單墻開洞對(duì)工業(yè)廠房平均內(nèi)外壓的影響研究

蔣 瓅，吳 宏，瞿 革，李慶武

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引言

大型工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房對(duì)風(fēng)荷載較敏感，特別是一些大型船廠等均建在沿海地區(qū)，風(fēng)荷載往往會(huì)成為其控制荷載[1]。根據(jù)各類使用、工藝設(shè)計(jì)及建筑設(shè)計(jì)要求，工業(yè)廠房往往需要考慮山墻、縱墻的不完全封閉，甚至是完全開敞的情況，開洞率的變化區(qū)間也較大。具有大開洞墻面的廠房(如開洞率≥50%)與傳統(tǒng)封閉廠房相比，其風(fēng)荷載分布和取值都會(huì)有很大的不同，對(duì)主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)也會(huì)造成影響。

目前，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)建筑在不同風(fēng)向角、不同開洞情況下的風(fēng)荷載取值少有較細(xì)致的規(guī)定，風(fēng)洞試驗(yàn)是此類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)最重要的依據(jù)。然而，由于風(fēng)洞試驗(yàn)常需要在建筑方案已確定的情況下開展，建筑工程方案階段、初步設(shè)計(jì)階段往往缺乏較詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，理論分析及數(shù)值模擬成為這兩個(gè)階段獲取結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的主要途徑。

近年來，較多學(xué)者對(duì)單開洞建筑的風(fēng)致內(nèi)壓進(jìn)行了研究[2]。余世策等[3]研究了多個(gè)單一開孔剛性建筑模型(開洞率為0～5%)內(nèi)壓的空間分布特性，指出內(nèi)壓在結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻分布，可用統(tǒng)一值來表示，得到的平均內(nèi)壓系數(shù)在0.6～0.85范圍內(nèi)(以屋頂高度為參考高度)。Ginger等[4]在Texas Tech University的現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)洞試驗(yàn)室[5-6]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)測得到僅迎風(fēng)面有單一主洞口(開洞率5.5%)情況下的迎風(fēng)墻面洞口處平均外風(fēng)壓系數(shù)CpW=0.65(以屋面高度為參考高度)，根據(jù)平均內(nèi)壓系數(shù)計(jì)算公式[7]，算得平均內(nèi)壓系數(shù)Cpi=CpW=0.65；宋芳芳等[8]在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了數(shù)值分析，得到的迎風(fēng)縱墻在單一開洞情況下的結(jié)構(gòu)表面平均內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)為0.982 1。樊友川等[9]進(jìn)行了不同條件下的單個(gè)常開洞單跨廠房剛性模型風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，對(duì)風(fēng)向角、開洞位置、開洞形狀及開洞大小對(duì)內(nèi)壓平均值與脈動(dòng)值的影響進(jìn)行了研究，以屋蓋平均高度為參考高度時(shí)開洞率為5%，10%的模型的內(nèi)壓系數(shù)均值分別為0.54，0.67。徐海巍等[10]結(jié)合超高單層廠房的測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了不同開洞工況對(duì)廠房縱墻內(nèi)外表面風(fēng)壓分布的影響。上述研究中，針對(duì)開洞率在0～10%范圍內(nèi)的單開洞建筑的風(fēng)致內(nèi)壓研究較多，而大面積開洞情況的研究則相對(duì)較少。

基于此，本文結(jié)合某超高單層工業(yè)廠房，進(jìn)行了單墻開洞對(duì)工業(yè)廠房平均外壓的影響研究，并對(duì)不同洞口高度、洞口寬度及開洞位置對(duì)建筑平均內(nèi)壓的影響進(jìn)行了分析。

1 案例概況

某超高單層工業(yè)廠房的尺寸為220m×117m×88m(長×寬×高)，一側(cè)山墻(西山墻)大門單獨(dú)開敞的情況較常出現(xiàn)，門洞水平居中布置，尺寸為100m×52m(寬×高)，開洞率達(dá)51%，具體尺寸如圖1所示。由于案例工程廠房體積較大，開洞率較高，墻面及排架所受風(fēng)荷載的分布尚不明確，因此需要研究大面積開洞下結(jié)構(gòu)的受風(fēng)情況，從而確保廠房的安全性。此外，當(dāng)門洞開敞時(shí)，墻面所受風(fēng)荷載是由外壓和內(nèi)壓疊加而成的，由此研究將分別研究單開洞對(duì)墻面外壓和內(nèi)壓的影響。

圖1 單開洞工業(yè)廠房示意圖

為了研究單墻開洞對(duì)建筑內(nèi)外壓的影響，在案例工程西山墻單獨(dú)開洞工況的基礎(chǔ)上，形成了多個(gè)不同洞口高度、洞口寬度及開洞位置的模型進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)定對(duì)比模型的長、寬、高為L，B，H，洞口寬、高為b，h；洞口中心距開洞墻體中心線的水平距離為a，在中心線北側(cè)為負(fù)值、南側(cè)為正值；開洞率δ=bh/(BH)，對(duì)比模型如圖2所示，模型參數(shù)如表1所示。其中，開洞模型M4與案例廠房的西山墻單獨(dú)開洞情況一致；所有開洞模型與案例廠房的建筑尺寸一致，開洞率變化范圍為5%～75%；開洞模型M6a，M6b，M6a′，M6b′與開洞模型M6的洞口高度、寬度相同，僅洞口中心偏移距離不同。

圖2 對(duì)比模型示意圖

對(duì)比模型參數(shù) 表1

2 計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

為保證流動(dòng)能夠充分發(fā)展，設(shè)定整個(gè)計(jì)算域的尺寸為3 750m×2 500m×400m，阻塞率為0.7%～4.4%，計(jì)算域網(wǎng)格的劃分情況如圖3所示。為節(jié)省計(jì)算資源并保證計(jì)算精度，設(shè)定數(shù)值模型的幾何縮尺比為1∶10。為了兼顧計(jì)算精度及不同風(fēng)向角的模擬需求，將計(jì)算域劃分為內(nèi)部核心區(qū)和外部區(qū)域，均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。不同開洞模型的總網(wǎng)格數(shù)量約630萬～800萬。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件以及計(jì)算設(shè)置

計(jì)算域入口采用速度入口，設(shè)置A類風(fēng)場對(duì)應(yīng)的風(fēng)剖面，由不同粗糙度類別風(fēng)場的梯度風(fēng)風(fēng)速一致?lián)Q算得到A類風(fēng)場10m高度處100年一遇的風(fēng)速為31.3m/s；出口采用壓力出口邊界；頂面和側(cè)面采用對(duì)稱邊界；地面以及建筑固壁采用無滑移壁面邊界。

空氣風(fēng)場選用不可壓縮流場；壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，并打開傾斜修正；選用較常用的Realizablek-ε湍流模型，配合非平衡壁面函數(shù)(Non-equilibrium Wall Functions)來考慮壁面存在對(duì)流場的影響，以模擬壁面附近復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證

為確保案例工程結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)案例廠房進(jìn)行了測壓風(fēng)洞試驗(yàn)[10]。模型幾何縮尺比為1∶250，模型尺寸為880mm×468mm×352mm，采用ABS塑料制成。其中，風(fēng)向角示意如圖4所示，四面封閉及西山墻單獨(dú)開洞對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。建筑表面測點(diǎn)的內(nèi)外壓均為同步測試，采樣頻率為312.5Hz。

圖4 風(fēng)向角示意圖

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得到原型廠房風(fēng)荷載的分布情況，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。風(fēng)壓系數(shù)由式(1)計(jì)算得到：

(1)

式中：Cpi為建筑表面某測點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)；Pi為測點(diǎn)i的風(fēng)壓值；P∞為參考點(diǎn)靜壓力值；ρ為空氣密度；V∞為參考點(diǎn)風(fēng)速，參考點(diǎn)高度取廠房檐口高度。

為便于分析，分別設(shè)開洞廠房外墻風(fēng)壓系數(shù)為Cp,out，平均內(nèi)壓系數(shù)為Cp,in。

設(shè)廠房縱墻上的測點(diǎn)至西山墻的水平距離為x，山墻上的測點(diǎn)至南縱墻的水平距離為y；測點(diǎn)高度取建筑高度2/3處，此高度處風(fēng)壓較大，比較具有代表性；廠房長度為L、寬度為B，則數(shù)值模擬與測壓風(fēng)洞試驗(yàn)得到的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out分布如圖6所示。由圖6可見，數(shù)值模擬得到的開洞建筑外壓與測壓風(fēng)洞試驗(yàn)較接近。

圖6 外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out分布曲線

開洞模型M4的內(nèi)壓系數(shù)分布如圖7所示。由圖可知，數(shù)值模擬得到的廠房平均內(nèi)壓分布較均勻。該模擬結(jié)果與測壓風(fēng)洞試驗(yàn)得到的內(nèi)壓均勻分布的試驗(yàn)結(jié)果較吻合，數(shù)值對(duì)比詳見表2，即Cp,in可用同一個(gè)值來表示[3]。由表2可見，Cp,in的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)較一致。所有開洞模型的Cp,in數(shù)值模擬結(jié)果見表3。由表3可見，采用數(shù)值模擬方法得出的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確且具有參考價(jià)值，有限元模型可靠且有效，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他開洞模型的數(shù)值模擬分析。

(ⅱ) f=ξη。即證對(duì)任意x∈X,f(x)=ξη(x)=ξ({x}-)。由Y為T0空間,只需證clY{f(x)}=clY{ξ({x}-)}。注意到clY{ξ({x}-)}=clYf({x}-)。又只需證clY{f(x)}=clYf({x}-)即可。

圖7 開洞模型M4的風(fēng)壓系數(shù)分布

數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in對(duì)比 表2

開洞模型平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in數(shù)值模擬結(jié)果 表3

此外，由試驗(yàn)結(jié)果可知，廠房排架結(jié)構(gòu)所受內(nèi)、外壓疊加作用下的風(fēng)荷載在0°和90°風(fēng)向角下較不利[10]，因此后文主要針對(duì)這兩個(gè)風(fēng)向角工況進(jìn)行研究。

2.4 洞口附近氣流特性分析

由于廠房開洞面積較大，來流如何影響廠房內(nèi)部氣流，從而形成較穩(wěn)定的內(nèi)壓系數(shù)，還需要結(jié)合洞口附近的氣流特性進(jìn)行分析。

以開洞模型M3，M4，M8為例，0°風(fēng)向角下開洞廠房周邊及內(nèi)部的氣流特性如圖8，9所示，由圖可見：1)洞口高度范圍內(nèi)的大部分氣體會(huì)受廠房內(nèi)部氣體的阻擋而在洞口前形成漩渦；僅小部分氣流會(huì)在開洞墻體的遮擋下向下偏轉(zhuǎn)，并從洞口頂部進(jìn)入廠房內(nèi)部。2)洞口處的氣流方向大部分為豎直向下，僅兩側(cè)邊緣位置會(huì)有氣流向洞口外流動(dòng)，使洞口側(cè)邊處的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out低于廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in；流速會(huì)受到洞口尺寸的影響，流速較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)洞口側(cè)邊處Cp,out<0的情況。3)整個(gè)洞口處風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值在空間上的大小關(guān)系大致為底部>頂部>中部，洞口頂部的外墻風(fēng)壓系數(shù)與廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in較一致。

圖8 0°風(fēng)向角下廠房縱向風(fēng)壓系數(shù)分布及流線圖

以開洞模型M4，M8為例，90°風(fēng)向角下開洞廠房周邊及內(nèi)部的氣流特性如圖10，11所示，由圖可見：1)開洞山墻及廠房內(nèi)部均被分離區(qū)吞沒而處于負(fù)壓狀態(tài)；洞口附近及廠房內(nèi)壓系數(shù)分布均勻，數(shù)值較一致。2)相同高度處，開洞山墻沿來流方向的外墻風(fēng)壓系數(shù)的變化梯度則會(huì)受到洞口開敞的影響。3)整個(gè)洞口處風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)數(shù)，其絕對(duì)值在空間上的大小關(guān)系大致為上游側(cè)邊>中部>下游側(cè)邊，洞口左上角處的外墻風(fēng)壓系數(shù)與廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in較一致。

圖10 90°風(fēng)向角下洞口中心高度處風(fēng)壓系數(shù)分布及周邊流線圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于開洞率較大的單開洞工業(yè)廠房，0°風(fēng)向角下，廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in與洞口頂部的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out相近；90°風(fēng)向角下，廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in與洞口左上角處的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out相近。分析結(jié)果表明，大開洞率單開洞建筑的內(nèi)壓遵循穩(wěn)態(tài)理論[9]，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)數(shù)值模擬得到的洞口附近外壓系數(shù)與內(nèi)壓系數(shù)的對(duì)應(yīng)情況，選取一致程度較高的測點(diǎn)，對(duì)大開洞率廠房的內(nèi)壓系數(shù)平均值進(jìn)行估算。

3 單墻開洞對(duì)工業(yè)廠房平均外壓的影響研究

為研究單墻開洞對(duì)外墻風(fēng)壓系數(shù)的影響，對(duì)開洞模型M4及洞口封閉模型在0°，90°風(fēng)向角下的外墻平均風(fēng)壓系數(shù)分布進(jìn)行了研究，對(duì)比結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，門洞開敞后，除受洞口影響的分離區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的外墻風(fēng)壓系數(shù)略有偏差外，兩對(duì)比模型其余部位的外墻風(fēng)壓系數(shù)分布大致相當(dāng)。

圖12 洞口開敞、封閉模型的Cp,out分布云圖

結(jié)合圖13所示的洞口封閉情況下廠房附近的氣流特性進(jìn)行分析可知：1)0°風(fēng)向角下，如圖8所示的開洞模型迎風(fēng)墻前的大部分氣流流線與如圖13(a)所示的洞口封閉情況一致，僅少部分氣體在洞口處有流入流出，因而單墻開洞對(duì)除受洞口影響的分離區(qū)外的墻面外壓影響較少。2)90°風(fēng)向角下，單墻開洞使洞口所在一側(cè)的分離區(qū)體積發(fā)生了變化，因而對(duì)該分離區(qū)作用范圍內(nèi)的西山墻和部分北縱墻的外壓系數(shù)分布會(huì)有一定影響；對(duì)比圖10、圖13(b)可見，其余墻體受影響較少，因而外墻風(fēng)壓系數(shù)的分布也與洞口封閉模型較接近。

圖13 洞口封閉模型風(fēng)壓系數(shù)分布及流線圖

由此可見，單墻開洞對(duì)建筑外墻平均風(fēng)荷載的影響總體較小。進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，除開洞墻體以外的墻面外壓平均值，可近似按封閉建筑取值。

4 單墻開洞對(duì)工業(yè)廠房平均內(nèi)壓的影響研究

由于0°，90°風(fēng)向角下，周邊氣流對(duì)建筑內(nèi)壓的影響機(jī)理不同，下面分別對(duì)這兩個(gè)工況下不同參數(shù)對(duì)廠房平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in的影響進(jìn)行分析。

圖11 90°風(fēng)向角下廠房橫向Cp,in分布及洞口處流場速度矢量

4.1 洞口高度h

圖14 0°風(fēng)向角下開洞模型Cp,in、封閉模型Cp,out與z/H關(guān)系對(duì)比

90°風(fēng)向角下，開洞模型M1～M16的平均內(nèi)壓系數(shù)Cp,in在-0.596～-0.479內(nèi)，變化區(qū)間相對(duì)較小。對(duì)洞口寬度相同的開洞模型M1～M5(b=0.85B)、M13～M14(b=0.33B)進(jìn)行對(duì)比分析，Cp,in與h/H的關(guān)系如圖15所示。由圖15可見，隨著洞口高度h的增加，Cp,in的變化幅度很小，表明洞口高度h不是90°風(fēng)向角下Cp,in的主要影響因素。

圖15 90°風(fēng)向角下開洞模型Cp,in與h/H關(guān)系

4.2 洞口寬度b

0°風(fēng)向角下，單開洞工業(yè)廠房的內(nèi)壓受洞口高度h影響較大，為研究洞口寬度b對(duì)廠房內(nèi)壓的影響，分別選取洞口高度h相近的開洞模型進(jìn)行對(duì)比，得到Cp,in與b/B的關(guān)系如圖16所示。

圖16 0°風(fēng)向角下開洞模型Cp,in與b/B關(guān)系圖

由16圖可見，0°風(fēng)向角下，隨著b的增加，h相近的開洞廠房平均內(nèi)壓系數(shù)的變化幅度較小，總體呈減小的趨勢。結(jié)合圖9(a)，9(c)進(jìn)行分析，開洞建筑的洞口處會(huì)有少量氣體流出，以平衡建筑內(nèi)外的壓力，隨著洞口寬度b的增加，洞口側(cè)邊處氣流的流出速度、流量均有增加，廠房內(nèi)部正壓得到一定釋放，因而Cp,in會(huì)隨洞口寬度b的增加而減小。

圖9 0°風(fēng)向角下廠房橫向Cp,in分布及洞口處流場速度矢量

90°風(fēng)向角下，各開洞模型的Cp,in與b/B的關(guān)系如圖17所示。由圖17可見，當(dāng)b<0.5B時(shí)，Cp,in的絕對(duì)值大致與b呈反比；當(dāng)b≥0.5B時(shí)，Cp,in的變化幅度較小，即b對(duì)Cp,in的影響較小。

圖17 90°風(fēng)向角下開洞模型Cp,in與b/B關(guān)系圖

結(jié)合圖10進(jìn)行分析，當(dāng)b較小時(shí)，洞口對(duì)開洞墻體外墻風(fēng)壓系數(shù)的變化梯度影響較小，氣流分離使開洞山墻上游墻體處形成了較大負(fù)風(fēng)壓；隨著b的增大，開洞山墻上游墻體的長度減小，負(fù)風(fēng)壓區(qū)的形成受到影響，因而受其影響的廠房內(nèi)部負(fù)風(fēng)壓的絕對(duì)值也有所減??；當(dāng)b較大時(shí)，開洞外墻風(fēng)壓系數(shù)的分布越均勻，因而數(shù)值變化幅度也減小。

4.3 開洞位置

根據(jù)開洞模型M6，M6a，M6b，M6a′，M6b′的內(nèi)壓系數(shù)Cp,in模擬結(jié)果，研究不同開洞位置對(duì)廠房內(nèi)壓的影響。設(shè)定洞口中心至開洞墻體水平中心線的水平距離為d=a，則0°，90°風(fēng)向角下開洞廠房內(nèi)壓系數(shù)Cp,in和d/B的關(guān)系如圖18所示。由圖18可見：

圖18 開洞模型Cp,in、封閉模型Cp,out與d/B關(guān)系對(duì)比

(1)0°風(fēng)向角下，當(dāng)a=0時(shí)，Cp,in數(shù)值最大；隨著a絕對(duì)值的增加，Cp,in逐漸減小。這是由于隨著洞口的偏移，洞口前部的來流向側(cè)邊偏轉(zhuǎn)的程度更大，垂直于洞口的沖撞作用越小，因而廠房內(nèi)部正壓也逐漸減小。開洞模型Cp,in隨a的變化規(guī)律與洞口封閉模型的迎風(fēng)面外墻在洞口高度h處的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out隨測點(diǎn)至墻體水平中心線的水平距離d的變化趨勢較一致。

(2)90°風(fēng)向角下，Cp,in的絕對(duì)值隨著a的增加而逐漸增大。這是由于隨著a的增加，洞口不斷向迎風(fēng)面靠近，分離點(diǎn)處較大的負(fù)壓區(qū)對(duì)洞口及廠房內(nèi)部風(fēng)壓的影響也越大，因而廠房內(nèi)部負(fù)壓也逐漸增大。開洞模型Cp,in隨a的變化規(guī)律與洞口封閉模型橫風(fēng)向控制的側(cè)墻在洞口高度h/2處的外墻風(fēng)壓系數(shù)Cp,out隨測點(diǎn)至墻體水平中心線的水平距離d的變化趨勢較一致。此外，考慮到來流方向的任意性和風(fēng)荷載作用的對(duì)稱性，90°風(fēng)向角下，a<0的開洞模型Cp,in絕對(duì)值要小于a=0的開洞模型Cp,in絕對(duì)值；而270°風(fēng)向角下，a<0的開洞模型洞口距離迎風(fēng)面更近，因而其Cp,in絕對(duì)值要大于a=0的開洞模型。所以隨著|a|的增加，廠房內(nèi)部的最大負(fù)風(fēng)壓數(shù)值也將增加。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某超高單層工業(yè)廠房，通過數(shù)值模擬分析，研究了單墻開洞對(duì)工業(yè)廠房平均內(nèi)外壓的影響，得到以下結(jié)論：

(1)單開洞建筑的內(nèi)壓分布較均勻，開洞墻體正面受風(fēng)時(shí)內(nèi)壓為正，洞口被分離區(qū)覆蓋時(shí)內(nèi)壓為負(fù)。

(2)單墻開洞對(duì)0°，90°風(fēng)向角下建筑外墻平均風(fēng)荷載的影響總體較小，除受洞口影響的分離區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的外墻平均風(fēng)壓系數(shù)略有偏差外，其余部位的風(fēng)壓系數(shù)分布與洞口封閉建筑大致相當(dāng)。

(3)當(dāng)開洞墻體為迎風(fēng)面且與來流方向垂直時(shí)，廠房內(nèi)正壓受洞口高度影響較大，隨洞口寬度的增加總體呈減小趨勢，隨洞口偏置程度的增加而減小。

(4)當(dāng)開洞墻體平行于來流方向時(shí)，廠房內(nèi)負(fù)壓受洞口高度影響小，在洞口寬度較小時(shí)與洞口寬度呈反比，隨洞口偏置程度的增加而增大。