異型開敞屋蓋風(fēng)荷載與風(fēng)場特性數(shù)值模擬研究

康佳鑫

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上海 200011)

超高層、大跨屋蓋、大懸挑等建筑結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較為敏感。精確計算風(fēng)荷載是確保建筑安全的重要條件之一。我國相關(guān)規(guī)范提供了簡單造型建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù),對于復(fù)雜形體的建筑抗風(fēng)設(shè)計,其相關(guān)參數(shù)的獲取需要依靠風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬時間成本相對較低,并可獲取復(fù)雜建筑形體周邊的風(fēng)速矢量及流線圖,有利于分析建筑表面風(fēng)壓分布機(jī)理。目前,國內(nèi)已有較多工程使用Reynolds平均法(RANS)計算建筑的平均風(fēng)荷載,計算結(jié)果能夠滿足工程使用的精度要求。顧明等[1]采用RSM湍流模型計算了上海鐵路南站屋蓋結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)荷載。文志彬等[2]采用RNGk-ε湍流模型分析了某水雪綜合體的平均風(fēng)壓和流場分布,討論了屋蓋風(fēng)吸力產(chǎn)生的原因?；袅稚萚3]利用RNGk-ε湍流模型分析了不同建筑密度及建筑布置形式下穹頂屋蓋受周邊建筑的干擾影響。樓文娟等[4]、張四化等[5]采用Realizablek-ε湍流模型分別對不同的懸挑屋蓋風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并將結(jié)果與風(fēng)洞試驗進(jìn)行對比,證明了數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。孫芳錦等[6]、姜初偉等[7]采用數(shù)值模擬方法分析了不同建筑外形對自身風(fēng)荷載的影響,并提出了相關(guān)建議。

本文以某醫(yī)院開敞屋蓋為研究對象,采用Realizablek-ε湍流模型,通過數(shù)值模擬獲取了屋蓋周邊流場以及其表面風(fēng)荷載,并對比分析了該屋蓋及其簡化模型的風(fēng)荷載分布。

1 工程概況

某醫(yī)院建筑模型如圖1所示,其門診屋蓋為異型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),其中一部分位于門診頂部,形成封閉空間;另一部分位于主體建筑外,為異型開敞屋蓋,主要起雨棚的作用。異型開敞屋蓋的平面投影呈弧形,前端有四邊形缺口,類似門牙狀,主要尺寸如圖2所示。在不同風(fēng)向角下,該異型開敞屋蓋的下方氣流流通,根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范無法確定其自身風(fēng)荷載分布以及對后方建筑風(fēng)環(huán)境的影響。本文對該建筑進(jìn)行建模,通過數(shù)值模擬研究異型開敞屋蓋的表面風(fēng)荷載分布,為類似工程項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。文中屋蓋均指該異型開敞屋蓋。

圖1 某醫(yī)院的三維模型

(a)主視圖

(b)俯視圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計算域大小為4 500 m×2 000 m×500 m(長×寬×高),計算模型比例為11。采用區(qū)域分塊技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建筑周邊區(qū)域采用加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量總計約1 568萬,模型堵塞比小于3%,數(shù)值風(fēng)洞網(wǎng)格模型如圖3所示。

(a)數(shù)值風(fēng)洞計算域網(wǎng)格

(b)數(shù)值風(fēng)洞局部網(wǎng)格劃分

2.2 湍流模型及計算參數(shù)

在fluent軟件中,使用基于壓力的求解器,并采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解。數(shù)值模擬選用的Realizablek-ε湍流模型及非平衡壁面函數(shù)(Non-equilibrium Wall Functions)中,關(guān)于湍動能k和湍動耗散率ε的輸運(yùn)方程[8]為

(1)

(2)

式中:

圖4 風(fēng)向角β定義

計算域入口采用velocity-inlet,使用指數(shù)型風(fēng)速剖面。根據(jù)建筑周邊環(huán)境,確定地貌類型為B類,取該地百年一遇的風(fēng)壓0.7 kN/m2,入口的湍動能和湍動耗散率計算公式為

(3)

(4)

式中:Cμ取0.09;I為湍流強(qiáng)度;l為湍流積分尺度。

計算域出口采用pressure-out,頂面和側(cè)面采用symmetry邊界條件。地面和建筑物采用無滑移壁面wall。風(fēng)向角β定義如圖4所示,每間隔15°計算一次,共24個工況。

2.3 數(shù)據(jù)處理

屋蓋受到的總風(fēng)壓用內(nèi)外表面的壓力差表示。風(fēng)壓系數(shù)Cp的計算公式為

(5)

式中:Pu為屋蓋外表面的風(fēng)壓值;Pd為屋蓋內(nèi)表面的風(fēng)壓值;ρ為空氣密度;U為參考點(diǎn)風(fēng)速(10 m高度處風(fēng)速)。內(nèi)、外表面壓力方向以指向建筑物為正、離開建筑物為負(fù)。由Cp的計算公式可知,凈風(fēng)壓方向與外表面壓力方向一致。按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[9],則屋蓋的體型系數(shù)公式為

(6)

屋蓋為雙面受風(fēng),計算的體型系數(shù)為結(jié)構(gòu)兩面疊加后的凈值。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速矢量分布及分析

在0°、45°、90°、180° 4個典型風(fēng)向角下,屋蓋沿流向縱剖面的風(fēng)速矢量如圖5所示。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

當(dāng)屋蓋正面迎風(fēng)時(見圖5(a)),屋蓋前端與后方建筑距離相對較近且正面擋風(fēng)尺寸較大,近似形成了兩側(cè)開口的立方體結(jié)構(gòu),屋蓋與后方建筑之間形成回流漩渦,該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速很小,氣流出現(xiàn)阻滯對屋蓋下表面產(chǎn)生正壓。屋蓋立面內(nèi)、外風(fēng)壓相互抵消,使得迎風(fēng)面所受風(fēng)荷載較小;屋蓋上方氣流發(fā)生流動分離并產(chǎn)生漩渦;屋蓋弧形過渡區(qū)風(fēng)吸力較大;加之屋蓋下表面風(fēng)壓累加的風(fēng)荷載,對屋蓋結(jié)構(gòu)會更加不利。

當(dāng)屋蓋與來流風(fēng)斜交時(見圖5(b)),來流風(fēng)從側(cè)面開口進(jìn)入屋蓋下方,在屋蓋后方形成漩渦,由于氣流與屋蓋存在一定的夾角,可從另一側(cè)開口排出。屋蓋下部風(fēng)和來流風(fēng)風(fēng)速相當(dāng),而屋蓋上方轉(zhuǎn)角處的風(fēng)速較大。此時屋蓋上游到下游的體型系數(shù)有明顯的梯度變化,由正值變?yōu)樨?fù)值。

當(dāng)來流風(fēng)向與屋蓋橫向平行時(見圖5(c)),一部分風(fēng)順著屋蓋面流過,一部分風(fēng)從屋蓋與后方建筑之間的縫隙穿過。屋蓋下方氣流暢通,兩側(cè)風(fēng)速相近,此時屋蓋表面風(fēng)荷載相對較小。

當(dāng)屋蓋處于背風(fēng)側(cè)時(見圖5(d)),受后方建筑影響,屋蓋處于后方建筑的尾流區(qū),屋蓋斜上方迎風(fēng)。此時屋蓋與后方建筑之間仍有漩渦,下方風(fēng)速較慢,屋蓋立面風(fēng)壓很小。由于處于來流風(fēng)下游,且受到后方建筑的遮擋,此時屋蓋表面的風(fēng)荷載相對較小。

3.2 體型系數(shù)分布及分析

屋蓋在典型風(fēng)向角下的體型系數(shù)分布如圖6所示。由于周邊建筑物的干擾及屋蓋體型的不對稱性,屋蓋風(fēng)壓分布呈現(xiàn)明顯的風(fēng)向相關(guān)性特點(diǎn)。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

當(dāng)屋蓋正面迎風(fēng)時(見圖6(a)),屋蓋前端體型系數(shù)很小,大部分在0.1以內(nèi)。最不利的正體型系數(shù)出現(xiàn)在屋蓋端部迎風(fēng)處,為0.76;最不利的負(fù)體型系數(shù)出現(xiàn)在屋蓋轉(zhuǎn)角處,為-2.05。在屋蓋的弧形過渡區(qū),氣流發(fā)生分離再附,形成漩渦,此處受到較大吸力作用,且風(fēng)壓變化梯度較大。轉(zhuǎn)折后的平緩段體型系數(shù)較為穩(wěn)定,約為-0.6。屋蓋兩側(cè)端部風(fēng)壓比中間大,這與屋蓋的造型有關(guān)。當(dāng)β=0°時,屋蓋水平段受到風(fēng)吸力的主要原因是其背面的風(fēng)壓較大。

當(dāng)屋蓋與來流風(fēng)斜交時(見圖6(b)),來流風(fēng)斜著吹向屋蓋,屋蓋下方的氣流流通。下部漩渦在屋蓋背風(fēng)面產(chǎn)生正壓,其值大于屋蓋正面所受來流風(fēng)的直接壓力,這導(dǎo)致屋蓋前端整體受到較小的風(fēng)吸力作用。最大的負(fù)壓出現(xiàn)在正面迎風(fēng)處的屋蓋弧形過渡區(qū),該處的體型系數(shù)為-2.38。在屋蓋的右下方迎風(fēng)部分,主要受到風(fēng)壓作用,最不利的正體型系數(shù)為1.42。

當(dāng)來流風(fēng)向與屋蓋橫向平行時(見圖6(c)),來流風(fēng)順著屋蓋穿過。屋蓋兩側(cè)均受到風(fēng)吸力作用,但部分互相抵消。屋蓋的體型系數(shù)為0.34～-0.48,大部分區(qū)域為-0.2～0.2。從上游到下游,體型系數(shù)由正到負(fù)。

當(dāng)屋蓋處于背風(fēng)側(cè)時(見圖6(d)),所受風(fēng)荷載較小,體型系數(shù)為0.27～-0.67。由于屋蓋處于上游建筑的回流區(qū),兩側(cè)風(fēng)吸力相當(dāng),合風(fēng)壓較小,體型系數(shù)為0～0.1。在屋蓋的立面與水平轉(zhuǎn)折處,受到風(fēng)吸力作用,由于周邊環(huán)境的影響,體型系數(shù)的分布不對稱。

屋蓋的最不利正體型系數(shù)出現(xiàn)在β=270°,位于屋蓋左側(cè)邊緣,為3.16,最不利負(fù)體型系數(shù)出現(xiàn)在β=30°,位于屋蓋弧形過渡區(qū),為-2.88。不同風(fēng)向下屋蓋的最不利正、負(fù)體型系數(shù)分布分別如圖7、圖8所示。由圖7可知,屋蓋的大多數(shù)區(qū)域所受的正壓較小,其最不利正體型系數(shù)不超過0.4。但需要注意不同風(fēng)向角下引起屋蓋受正壓的原因是不同的。由圖8可知,屋蓋頂面區(qū)域始終受負(fù)壓作用,此區(qū)域的最不利負(fù)體型系數(shù)為-0.9～-1.3。需要注意不同風(fēng)向角下,屋蓋兩側(cè)邊緣所受的風(fēng)荷載變化較劇烈,而屋蓋前端開口附近所受的風(fēng)荷載變化相對較小,體型系數(shù)為0.8～-0.5。

圖7 不同風(fēng)向下屋蓋最不利正體型系數(shù)分布云圖

圖8 不同風(fēng)向下屋蓋最不利負(fù)體型系數(shù)分布云圖

3.3 簡化模型模擬分析

當(dāng)屋蓋正面迎風(fēng)時,所受風(fēng)壓較小,尤其是立面的風(fēng)荷載幾乎為零。為驗證此結(jié)果的正確性及其產(chǎn)生的原因,從屋蓋(后稱原模型)中提取了主要特征,并將曲面簡化為平面,建立了如圖9所示的“門牙”形屋蓋(簡稱簡化模型)。這個“門牙”與后方建筑形成近似立方體的空間,數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)參照2.2小節(jié)確定,模擬結(jié)果如圖10所示。

圖9 簡化模型及相關(guān)尺寸

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

由圖10可知:當(dāng)β=0°時,簡化模型的立面風(fēng)荷載與原模型一致,均較小,體型系數(shù)位于0.1以內(nèi)。此時氣流在屋蓋直角轉(zhuǎn)折處發(fā)生分離,導(dǎo)致風(fēng)荷載變化明顯,屋蓋平面受到風(fēng)吸力作用;當(dāng)β=45°時,簡化模型側(cè)面迎風(fēng),僅側(cè)面迎風(fēng)部分受到風(fēng)壓力作用,其余部分均受到風(fēng)吸力作用,最大正壓出現(xiàn)在迎風(fēng)邊緣處,此處氣流變化較為復(fù)雜,而最大負(fù)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)的直角轉(zhuǎn)折處;當(dāng)β=90°時,屋蓋與來流風(fēng)平行,體型系數(shù)大部分為-0.2～0.2,此時風(fēng)荷載的分布與原模型存在較大差異。體型系數(shù)在近風(fēng)側(cè)出現(xiàn)最不利負(fù)值,再逐漸向下游增大,這可能是由于簡化模型將屋蓋的弧形曲線改為了折線所引起的。

在原模型中,當(dāng)屋蓋正面迎風(fēng)時,立面的風(fēng)荷載較小,這不僅是由屋蓋前突的弧面造型引起的。當(dāng)建筑前方結(jié)構(gòu)與其形成兩面開敞的形式時,對后方建筑起到了遮擋作用,同時也影響了自身的風(fēng)荷載。簡化模型在正面迎風(fēng)時,側(cè)面形狀對其影響不大,其風(fēng)荷載分布趨勢與原模型類似。由于簡化模型不能正確地體現(xiàn)原模型的側(cè)面特征,因此在側(cè)面迎風(fēng)時,其結(jié)果與原模型存在較大差異。

4 結(jié)論

以某醫(yī)院異型開敞屋蓋為工程背景,基于計算流體力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論:

(1)屋蓋與主體建筑之間存在特殊的位置關(guān)系,導(dǎo)致屋蓋與后方建筑之間極易產(chǎn)生漩渦。當(dāng)屋蓋正面迎風(fēng)時,氣流受到堵塞,使得屋蓋立面風(fēng)荷載相對較小,體型系數(shù)約為0.1。當(dāng)側(cè)面迎風(fēng)時,氣流更為暢通,屋蓋表面風(fēng)壓主要表現(xiàn)為負(fù)壓。

(2)屋蓋的最不利正體型系數(shù)出現(xiàn)在β=270°,位于屋蓋邊緣,為3.16。而最不利負(fù)體型系數(shù)出現(xiàn)在β=30°,位于屋蓋弧形過渡區(qū),為-2.88。

(3)對于處于周邊建筑回流區(qū)的建筑,其風(fēng)荷載分布可能與經(jīng)驗值不同。因此,在周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下,需要考慮周邊建筑對新建建筑的影響,并通過風(fēng)洞試驗或數(shù)值模擬獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

(4)簡化模型的模擬結(jié)果具有一定的參考價值,在早期方案設(shè)計分析階段較為重要。