基于數值風洞的結構氣動選型與風荷載計算

潘鈞俊

(上海現代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

基于數值風洞的結構氣動選型與風荷載計算

潘鈞俊

(上海現代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

數值風洞模擬相對于風洞實驗具有計算周期短、實施成本低的特點，并且對結構平均風荷載的模擬具有較高的精度、計算結果比實驗結果更完備。數值風洞技術的以上優點使其非常適用于建筑結構前期的氣動選型與優化。本文以撫順生命之環為例，展示了數值風洞技術在結構氣動選型方面的特點，并給出了最終方案的風荷載結果。

數值風洞;氣動選型;風荷載;抗風設計

1 前言

隨著計算機技術和湍流模型的發展，數值風洞模擬已經越來越多地應用于建筑結構風荷載研究中［1-5］，并成為除了風洞試驗這一傳統手段之外的另一種可靠的結構風荷載分析手段。與傳統的風洞試驗相比，在定常計算方面，數值模擬具有成本低、周期短、效率高等方面優點;并且數值模擬不受模型尺度的影響，可進行全尺度模擬，在一定程度上可以克服試驗中難以滿足雷諾數相似的困難;并且可以方便地變化各種參數，以研究不同參數的影響。隨著計算機軟硬件技術的迅速提高，這一方法將越來越顯示其優勢。應用數值風洞技術進行結構風荷載的數值模擬是結構抗風研究極具前景的途徑。

而建筑結構的氣動選型，通常需要進行多種體型的分析對比，應用傳統的風洞試驗，需要頻繁的更改試驗模型，其耗費極大，并且試驗周期無法保證。綜合數值風洞技術的上述特點，對于結構氣動選型研究方面，其具有獨特、突出的優點。

本文結合數值風洞技術對撫順經濟開發區的生命之環結構進行數值計算以及氣動參數對比，給出方案的對比優缺點，并對最終結構方案進行數值風洞模擬，給出最終方案的計算結果。

2 項目概況

本項目選址位于遼寧省沈陽市與撫順市之間的沈撫新城經濟開發區。本項目由上部空間鋼結構圓環及下部鋼筋混凝土基座構成(如圖1所示)，結構坐落于人工湖面上的觀光景觀建筑。本工程為變截面的鋼結構空間管桁架，管桁架底部與鋼筋混凝土底座為鉸接連接(如圖2所示)。

生命環項目以四種截面形式作為備選方案，分別為三角形截面、扭轉三角型截面、四邊形截面以及扭轉四邊形截面。擬通過數值風洞技術對四種截面的風荷載特性進行對比分析，獲取最佳方案，并為最終的設計方案參考。具體截面形式如圖3所示。

3 數值風洞模型

數值風洞模型應合理地對大氣邊界層風場進行模擬，并考慮周邊建筑物及周邊大面積人工湖的影響，模型應包括附近半徑為500m范圍的其它建筑物。生命之環周邊建筑分布情況如圖4所示。

圖4 生命之環周邊建筑分布圖

本項目數值風洞長6 000m，寬300m，高400m。數值風洞網格模型如圖所示，圖中對設計關注的生命環以及生命環周邊湖面、地面進行了局部網格加密。

本文選擇Realizablek－ε模型進行計算。相對于標準k－ε模型，Realizablek－ε模型模擬精度好，特別是對尖銳棱角的頂部復雜流動區域，湍動能的模擬與試驗更接近［5］。RSM雷諾應力模型放棄了渦粘性系數假設，直接采用微分形式的輸運方程計算雷諾應力，計算量大，也使收斂較困難，而Realizablek－ε模型計算量則相對小很多，收斂性和計算精度也較好。

數值風洞的入口、出口、側面和地面，各自的邊界條件如下:

1、入口

入口定義來流的平均風速和湍流強度。根據本工程周邊條件，選為B類地面粗糙度類別，按100年重現期，取基本風壓取0.6 kN/m2。按我國荷載規范［6］，平均風速剖面為:10 m以下，平均風速為31.30 m/s;10 ～350 m，平均風速為 31.30 × (z/10)0.16m/s;我國規范對湍流強度無規定，本工程參考國外有關規定，5 m以下湍流強度為0.23;5～350 m湍流強度為 0.1 × (z/350)－0.20。

2、出口采用壓力出口pressure-out。

3、頂面和側面采用對稱邊界條件symmetry。

4、地面和建筑物壁面采用無滑移壁面wall。

數值風洞模擬的風向角如下所示。在四種截面對比時，分別考慮 0°、90°、180°以及 270°等 4 個風向角。

圖6 風向定義示意圖

4 計算結果

4.1 四種截面對比分析

通過數值計算，獲得了生命之環的四種截面在4個風向角下的合力(矩)，見表1－4。

從計算結果比較可以得到，在不同風向角下不扭轉四邊形截面的X向、Y向絕對值最大合力、合力矩分別為 2.98e6N、4.44e6N、3.47e8 N.m、1.98e8N.m，除Y向合力矩比不扭轉三角形截面大0.5%外，其它值均為四類截面生命環中受力最小。因此，從平均受力角度看，不扭轉四邊形截面生命環的氣動外形受力最優。

表1 不扭轉三角形截面平均風荷載合力(矩)

表2 扭轉三角形截面平均風荷載合力(矩)

表3 不扭轉四邊形截面平均風荷載合力(矩)

表4 扭轉四邊形截面平均風荷載合力(矩)

分析以上結果可以得到，以氣動最優的不扭轉四邊形截面生命環作為對比，不扭轉三角形截面順風向風荷載合力與不扭轉四邊形截面的風荷載合力在 0°、180°風向角時約為 1，在 90°、270°風向角時分別為1.1與1.06;而扭轉三角形截面以及扭轉四邊形截面與不扭轉四邊形截面的計算結果比值分別為 1.09、1.04、1.18、1.33 與 1.04、1.06、1.25、1.37。因此，就氣動特性來說，不扭轉三角形截面僅次于不扭轉四邊形截面。就合力矩對比結果，仍然是不扭轉四邊形截面，不扭轉三角形截面次之。

根據以上四種對比結果，總體而言，不扭轉四邊形截面最優，不扭轉三角形截面與其差異較小。建筑師根據本次數值風洞計算結果，并綜合其他考慮，選擇不扭轉三角形截面作為撫順生命之環的最終截面形式。并對其進行了尺寸修改，增大了生命環內徑，生命環截面尺寸相應減小，生命環迎風面積減小約5%。減小結構迎風面積，可有效降低結構的風荷載合力。

4.2 最終方案的計算結果

根據最終截面方案，通過數值風洞計算，給出了0°～360°間間隔45°的8個風向角下的生命環風荷載計算結果。以下表5給出了生命環在平均風荷載作用下的基底風荷載合力(矩)。

從計算結果比較可以得到:

生命環X向基底剪力Fx及其基底彎矩My在0°風向角時最大，分別為 2.79E6N、1.71E8N.m，略高于180°風向角時的計算值。

生命環Y向基底剪力Fy及其基底彎矩Mx在90°風向角時最大，分別為4.28E6N、3.49E8N.m，剪力與彎矩分別時270°風向角時的2倍與1.4倍，生命環北側建筑物的干擾與遮擋效應明顯，其影響不容忽略。

生命環的Z向最大向下風荷載合力為270°風向角時的1.13E6N、最大向上風荷載合力為180°風向角時的1.49E5N。

生命環水平扭矩在 45°風向角時最大，為8.92E7N.m。

最終方案在順風向風荷載合力與不扭轉四邊形截面的風荷載合力在0°、180°風向角時分別為0.94與 0.9，在 90°、270°風向角時分別為0.96與0.95，有效地降低了結構的風荷載特性。

表5 生命環基底風荷載合力(矩)

表6 生命環左右柱底風荷載合力

表7 生命環分塊體型系數極值

圖7 生命環分塊體型系數

數值風洞風荷載計算結果導入有限元模型進行靜力計算，得到了生命環環底左右兩側柱腳的風荷載合力。生命環方向約定以90°風向角為正視方向，并以此定義生命環左右側以及前后側。

表6給出了生命環左右柱底風荷載的合力。

生命環的平均風荷載以結構分塊體型系數的形式給出，共468個分塊。

表7給出了生命環最大分塊體型系數與最小分塊體型系數。圖7給出了90°、270°2個方向角下生命環分塊體型系數圖。由以下結果可見，結構表面負壓為主，為風吸力作用。

5 結論

應用數值風洞技術，對撫順生命之環四種備選截面形式進行了對比分析，依據計算結果對各截面進行了細致的對比分析。并對最終設計模型進行了分析。分析考慮了生命之環周邊建筑以及湖面對計算的影響。得到以下結論:

1)數值風洞技術適用于結構氣動選型與優化分析。本次數值風洞計算結果有效的支持了撫順生命之環的選型與最終定型。

2)生命之環的四種備選截面中，不扭轉四邊形截面氣動特性最優，不扭轉三角形次之。

3)最終改進后的不扭轉三角形截面方案，通過減小有效迎風面積，其氣動得到了改善，并優于原方案中的不扭轉四邊形截面方案。

數值風洞技術在結構平均風荷載計算方面的高精度以及其高效的計算效率可以很好的勝任結構氣動優化分析。本次撫順生命之環氣動選型的實踐對其他建筑結構氣動選型具有一定的參考價值。

［1］鄭德乾，顧明，周晅毅等，世博軸膜面平均風壓的數值模擬研究［J］，建筑結構學報，2009，30(5):212 －219.

［2］楊偉，顧明高層建筑三維定常風場值模擬 同濟大學學報 2003，6:649-651.

［3］ Meroney R N.Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth，rough and dual domes immersed in a boundary layer［J］.Wind and Structures，2002，5(224):347-358.

［4］陸鋒，樓文娟，孫炳楠.大跨度平屋面結構風洞試驗研究.建筑結構學報，2001，12:87-94.

［5］楊偉，顧明.高層建筑三維定常風場數值模擬［J］.同濟大學學報，2003，31(6):647-651.

［6］GB50009—2001建筑結構荷載規范［S］(GB50009—2001).

Numerical Simulation Researches on the Wind Loads and Optimization of Building Structures

Pan Junjun

(Shanghai Xiandai Architectural Design(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

Compare with the wind tunnel experiment，the virtual wind-tunnel simulation has many advantages，such as no experiment model，less design time and less implementation cost.In addition，the virtual wind-tunnel simulation has high accuracy in building's mean wind load and more detail than wind tunnel experiment.The advantages above make wind tunnel technology ideal for pre-selection and optimization of building structure.Taking the life ring of fushun as an example，this paper introduces the advantages of wind tunnel technology in structures'aerodynamic shape and shows results of wind load.

Numerical Wind Tunnel;Aerodynamic Design Optimization;Wind Load;Wind Resistant Design

TU312.1

A

1674－7461(2011)01－0067－06

潘鈞俊(1977－)，男，工學博士，工程師。主要從事結構抗風研究。E-mail:junjun_pan@xd-ad.com.cn