超高層建筑群風荷載干擾效應數值模擬

倪 忠 孫 毅

(1.重慶賽迪施工圖審查咨詢有限公司，重慶 400013;2.重慶科技學院，重慶 401331)

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，超高層建筑不斷在大城市中心出現，不但高度快速刷新，間距也不斷減小，許多省會、直轄市的金融中心地區都出現成片的超高層建筑群體。

我國現行荷載規范中，對于高層和超高層建筑風荷載的干擾效應并無明確規定，只是建議復雜干擾效應需要通過風洞試驗進行確定，對于干擾效應的具體規律和計算方法不可獲知。在國內外學術界，顧明、陳欽豪、黃鵬、樓文娟、謝壯寧、徐有恒、葉倩、陳穎釗等［1-8］學者對該問題進行了一定程度上的探討，但尚未獲得較為清晰的結論。

為了考察典型超高層建筑的基本干擾影響因素和特征，本文采用了計算流體動力學方法，在商業軟件FLUENT中建立了若干典型干擾模型，通過各種干擾工況下典型參數變化的計算結果，獲得了一些基礎性的干擾風荷載規律。

1 CFD模型

采用大型Computational Fluid Dynamics(CFD)商業軟件Fluent6.3進行計算模擬。它是由著名的計算流體力學軟件公司Fluent生產，可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。Fluent已經被廣泛應用于油/氣的生產、熱交換和通風、渦輪機械、材料處理、電子/HVAC行業、火災研究、汽車工業和航天航空以及建筑設計等領域。

Gambit是Fluent公司提供的配套前處理軟件，可以用來生成研究或者工程問題所需的幾何結構及其計算域網格，也可以在已知邊界網格條件下借助TGrid生成三角形、四面體或者混合型網格。

1.1 計算域

計算域是流體計算的區域，其大小決定了計算機時和計算精度。計算域過大，會導致網格數量過多，有可能造成無法計算;計算域過小，會使所計算的建筑表面風壓受計算域邊界影響較大，計算結果不具備足夠精度和可靠性。

對于高層建筑，通常的流域確定為:H為高層建筑高度，迎風向邊界距離建筑5H，側風向兩邊邊界距離建筑均為5H，背風向邊界距離建筑10H，流域高度5H。按此標準設置計算域，能保證普通流場中的普通高層建筑表面風壓計算準確。

1.2 邊界條件

來流邊界條件選用速度來流邊界條件(velocity-inlet):

大氣邊界層風速剖面:

湍流度剖面:

湍流參數:

其中，Cμ=0.09;l為湍流積分尺度，l=0.07L，L 為建筑物的特征尺寸。大氣邊界層風速剖面V(z)、湍動能k和湍流耗率ε采用Fluent提供的UDF(User-Defined Functions)編程與Fluent作接口實現。

流域頂部和兩側采用對稱邊界條件(symmetry)，等價于自由滑移的壁面。

出流面采用壓力出流邊界條件(pressure-outlet)。

建筑表面和地面采用無滑移的壁面條件(wall)，采用非平衡壁面函數模擬近壁面流動，且在地面引入粗糙壁面修正。

1.3 湍流模型

在本文求解中，選擇了Realizable k-ε模型，此種模型是標準k-ε模型的一種修正，被認為是解決邊界層流動和帶有分離的流動問題的有效模型。

1.4 模型網格劃分

采用非結構的四面體網格劃分整個流域。建筑物表面最小網格尺寸5 m，流域邊界最小網格尺寸50 m，整個流域自由劃分網格。每個模型單元總數為100多萬個。

2 單個建筑干擾隨距離的變化

干擾建筑和受擾建筑截面均為邊長50 m的正方形，高度均為300 m。干擾距離定義為建筑截面中心之間的距離，如圖1所示。

圖1 單個建筑干擾距離示意圖

分別考察以下工況:D=100 m，300 m，500 m，750 m，1 000 m，比較干擾距離對于受擾建筑表面風壓的影響。由于受擾建筑受影響主要體現在迎風面，因此本文中暫不討論側風面和背風面的干擾特性。

單個建筑以及各種干擾距離時迎風面風壓云圖如圖2所示，其中用以計算風壓系數的參考點高度為300 m。

從圖2各種工況的計算結果中可得到以下結論:

1)在受擾建筑與干擾建筑距離較近的情況下，由于風基本沒有直接作用在受擾建筑的迎風面，因此主要為負壓。特別在D=100 m的工況下，迎風面全部為負壓;隨著D的增大，逐漸在頂部開始出現正壓，隨后正壓區域之間擴大。

圖2 單個建筑以及各種干擾距離時迎風面風壓云圖

2)當干擾距離超過750 m時，干擾作用逐漸消失，受擾建筑迎風面風壓逐漸恢復到單個建筑時的大小和分布情況。

3 兩個干擾建筑隨干擾距離的變化

干擾建筑和受擾建筑的截面均為邊長50 m的正方形，其高度均為300 m。干擾距離定義為建筑截面中心之間的距離，如圖3所示。

圖3 兩個干擾建筑干擾距離示意圖

與單個建筑干擾相同，考察以下工況:D=100 m，300 m，500 m，750 m，比較干擾距離對于受擾建筑表面風壓的影響。

兩個干擾建筑各種干擾距離時迎風面風壓云圖如圖4所示，參考點高度為300 m。

從兩個干擾建筑的計算結果可看出:

1)在干擾距離較近時，如D=100，來流風可直接通過兩個干擾建筑之間的空間作用在受擾建筑迎風面，表面風壓系數和分布均幾乎與單個建筑時相同。

圖4 兩個干擾建筑各種干擾距離時迎風面風壓云圖

2)隨著干擾距離的增大，干擾建筑的遮擋作用也逐漸明顯，受擾建筑迎風面的風壓系數明顯減小，但是由于存在干擾建筑之間的狹縫，風仍然可以直接作用于受擾建筑，因此仍然保持為正風壓。

3)D超過750 m后，干擾作用逐漸消失。

4 結語

以矩形截面超高層建筑為例分析了干擾效應的一般規律，分別討論了單個干擾、兩個干擾、干擾數量這幾種不同的干擾工況參數對于受擾建筑表面風荷載的影響，其結果顯示:建筑干擾的影響主要體現在距離較近時的靜風壓遮擋，打亂迎風面的正風壓規律性，但干擾距離有限，一般在超過10倍建筑寬度以后，干擾效應逐漸消失。

［1］顧 明，周 印，張 鋒，等.用高頻動態天平方法研究金茂大廈的動力風荷載和風振響應［J］.建筑結構學報，2000(4):55-61.

［2］陳欽豪，吳太成.建筑群中建筑物間的相互氣動干擾［A］.第五屆全國風工程及工業空氣動力學學術會議論文集［C］.1998.

［3］黃 鵬，顧 明，張 鋒.上海金茂大廈靜風荷載研究［J］.建筑結構學報，1999，20(6):63-68.

［4］樓文娟，孫炳楠.復雜體形高層建筑表面風壓分布的特征［J］.建筑結構學報，1995，6(16):38-44.

［5］謝壯寧，石碧青，倪振華.尾流受擾下復雜斷面建筑物的風壓分布特征［A］.第九屆全國結構風效應學術會議論文集［C］.1999.

［6］徐有恒.姐妹樓雙塔相互干擾的風洞實驗研究［J］.結構風工程，1998(sup):46-51.

［7］葉 倩，朱 江，方正昌.群體效應對風壓分布的影響［A］.第九屆全國結構風效應學術會議論文集［C］.1999.

［8］陳穎釗，倪振華，石碧青，等.臨近高層建筑對大跨輕型屋面低矮房屋風荷載的影響研究［Z］.1997.