)值模擬結(jié)果的平均風(fēng)壓系數(shù)。對(duì)比不同風(fēng)速下RNGk-ε模型模擬結(jié)果，如圖1所示。

圖1 不同風(fēng)速RNG k-ε模型數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of numerical simulation results of RNG k-ε model with different wind speeds

可以看到，不同風(fēng)速的RNGk-ε模型模擬結(jié)果十分接近。在迎風(fēng)面各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)幾乎完全一致，相差不到1%，而其他面測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)雖有所偏差，但最大相差9.7%。考慮計(jì)算誤差，可以認(rèn)為風(fēng)速對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布和局部體型系數(shù)取值影響很小。

2 不同高寬比模型數(shù)值模擬

對(duì)于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在建筑角隅、檐口、邊棱處等部位，局部風(fēng)壓往往會(huì)超過(guò)平均風(fēng)壓，局部體型系數(shù)就是考慮建筑表面風(fēng)壓分布的不均勻而導(dǎo)致局部部位的風(fēng)壓超過(guò)全表面風(fēng)壓的實(shí)際情況作出的調(diào)整?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—2012[11]相對(duì)于之前的版本，補(bǔ)充了封閉式矩形平面房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部體型系數(shù)，但對(duì)于墻面的規(guī)定依舊過(guò)于簡(jiǎn)單，落后于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。GB50009—2012表8.3.3中，給出了高厚比、屋面坡度對(duì)屋面局部體型系數(shù)的影響；對(duì)于墻面，尤其是側(cè)面，其局部體型系數(shù)同樣受到高厚比、寬厚比的影響，規(guī)范中卻未給出相應(yīng)規(guī)定。

在澳洲新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2∶2002中，圍護(hù)構(gòu)件風(fēng)壓系數(shù)的確定類(lèi)似我國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，在其體型系數(shù)Cp，e的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)局部放大系數(shù)Kl。正壓區(qū)局部放大系數(shù)取1.5；在負(fù)壓區(qū)，根據(jù)不同位置乘以1.0～3.0局部放大系數(shù)。

對(duì)比兩國(guó)規(guī)范可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)規(guī)范對(duì)于局部體型系數(shù)的規(guī)定中，區(qū)域劃分過(guò)于簡(jiǎn)單；對(duì)于迎風(fēng)面和背風(fēng)面局部體型系數(shù)的規(guī)定，沒(méi)有考慮建筑高寬比、寬厚比的影響。然而建筑體型會(huì)對(duì)繞過(guò)(越過(guò))迎風(fēng)面的氣流造成很大影響，氣流繞過(guò)建筑迎風(fēng)面后會(huì)產(chǎn)生分離與漩渦，在距離迎風(fēng)面一段距離后再附著到建筑側(cè)面，顯然不同深度的建筑其側(cè)面風(fēng)壓分布截然不同。因此下文運(yùn)用數(shù)值模擬方法，建立不同建筑體型(高寬比、寬厚比)的模型，研究建筑體型對(duì)風(fēng)壓分布及風(fēng)荷載局部體型系數(shù)的影響。

2.1 計(jì)算模型設(shè)置

參照CAARC模型設(shè)置，建立4個(gè)高度相同、寬厚比相同、高寬比不同的建筑模型，模型高度H均為180 m，寬厚比均為1，迎風(fēng)面寬度為B，側(cè)面深度為D，模型尺寸統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。模型四面沿高度方向上，每隔3 m各邊均勻布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)60層，每個(gè)模型共計(jì)布置30×4×60=7 200個(gè)測(cè)點(diǎn)。v0取40 m/s，地面粗糙度指數(shù)α取0.28，空氣密度取1.29 kg/m3，計(jì)算域X軸方向模型前后放大6倍H，Y軸方向模型左右各放大5倍H，Z軸高度方向放大4倍H，網(wǎng)格最小尺寸200 mm，最大800 mm。湍流模型選擇RNGk-ε模型，迭代步數(shù)為1 000步。圖2給出了本算例的模型大樣和網(wǎng)格劃分情況。

表1 不同高寬比模型尺寸Tab.1 Size of models with different aspect ratios

圖2 不同高寬比模型示意圖和模型網(wǎng)格劃分

Fig.2 Schematic drawings of models with different aspect ratios and sample mesh generation

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對(duì)比圖3～5可以得到以下結(jié)論：

(1)迎風(fēng)面高風(fēng)壓區(qū)(紅色區(qū)域)呈中心向四周擴(kuò)散狀；高風(fēng)壓區(qū)域隨著高寬比增加，范圍逐漸擴(kuò)大，向四周蔓延；此外迎風(fēng)面底部存在次高風(fēng)壓區(qū)(橙色區(qū)域)，隨著高寬比降低，這一區(qū)域范圍和風(fēng)壓值均逐漸增大。可以推測(cè)，當(dāng)高寬比足夠小時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)該區(qū)域風(fēng)壓最大值超過(guò)中心區(qū)域的情況。

圖3 不同高寬比模型迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖Fig.3 Wind pressure nephogram of models with different aspect ratios on windward

圖4 不同高寬比模型側(cè)面風(fēng)壓云圖Fig.4 Wind pressure nephogram of different aspect ratio models on side

圖5 不同高寬比模型背風(fēng)面風(fēng)壓云圖Fig.5 Wind pressure nephogram of models with different aspect ratios on leeward

為更好地反映高寬比對(duì)迎風(fēng)面風(fēng)壓的影響，選取模型迎風(fēng)面中軸線附近15號(hào)測(cè)點(diǎn)(15號(hào)、16號(hào)數(shù)據(jù)十分接近)，對(duì)比4個(gè)模型15號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓沿高度變化曲線，見(jiàn)圖6。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著高寬比增加，模型風(fēng)壓峰值逐漸提高并且向模型頂部移動(dòng)，模型風(fēng)壓極小值逐漸降低并且向模型底部移動(dòng)。

圖6 不同高寬比模型迎風(fēng)面中軸線風(fēng)壓曲線Fig.6 Wind pressure curves of windward axis of models with different aspect ratios

再選取各模型迎風(fēng)面2/3高度處附近測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)比4個(gè)模型在各測(cè)點(diǎn)處迎風(fēng)面風(fēng)壓變化曲線，見(jiàn)圖7?？梢钥吹礁鞲邔挶饶Ｐ挖厔?shì)一致，均呈拋物線狀。

圖7 不同高寬比模型2/3高度處迎風(fēng)面風(fēng)壓曲線Fig.7 Wind pressure curves at 2/3 heights of models with different aspect ratios on windward

(2)側(cè)面負(fù)壓區(qū)分層現(xiàn)象十分明顯，隨著距迎風(fēng)面邊緣水平距離增大，負(fù)壓值逐漸減小；此外由于氣流繞過(guò)建筑迎風(fēng)面后產(chǎn)生分離和漩渦，在距離迎風(fēng)面一段距離后再附著到建筑側(cè)面，在側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣的角部區(qū)域存在2個(gè)負(fù)壓區(qū)極值區(qū)域(深藍(lán)色區(qū)域)，且隨著高寬比增加，氣流分離后附著的距離減小，該區(qū)域范圍逐漸縮?。粸楦梅从掣邔挶葘?duì)側(cè)面風(fēng)壓的影響，統(tǒng)計(jì)各模型側(cè)面2/3高度處附近測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)比4個(gè)模型在各測(cè)點(diǎn)處側(cè)面風(fēng)壓變化曲線，見(jiàn)圖8?？梢钥吹匠拷L(fēng)面邊緣的1-3號(hào)測(cè)點(diǎn)外，各模型其他測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓隨測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離迎風(fēng)面邊緣逐漸降低。

圖8 不同高寬比模型2/3高度處側(cè)面風(fēng)壓曲線Fig.8 Wind pressure curves at 2/3 height of models with different aspect ratios on side

(3)背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)受高寬比改變的影響較小，風(fēng)壓分布均較為均勻。

由此可見(jiàn)，高寬比的改變對(duì)建筑迎風(fēng)面及側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣區(qū)域的風(fēng)壓分布影響明顯。

μsi=Cpi×(H/z)0.3，

(4)

式中:Cpi為某點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)；H為該點(diǎn)高度；z為參考高度，10 m;μsi為該點(diǎn)局部體型系數(shù)。采用式(5)分別計(jì)算不同高寬比模型7 200個(gè)測(cè)點(diǎn)的局部體型系數(shù)，并利用origin軟件繪制出等值線圖，如圖9～11所示。

由圖9可以看出，迎風(fēng)面中心區(qū)域局部體型系數(shù)最大值隨高寬比增加有所增大，值為1.4的等值線隨高寬比增加而顯著向迎風(fēng)面四周擴(kuò)散，占比逐漸增加；此外在迎風(fēng)面底部存在局部體型系數(shù)較大的區(qū)域，隨著高寬比降低，這一區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)局部體型系數(shù)取值也逐漸增大，當(dāng)高寬比達(dá)到2時(shí)出現(xiàn)高于迎風(fēng)面中心區(qū)域，取值達(dá)到1.7?？梢酝茰y(cè)，在高寬比很小的極端情況下，可能會(huì)出現(xiàn)該區(qū)域風(fēng)壓高于中心區(qū)域的情況，從而導(dǎo)致安全隱患。

圖9 不同高寬比模型迎風(fēng)面局部體型系數(shù)

Fig.9 Local shape coefficients of models with different aspect ratios on windward

圖10 不同高寬比模型側(cè)面局部體型系數(shù)Fig.10 Local shape coefficients of models with different aspect ratios on side

圖11 不同高寬比模型背風(fēng)面局部體型系數(shù)Fig.11 Local shape coefficients of models with different aspect ratios on leeward

對(duì)于整個(gè)迎風(fēng)面而言，迎風(fēng)面平均局部體型系數(shù)可由下公式計(jì)算：

μs=∑μsi×Ai/A,

(5)

式中:μs為迎風(fēng)面平均局部體型系數(shù);μsi為測(cè)點(diǎn)局部體型系數(shù);Ai為測(cè)點(diǎn)所占面積;A為迎風(fēng)面面積。將上述公式簡(jiǎn)化為

μs=∑μsi/7 200，

(6)

經(jīng)計(jì)算可得各模型迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)分別為1.08,1.06,1.05,1.05，相比規(guī)范規(guī)定取值1.0，誤差不到10%，可以認(rèn)為基本與規(guī)范取值一致。

由圖10可以看出，側(cè)面局部體型系數(shù)隨著高寬比增加，下降梯度逐漸增大，靠近迎風(fēng)面邊緣的區(qū)域局部體型系數(shù)有明顯降低，而靠近背風(fēng)面邊緣的區(qū)域局部體型系數(shù)變化很小。此外側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣的左上角及左下角存在局部體型系數(shù)極值區(qū)域，隨著高寬比降低，這一區(qū)域范圍及區(qū)域內(nèi)局部體型系數(shù)取值均逐漸增大。

由圖11可以看出，背風(fēng)面局部體型系數(shù)數(shù)值較為平均，并且隨著高寬比增大，無(wú)明顯變化，背風(fēng)面體型系數(shù)均為-0.6左右。

根據(jù)GB 50009—2012規(guī)定，算例中的4個(gè)模型各表面局部體型系數(shù)μsl的取值一致。

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果迎風(fēng)面局部體型系數(shù)最大值隨高寬比增加而增大，并且在寬度方向上改變；經(jīng)計(jì)算數(shù)值模擬迎風(fēng)面平均局部體型系相比規(guī)范取值僅存在不到10%的誤差，但是數(shù)值模擬結(jié)果局部體型系數(shù)最高達(dá)1.7，高過(guò)規(guī)范值70%；在側(cè)面，規(guī)范只劃分了2個(gè)區(qū)域，對(duì)比數(shù)值模擬的結(jié)果顯得粗糙，在遠(yuǎn)離迎風(fēng)面邊緣的區(qū)域分區(qū)應(yīng)更細(xì)。因此本文利用數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)迎風(fēng)面及側(cè)面的局部體型系數(shù)進(jìn)行分區(qū)與取值，見(jiàn)圖12～13；背風(fēng)面由于數(shù)值結(jié)果較為均勻，且受高寬比影響不大，本文未作進(jìn)一步處理。

圖12 不同高寬比模型迎風(fēng)面局部體型系數(shù)分區(qū)

Fig.12 Partitioning of local shape coefficients of models with different aspect ratios on windward

3 不同寬厚比模型數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型設(shè)置

建立3個(gè)高度相同、迎風(fēng)面寬度相同、寬厚比不同的建筑模型，高度H均為120 m，迎風(fēng)面寬度B均為30 m，側(cè)面深度為D，模型尺寸統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，測(cè)點(diǎn)共計(jì)4 800個(gè)，其余同上。

表3 不同寬厚比模型尺寸Tab.3 Size of models with different width-thickness ratios

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

分別對(duì)比圖14～16，可以發(fā)現(xiàn)寬厚比的改變對(duì)建筑表面風(fēng)壓存在一定影響。

圖14 不同寬厚比模型迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖Fig.14 Wind pressure nephogram of models with different width-thickness ratios on windward

圖15 不同寬厚比模型側(cè)面風(fēng)壓云圖Fig.15 Wind pressure nephogram of models with different width-thickness ratios on side

(1)模型側(cè)面負(fù)壓區(qū)風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性：模型在側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣的角部區(qū)域存在2個(gè)負(fù)壓區(qū)極值區(qū)域(深藍(lán)色、藍(lán)色區(qū)域)；各模型距迎風(fēng)面邊緣距離一致的測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓值幾乎相等，且風(fēng)壓值均隨著距迎風(fēng)面邊緣距離增大，幾乎以相同的梯度逐漸減小，且負(fù)壓降低的梯度隨距迎風(fēng)面邊緣的距離增大而減小，該現(xiàn)象是由繞過(guò)模型兩側(cè)的氣流分離后再附著引起的。統(tǒng)計(jì)3個(gè)模型2/3高度處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制出3個(gè)模型在該高度處側(cè)面風(fēng)壓變化曲線，如圖17所示。

圖16 不同寬厚比模型背風(fēng)面風(fēng)壓云圖Fig.16 Wind pressure nephogram of models with different width-thickness ratios on leeward

圖17 不同寬厚比模型2/3高度處側(cè)面風(fēng)壓曲線Fig.17 Wind pressure curves at 2/3 height of models with different width-thickness ratios on side

(2)模型背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)風(fēng)壓分布較為均勻，隨著模型深度增加、寬厚比減小，負(fù)壓值有所降低。選取模型背風(fēng)面中軸線附近15號(hào)測(cè)點(diǎn)(15號(hào)、16號(hào)數(shù)據(jù)十分接近)，對(duì)比3個(gè)模型15號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓沿高度變化曲線，見(jiàn)圖18。從圖18可以看出，這3個(gè)模型背風(fēng)面風(fēng)壓分布趨勢(shì)基本一致，背風(fēng)面負(fù)壓極值都出現(xiàn)在靠近頂端處；隨著寬厚比增加，模型背風(fēng)面風(fēng)壓有所降低。

圖18 不同寬厚比模型2/3高度處背風(fēng)面風(fēng)壓曲線Fig.18 Wind pressure curves at 2/3 height of models with different width-thickness ratios on leeward

由此可見(jiàn)，寬厚比的改變對(duì)建筑側(cè)面及背風(fēng)面風(fēng)壓分布有所影響。利用式(5)，分別計(jì)算不同高寬比模型4 800個(gè)測(cè)點(diǎn)的局部體型系數(shù)，并利用origin繪制出等值線圖，如圖19～21所示。

(a)H/B=1 (b)H/B=1/2 (c)H/B=1/3 (d)H/B=5 圖19 不同寬厚比模型迎風(fēng)面局部體系系數(shù)Fig.19 Local shape coefficients of models with different width-thickness ratios on windward

可以看出，寬厚比的改變主要影響側(cè)面及背風(fēng)面的平均風(fēng)壓局部體型系數(shù)。側(cè)面局部體型系數(shù)在距離迎風(fēng)面邊緣1B范圍內(nèi)，如圖22所示。背風(fēng)面局部體形系數(shù)分布較為均勻，可采取統(tǒng)一取值；相比規(guī)范取值-0.6，可以看到數(shù)值模擬結(jié)果顯示隨寬厚比增大，背風(fēng)面局部體型系數(shù)有較明顯降低，這里為確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能，仍按規(guī)范取值。

4 結(jié) 論

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布及風(fēng)荷載局部體型系數(shù)受風(fēng)速影響很小。

(2)高寬比改變主要影響建筑迎風(fēng)面及側(cè)面風(fēng)壓分布和風(fēng)荷載局部體型系數(shù)。隨著高寬比增加，迎風(fēng)面中心區(qū)域范圍及風(fēng)壓值均增大，側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣的角部區(qū)域范圍及風(fēng)壓值則均減小，而這倆個(gè)區(qū)域局部體型系數(shù)均高于規(guī)范取值；此外在迎風(fēng)面底部存在風(fēng)壓較大的區(qū)域，隨著高寬比降低，其范圍及風(fēng)壓值逐漸增大，在高寬比達(dá)到2時(shí)出現(xiàn)局部體型系數(shù)高于中心區(qū)域的情況，局部達(dá)到1.7，高于規(guī)范取值70%。因此建議在實(shí)際工程中，對(duì)于這些區(qū)域局部體型系數(shù)應(yīng)予以放大。

(a)B/D=2 (b)B/D=3 (c)B/D=4 (d)B/D=5

圖20 不同寬厚比模型側(cè)面局部體系系數(shù)

Fig.20 Local shape coefficients of models with different width-thickness ratios on side

(a)B/D=2 (b)B/D=3 (c)B/D=4 (d)B/D=5 圖21 不同寬厚比模型背風(fēng)面局部體系系數(shù)Fig.21 Local shape coefficients of models with different width-thickness ratios on leeward

圖22 不同寬厚比模型側(cè)面局部體型系數(shù)分區(qū)Fig.22 Partitioning of local shape coefficients of models with different width-thickness ratios on side

(3)寬厚比改變主要影響建筑側(cè)面及背風(fēng)面風(fēng)壓分布和風(fēng)荷載局部體型系數(shù)取值。不同寬厚比的模型，側(cè)面局部體型系數(shù)在距離迎風(fēng)面邊緣1B范圍內(nèi)分布幾乎一致，而在距離迎風(fēng)面邊緣大于1B時(shí)，其絕對(duì)值隨距離的增加進(jìn)一步減小，局部最低達(dá)-0.4，相比規(guī)范取值減小60%；背風(fēng)面局部體形系數(shù)分布較為均勻，隨寬厚比增大有所降低，考慮確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能，可按規(guī)范統(tǒng)一取值。

綜上所述，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，我國(guó)荷載規(guī)范現(xiàn)行分區(qū)取值方法較為粗糙。若按我國(guó)荷載規(guī)范現(xiàn)行分區(qū)取值方法，會(huì)低估某些區(qū)域(如側(cè)面靠近迎風(fēng)面邊緣的角部區(qū)域、高寬比較小時(shí)的迎風(fēng)面底部)的局部風(fēng)荷載，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性；而在某些區(qū)域取值則偏大(如迎風(fēng)面靠近邊緣區(qū)域)，造成性能浪費(fèi)。