地域典型強(qiáng)風(fēng)作用下異型建筑風(fēng)荷載分布研究

王輝明，王祥林，王詩(shī)怡

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046)

0 引言

風(fēng)災(zāi)是自然界頻發(fā)的災(zāi)害之一。風(fēng)荷載不但使建筑物受到較大水平力作用，還可能引起內(nèi)部構(gòu)件的振動(dòng)，長(zhǎng)期作用會(huì)進(jìn)一步造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。而隨著材料和建造工藝的不斷發(fā)展，建筑主體更是朝著對(duì)風(fēng)荷載敏感的大跨、高柔性方向發(fā)展[1]，因此風(fēng)荷載已成為必須要控制的荷載之一。同時(shí)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2](以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)對(duì)異型建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)并沒(méi)有明確的規(guī)定，這給目前外形獨(dú)特、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物的抗風(fēng)性能遺留了安全隱患。

研究風(fēng)荷載對(duì)建筑物的影響及作用，除了進(jìn)行傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和大型風(fēng)洞試驗(yàn)外，數(shù)值模擬技術(shù)已成為主要的研究方法之一。它的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在具有模擬真實(shí)和理想條件的能力，周期短、花費(fèi)少、可以完整地獲取風(fēng)壓和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，圖形可視化[3]。文獻(xiàn)[4-5]分別對(duì)龍卷風(fēng)作用下的四坡屋面和下?lián)舯┝髯饔孟碌碾p坡屋面進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重探討了風(fēng)向、坡角變化及有無(wú)挑檐對(duì)屋面風(fēng)壓分布的影響，但未涉及建筑其他壁面風(fēng)壓分布的研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)不同風(fēng)向角下帶凹角的矩形高層建筑的平均風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[7]研究了矩形圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速、不同建筑體型下壁面的風(fēng)壓分布和風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，考慮了不同變量對(duì)建筑壁面風(fēng)壓分布的影響，但研究對(duì)象仍為簡(jiǎn)單的矩形建筑，并且也未考慮地域風(fēng)環(huán)境的影響。新疆部分地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)天氣較多。因此，研究持續(xù)性大風(fēng)天氣環(huán)境下，新疆城市異型建筑物在地域典型強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)荷載分布，對(duì)異型建筑的安全性和穩(wěn)定性很有必要。本文以新疆大劇院這一異型建筑為研究對(duì)象，結(jié)合烏魯木齊地區(qū)典型風(fēng)荷載工況，研究新疆大劇院表面風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布規(guī)律，可為類似異型建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值和建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 理論基礎(chǔ)和計(jì)算參數(shù)

1.1 平均風(fēng)速剖面

水平方向的氣流會(huì)受到地球表面粗糙單元的阻礙，這種阻礙會(huì)隨著距離地球表面高度的增加而減弱，當(dāng)達(dá)到臨界高度即梯度風(fēng)高度時(shí)，阻力的影響就可被忽略[8]。從地球表面到梯度風(fēng)高度處風(fēng)速由小到大的現(xiàn)象用指數(shù)率平均風(fēng)速剖面描述，如式(1)所示[8]：

(1)

隨著高度的增加，氣流的速度也在增加，高層建筑將受到較大的風(fēng)荷載作用。并且，周圍建筑群密度增大，地面粗糙度指數(shù)也會(huì)增大，則隨著高度的增加，建筑周圍風(fēng)速會(huì)比房屋稀疏的郊區(qū)大。

新疆烏魯木齊地區(qū)在天山等地形作用的影響下，大風(fēng)日數(shù)多且風(fēng)力強(qiáng)勁。圖1為烏魯木齊地區(qū)風(fēng)玫瑰圖。從圖1a可以看出：烏魯木齊地區(qū)在北向和西北方向的風(fēng)速最大。圖1b表明：烏魯木齊地區(qū)在西向和東北方向的風(fēng)頻最大。從季節(jié)分布來(lái)看，在春、冬季大風(fēng)日數(shù)較多，但在四季中夏季的平均風(fēng)速最大[9]。近年來(lái)，隨著烏魯木齊地區(qū)城市建筑群密度和建筑物高度的逐漸增大，對(duì)城市建筑風(fēng)荷載作用的研究也越顯重要。

(a) 風(fēng)速玫瑰圖

1.2 風(fēng)荷載體型系數(shù)

風(fēng)工程中用結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布系數(shù)來(lái)描述結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的分布特點(diǎn)。建筑表面測(cè)點(diǎn)i處風(fēng)壓系數(shù)μsi[10]如式(2)所示：

(2)

風(fēng)荷載體型系數(shù)μs是由測(cè)點(diǎn)i處風(fēng)壓系數(shù)μsi與該點(diǎn)所屬表面面積Ai的乘積取加權(quán)平均得到[9]，如式(3)所示：

(3)

其中：Ai為測(cè)點(diǎn)i所屬的表面面積，m2；A為所計(jì)算表面的總面積，m2。

風(fēng)荷載體型系數(shù)能夠反映穩(wěn)定的風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)表面上的靜態(tài)分布情況，其值為正時(shí)表示建筑表面受風(fēng)壓力的作用，反之，則表示受風(fēng)吸力作用。

風(fēng)荷載體型系數(shù)與建筑物的形狀、規(guī)模和地面粗糙度有關(guān)，其中建筑的形狀影響作用最大。對(duì)于外形復(fù)雜的建筑，規(guī)范中沒(méi)有提供可以參考的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值，因此研究異型建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)很有必要[11]。

1.3 計(jì)算流體力學(xué)基本控制方程

建筑風(fēng)工程數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)。CFD是通過(guò)數(shù)值方法求解流體力學(xué)控制方程，得到流場(chǎng)的離散的定量描述，并以此預(yù)測(cè)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科[12]。

流體流動(dòng)要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。質(zhì)量守恒定律要求單位時(shí)間內(nèi)流出控制體的流體凈質(zhì)量總和應(yīng)等于同時(shí)間間隔控制體內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量。動(dòng)量守恒定律要求對(duì)于一給定的流體微元，其動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。能量守恒定律要求微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流通量加上質(zhì)量力與表面力對(duì)微元體所做的功[13]。

對(duì)應(yīng)于不同的流動(dòng)模型，基本控制方程又有不盡相同的形式。對(duì)于流體力學(xué)本身，這些不同形式的控制方程沒(méi)有本質(zhì)上區(qū)別，但是對(duì)于CFD而言，方程的形式將直接決定求解的結(jié)果，不適宜的方程可能得不到收斂的解[14]。

1.4 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)(Standard)k-ε、重整化群(Re-normalization group，RNG )k-ε和可實(shí)現(xiàn)(Realizable)k-ε湍流模型均普遍用于解決工程湍流問(wèn)題[15]。Standardk-ε湍流模型對(duì)時(shí)均應(yīng)變率特別大的情形，有可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力[16]，為了使流動(dòng)更加符合實(shí)際湍流現(xiàn)象，Shih對(duì)Standardk-ε模型進(jìn)行了改進(jìn)并提出Realizablek-ε湍流模型，并且Realizablek-ε湍流模型適合的流動(dòng)類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流、腔道流動(dòng)、邊界層流動(dòng)和有分離的流動(dòng)等[13]。

1.5 英聯(lián)邦航空咨詢研究會(huì)高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型的驗(yàn)證

英聯(lián)邦航空咨詢研究會(huì)(commonwealth aviation advisory research conference，CAARC)高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型是以檢驗(yàn)各個(gè)模擬自然風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為目的的標(biāo)準(zhǔn)模型。其標(biāo)準(zhǔn)模型為45.72 m×30.48 m×182.88 m的矩形建筑物，模型表面平整光滑且無(wú)任何附屬物[17]。測(cè)點(diǎn)布置在建筑物2/3高度處，布置20個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，如圖2所示。CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型和新疆大劇院周圍流場(chǎng)發(fā)展均屬于鈍體繞流，故對(duì)于符合CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)洞試驗(yàn)值的模擬計(jì)算方法同樣也適用于新疆大劇院。

(a) 模型尺寸 (b) 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用CFD數(shù)值模擬方法分別選擇剪切應(yīng)力傳輸(shear stress transfer，SST)k-ω湍流模型、Realizablek-ε湍流模型和雷諾應(yīng)力模型(Reynolds stress model，RSM)，計(jì)算不同湍流模型下建筑表面的風(fēng)壓系數(shù)，并與CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬方法結(jié)果的可靠性，同時(shí)選擇出最接近試驗(yàn)值的湍流模型。

使用FLUENT軟件設(shè)置計(jì)算模型表面和地面為無(wú)滑移壁面(wall)，計(jì)算域頂部和兩側(cè)選擇對(duì)稱邊界模擬自由滑移壁面邊界條件(symmetry)；出口處為自由出流(outflow)；入口處設(shè)置指數(shù)率的速度入口(velocity-inlet)[1]，參考高度處的風(fēng)速取模型頂部182.88 m的試驗(yàn)風(fēng)速11.7 m/s，α=0.16為B類粗糙地面指數(shù)。速度入口處的湍動(dòng)能K(單位J)、湍動(dòng)比耗散率ω和湍流強(qiáng)度I參考日本規(guī)范[18]取值，如式(4)～式(6)所示：

(4)

(5)

(6)

圖3為不同湍流模型下各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)值的比較。由圖3可以看出：SSTk-ω湍流模型和Realizablek-ε湍流模型均與試驗(yàn)值較為接近，但在15～20號(hào)測(cè)點(diǎn)(側(cè)壁面處測(cè)點(diǎn))的風(fēng)壓系數(shù)中，Realizablek-ε湍流模型更接近試驗(yàn)值，說(shuō)明Realizablek-ε湍流模型對(duì)來(lái)流風(fēng)在側(cè)壁面處發(fā)生分離和因分離產(chǎn)生的渦流的模擬更加符合真實(shí)情況。

圖3 不同湍流模型下的風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)值的比較

2 異型建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)研究

2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

新疆大劇院屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感的半球形大跨結(jié)構(gòu)，大劇院由一個(gè)內(nèi)殼和兩個(gè)外殼組成，如圖4所示，其主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)141.4 m，寬113.4 m，高73.6 m；主體結(jié)構(gòu)下為一個(gè)長(zhǎng)255 m、寬212 m、高6.3 m的平臺(tái)。本文將新疆大劇院實(shí)物進(jìn)行合理簡(jiǎn)化并按照原尺寸建立三維幾何模型。

圖4 新疆大劇院

取CFD流場(chǎng)計(jì)算域高度為建筑物主體最高點(diǎn)的4倍；入口處與建筑物距離為建筑寬度的7倍；出口處與建筑物距離為建筑寬度的14倍；計(jì)算域的兩側(cè)與建筑物的距離為建筑物長(zhǎng)度的7倍[19]。

整個(gè)流場(chǎng)采用局部加密的六面體網(wǎng)格劃分，以保證計(jì)算結(jié)果的精度，新疆大劇院殼體和底部平臺(tái)幾何模型及網(wǎng)格如圖5所示。模型計(jì)算域中的網(wǎng)格大約為3×106個(gè)。

2.2 新疆大劇院周圍流場(chǎng)分析

圖6為橫向來(lái)風(fēng)時(shí)新疆大劇院周圍風(fēng)速矢量圖。由圖6可以看出：來(lái)流風(fēng)在撞擊正迎風(fēng)面時(shí)，在下部產(chǎn)生空氣回流，使下部來(lái)流風(fēng)速減??；同時(shí)空氣在整個(gè)建筑物頂部發(fā)生分離和再附著；空氣在整個(gè)建筑兩側(cè)生成兩股剪切流，并在建筑物背部發(fā)生空氣回流，在背風(fēng)面處形成渦流；隨著尾流與建筑之間的距離增大，流場(chǎng)分布漸漸復(fù)原。

圖7為縱向來(lái)風(fēng)時(shí)新疆大劇院周圍風(fēng)速矢量圖。由圖7可以看出：來(lái)流風(fēng)在撞擊正迎風(fēng)面時(shí)，在下部產(chǎn)生空氣回流，使下部來(lái)流風(fēng)速減?。粊?lái)流風(fēng)沿著壁面向上發(fā)展，在頂部產(chǎn)生分離和再附著，但由于頂部截面的變化又在屋頂處成渦流；同時(shí)空氣在整個(gè)建筑物頂部發(fā)生分離和再附著；建筑兩側(cè)的剪切流在建筑物背部發(fā)生空氣回流，在背風(fēng)面處形成渦流。由圖6和圖7可知：在橫向和縱向來(lái)流風(fēng)下，大劇院周圍流場(chǎng)分布都符合鈍體繞流現(xiàn)象。

2.3 不同風(fēng)向角下異型建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)分析

風(fēng)向角示意圖如圖8所示。根據(jù)烏魯木齊地區(qū)北向(45°風(fēng)向角)和西北向(0°風(fēng)向角)風(fēng)速最大及西向(45°風(fēng)向角)和東北向(90°風(fēng)向角)風(fēng)頻最大，選擇如圖8所示的0°、45°、90°、135°和180°這5個(gè)方向，取烏魯木齊地區(qū)平均年最大風(fēng)速30.98 m/s計(jì)算體型系數(shù)。

不同風(fēng)向角下的體型系數(shù)分布圖見(jiàn)圖9。

由圖9a可知：在0°風(fēng)向角下，迎風(fēng)面處受風(fēng)壓力，最大正體型系數(shù)為0.60，出現(xiàn)在迎風(fēng)面處。體型系數(shù)順著來(lái)流方向不斷減小，逐漸變?yōu)樨?fù)值，在屋面處受風(fēng)吸力作用，體型系數(shù)達(dá)到最大負(fù)值-1.53，在背風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)逐漸增大，但仍受風(fēng)吸力作用。0°風(fēng)向角下，平臺(tái)受較小的風(fēng)吸力作用。

由圖9b可知：在45°風(fēng)向角下，來(lái)流風(fēng)的發(fā)展符合實(shí)際物理情況下風(fēng)繞建筑的流動(dòng)特性，最大正體型系數(shù)為0.60，出現(xiàn)在迎風(fēng)面處；最大負(fù)體型系數(shù)為-1.23，出現(xiàn)在屋面。在內(nèi)殼處出現(xiàn)了體型系數(shù)的不規(guī)則分布，這是由于在順風(fēng)方向下內(nèi)外殼的兩處截面突變?cè)斐傻?，?nèi)殼處不規(guī)則的體型系數(shù)分布形成了“左頂右吸”的疊加效果，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。

由圖9c可知：在90°風(fēng)向角下，迎風(fēng)面最大正體型系數(shù)為0.60，屋面最大負(fù)體型系數(shù)為-0.84。因內(nèi)外殼連接處截面的變化，內(nèi)殼頂部的風(fēng)荷載體型系數(shù)一側(cè)受風(fēng)壓力，另一側(cè)受風(fēng)吸力，形成“左壓右頂”的對(duì)結(jié)構(gòu)不利的風(fēng)壓分布。

由圖9d可知：在135°風(fēng)向角下，最大正體型系數(shù)為0.60，出現(xiàn)在迎風(fēng)面處；最大負(fù)體型系數(shù)為 -1.23，出現(xiàn)在屋面。因風(fēng)向與建筑之間呈一定角度，在內(nèi)殼處出現(xiàn)風(fēng)壓系數(shù)不規(guī)則分布的現(xiàn)象，這是由于在順風(fēng)方向下內(nèi)外殼的兩處截面突變?cè)斐傻模瑑?nèi)殼處出現(xiàn)了“左頂右吸”的疊加效果，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。

由圖9e可知：在180°風(fēng)向角下，最大正體型系數(shù)為0.60，出現(xiàn)在迎風(fēng)面和背風(fēng)面平臺(tái)處，這是由于內(nèi)外殼截面的突然變化形成凹陷空間，形成了局部的“狹管效應(yīng)”，所以在背風(fēng)面平臺(tái)處體型系數(shù)達(dá)到0.60。

在不同的風(fēng)向角下，最大負(fù)體型系數(shù)均位于屋頂頂部，最大正體型系數(shù)均出現(xiàn)在迎風(fēng)面。隨著風(fēng)向角從0°到180°的變化可以看出：不同風(fēng)向角下風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布都符合流場(chǎng)中風(fēng)壓分布的規(guī)律，并且在180°風(fēng)向角下，屋頂處負(fù)壓面積最大，結(jié)構(gòu)表面的體型系數(shù)分布最不利。參照規(guī)范，將新疆大劇院建筑結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖10。給出180°風(fēng)向角下建筑結(jié)構(gòu)外殼和內(nèi)殼的體型系數(shù)的建議取值，表1為外殼風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值，表2為內(nèi)殼風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值。

(a) 外殼

表1 180°風(fēng)向角下新疆大劇院外殼風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值

表2 180°風(fēng)向角下新疆大劇院內(nèi)殼風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值

3 結(jié)論

(1)CFD數(shù)值模擬結(jié)果可靠，且Realizablek-ε湍流模型能夠很好地模擬真實(shí)湍流的發(fā)展情況。來(lái)流風(fēng)撞擊迎風(fēng)面在屋頂處氣流發(fā)生分離和再附著；在迎風(fēng)面下部產(chǎn)生空氣回流；建筑兩側(cè)的剪切流在建筑物的背面發(fā)生回流現(xiàn)象，并在背風(fēng)面產(chǎn)生渦流。隨著尾流和建筑物之間距離的增加，流場(chǎng)的分布逐漸恢復(fù)，新疆大劇院周圍流場(chǎng)符合鈍體繞流現(xiàn)象。

(2)在180°風(fēng)向角下，由于內(nèi)外殼截面變化形成了局部的“狹管效益”，造成局部風(fēng)荷載體型系數(shù)的增加，對(duì)類似異型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意這種由于結(jié)構(gòu)外形造成的局部風(fēng)荷載體型系數(shù)的增加。45°、90°和135°風(fēng)向角下，由于內(nèi)外殼截面變化造成的局部風(fēng)荷載體型系數(shù)變化分布復(fù)雜，形成了“左頂右吸”的對(duì)建筑結(jié)構(gòu)不利的疊加效果，對(duì)類似異型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意這種由于結(jié)構(gòu)外形造成的局部風(fēng)荷載體型系數(shù)的復(fù)雜變化。

(3)在不同的風(fēng)向角下，新疆大劇院迎風(fēng)面承受最大正壓，屋頂均承受最大負(fù)壓，因此在類似異型建筑中承受巨大正壓和負(fù)壓的壁面應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。取180°時(shí)為其最不利的風(fēng)向角，故以180°風(fēng)向角為例，參照規(guī)范，給出180°風(fēng)向角下建筑結(jié)構(gòu)外殼和內(nèi)殼的體型系數(shù)的建議取值，為類似異型建筑的風(fēng)荷載取值和抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。