風(fēng)車形屋面風(fēng)荷載特性分析

摘要：以成都某大型展覽中心為項目背景，針對其大跨風(fēng)車形屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，考慮其周邊地形影響，采用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型進行了數(shù)值風(fēng)洞試驗，分析了36個風(fēng)向角下屋面風(fēng)壓系數(shù)分布和體型系數(shù)特性。結(jié)果表明：來流方向?qū)ξ萆w風(fēng)壓分布影響較大，屋蓋在風(fēng)荷載作用下風(fēng)吸為主，特定風(fēng)向角下體型系數(shù)較大；結(jié)構(gòu)檐口、屋脊等處具有強分離作用，風(fēng)壓梯度較大，在設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注。

關(guān)鍵詞：大跨屋蓋； 數(shù)值風(fēng)洞； 風(fēng)壓系數(shù)； 體形系數(shù)

中圖分類號：TU312+.1文獻標(biāo)志碼：A

0引言

由于經(jīng)濟文化的發(fā)展，人們對建筑的外觀和室內(nèi)功能要求日漸提高，建筑物的規(guī)模和跨度越來越大，大跨結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于如劇院、體育場館、會議展覽中心和廠房等工、民用建筑中［1］。大跨結(jié)構(gòu)為了滿足在其跨度下的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性要求，通常使用質(zhì)量輕，且強度高的材料，導(dǎo)致這類結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、柔性大，加之多數(shù)建筑幾何形狀復(fù)雜，因此對風(fēng)荷載非常敏感。

目前，針對大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究已經(jīng)較為成熟，得益于計算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展，數(shù)值風(fēng)洞現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于對建筑風(fēng)荷載的研究，通過建立建筑物和周邊環(huán)境的足尺計算模型模擬真實的建筑風(fēng)場，能有效地縮短試驗周期，節(jié)約研究成本，現(xiàn)已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)的重要研究手段。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對各種大跨建筑結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值風(fēng)洞相關(guān)研究。陳肖笑［2］使用ANSYS CFX軟件，基于SST k-ω湍流模型，對馬鞍形索大跨結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布規(guī)律和不同風(fēng)向角下風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律進行了研究；王世方［3］基于實際工程，使用FLUENT軟件對復(fù)雜空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，得到了結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下不同分區(qū)的風(fēng)壓體型系數(shù)。李銀龍［4］以實際工程三國演藝中心為背景，結(jié)合風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬，對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)，并分析了平均風(fēng)壓系數(shù)隨幾何參數(shù)的變化，得到當(dāng)建筑長寬比為定值時，結(jié)構(gòu)的矢跨比對屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響。

本文以成都市某展覽中心為背景，使用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型對展覽中心風(fēng)車狀復(fù)雜空間曲面屋蓋的風(fēng)荷載特性進行分析。

1計算模型

1.1幾何模型

擬建的大型展覽中心總建筑面積3 385 m2，建筑總高度22.4 m，幾何模型如圖1所示。建筑外形為風(fēng)車狀，為復(fù)雜空間曲面造型，其平面、立面都極其不規(guī)則，并存在大空間、大懸挑、大角度斜向受力構(gòu)件等多種結(jié)構(gòu)不利因素，造成整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點在風(fēng)荷載作用下受力極其復(fù)雜。

1.2湍流模型

數(shù)值計算采用RNG k-e湍流模型對流場湍流進行模型，邊界條件入口需給定對應(yīng)的湍動能k、湍動能耗散率ε和指定耗散率ω， 其表達式分別為式（1）～式（3）。

k（z）=1.5×［u（z）×I（z）］2（1）

ε（z）=（u3*）κ×（z+zs）（2）

ω（z）=ε（z）Cu×k（z）（3）

式中：κ為馮卡門常數(shù)，取值為0.41;zs 為氣動粗糙高度，對于B類地貌其取值為0.05 m;u為地表摩擦風(fēng)速，其取值為2.7 m/s;Cu為常數(shù)，一般為0.09；I（z）為高度z處的湍流強度，可按日本規(guī)范（AJI）取見式（4）。

I（z）=c（z10）-d（4）

式中：c和d為地面粗糙度相關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，c取0.204，d取0.2。

1.3計算流域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)模型幾何特征，將計算流域從內(nèi)之外劃分為兩個個流域，并設(shè)置不同的網(wǎng)格尺度，各流域之間數(shù)據(jù)傳遞通過設(shè)置interface面來實現(xiàn)。整個計算域尺寸見圖2，其大小為1 360 m（x）×1 760 m（y）×350 m（z）。

采用ICEM和FLUENT MESHING對整個計算流域進行網(wǎng)格劃分。采用不同的網(wǎng)格尺度對各流域進行空間離散，對于內(nèi)流域，設(shè)定最大網(wǎng)格尺度為1.0 m，建筑表面最大尺度為0.02 m，其中屋面風(fēng)壓是重點關(guān)注區(qū)域，設(shè)定其最大網(wǎng)格尺度為0.02 m，網(wǎng)格從密向疏轉(zhuǎn)化的尺度膨脹因子為1.2。外流域指定的最小網(wǎng)格尺度分別為1 m，最大網(wǎng)格尺度分別為5 m，網(wǎng)格圖示見圖2。

1.4邊界條件設(shè)置

邊界條件對計算結(jié)果起控制作用，A. G. Davenport［5］提出平均風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)描述，即式（5）。

（z）b=zzbα（5）

式中：zb，b為標(biāo)準(zhǔn)參考高度和標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的50年重現(xiàn)期平均風(fēng)速；z，（z）為任一高度和任一高度處的平均風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)；

參照我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［6］對流域的各個邊界進行指定，參照項目實際坐落位置，地面粗糙度類別為B類，α=0.16，參考高度10 m處風(fēng)速取為22 m/s。

其余邊界條件設(shè)置：流域出口采用壓力出口，總壓0 Pa，參考壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。兩側(cè)及上部邊界面采用對稱邊界。建筑表面及地面采用無滑移粗糙壁面。

1.5風(fēng)向角及工況設(shè)置

主體建筑俯視圖呈風(fēng)車狀，根據(jù)幾何特征，將其先劃分為A，B，C、D四個部分，如圖3所示。為體現(xiàn)建筑在不同方向來流下的荷載變化狀況，在0～360°的區(qū)間內(nèi)，每隔10°劃分風(fēng)向角，并提取模型表面的風(fēng)壓系數(shù)和建筑體型系數(shù)。0°風(fēng)向角在計算坐標(biāo)系中為+y方向，風(fēng)向角繞z軸沿逆時針旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)荷載風(fēng)壓系數(shù)是常用的用于衡量建筑結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的參數(shù)，定義為式（6）。

Cpi=pi－pH12ρV2H（6）

式中：VH為屋蓋頂部高度處的平均風(fēng)速；pH為該高度處參考靜壓；pi為給定點處的風(fēng)壓；ρ為空氣密度。

體型系數(shù)是風(fēng)壓系數(shù)S在建筑表面區(qū)域內(nèi)的加權(quán)平均值，由式（7）確定。

S=∑NiCPiAi∑NiAi（7）

式中：Ai表示編號為i的單元面積，N表示該分區(qū)面積上所包含的所有單元數(shù)。

2計算結(jié)果與分析

計算結(jié)果表明，對于A分區(qū)，迎風(fēng)面最不利局部體型系數(shù)約為-2.7。對B分區(qū)，迎風(fēng)面最不利體型系數(shù)約為-3.29。對C分區(qū)，迎風(fēng)面最不利局部體型系數(shù)約為-2.32。結(jié)構(gòu)中部的迎風(fēng)側(cè)以正壓為主，其局部體型系數(shù)超過+1.0；背風(fēng)側(cè)則以負壓為主，其體型系數(shù)普遍在-0.2～-1.1之間，特殊風(fēng)向角下存在小于-1.7的情況。

為了全面了解屋蓋表面總體風(fēng)壓分布特點，給出了幾個典型風(fēng)向角下屋蓋的風(fēng)壓系數(shù)分布圖，以0°、70°、100°風(fēng)向角為例。

在0°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖4所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，負壓主要出現(xiàn)在屋蓋邊緣分離處、背風(fēng)面屋蓋處以及處于湍流漩渦下處的屋蓋區(qū)域，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處，但需要注意的是，由于主體結(jié)構(gòu)幾何較為復(fù)雜，因此負壓區(qū)的分布較為復(fù)雜，需要根據(jù)不同風(fēng)向角具體位置具體分析。正壓則主要出現(xiàn)在迎面屋蓋位置。

在70°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5所示。屋蓋背風(fēng)面整體為負壓；A區(qū)迎風(fēng)面中部和靠近A、B區(qū)分界線位置以正壓為主，邊緣位置出現(xiàn)負壓；B區(qū)屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，迎風(fēng)面處由于幾何較為復(fù)雜，B區(qū)屋蓋邊緣和A、B區(qū)分界棱邊處分離現(xiàn)象很強，負壓較大，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處。

在100°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布圖如圖6所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)；A、B區(qū)迎風(fēng)面邊緣分離現(xiàn)象較強，呈現(xiàn)出較大的負壓；屋蓋D區(qū)幾何形狀較為復(fù)雜，在來流作用下形成空腔，因此，D區(qū)背風(fēng)面呈現(xiàn)了較大的負壓，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處。

在350°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖7所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，A、C區(qū)迎風(fēng)面邊緣呈現(xiàn)出較大的負壓，背風(fēng)面整體呈現(xiàn)負壓，最不利位置出現(xiàn)在A、C區(qū)邊緣。

3結(jié)論

展覽中心整體結(jié)構(gòu)設(shè)計取值可參考屋面局部風(fēng)壓系數(shù)的極值分布，在各風(fēng)向角下，綜合屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)，各個屋蓋以風(fēng)吸力作用為主，個別屋蓋在特殊風(fēng)向角下存在較大的負壓作用，尤其在風(fēng)向角為0°，70°～100°和350°工況下，體型系數(shù)取值較大，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意。同時，屋蓋部分迎風(fēng)面的氣流在屋蓋翹曲的邊緣處出現(xiàn)了較強的分離現(xiàn)象，風(fēng)壓梯度較大，需注意強分離點的負壓取值。

參考文獻

［1］沈世釗.大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展——回顧與展望［J］.土木工程學(xué)報，1998（3）：5-14.

［2］陳肖笑.馬鞍形索網(wǎng)屋蓋的風(fēng)荷載特性分析［J］.四川建筑，2019，39（2）：235-237+242.

［3］王世方. 復(fù)雜空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)值風(fēng)洞分析研究［D］. 北京：北京建筑大學(xué)，2022.

［4］李銀龍. 大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗研究［D］.西安：長安大學(xué)，2020.

［5］DAVENPORT A F. The relationship of wind structure to wind loading［C］//Proc. Conf. on Wind Effects on Buildings & Structures， HMSO. 1965， 54

［6］中國建筑科學(xué)研究院主編. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)， 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB 50009－2019［S］. 2019 版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［作者簡介］謝濟陽（1996—），男，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。