大型客運碼頭風荷載特性和風環境分析

李 波，楊慶山，侯亞委，陳愛國

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044）

近年來，隨著海島旅游資源的不斷開發利用，我國在海濱地區建設了一大批地標性大型客運碼頭，造型獨特的大跨屋蓋在這些客運碼頭中得到了廣泛應用。由于大跨屋蓋結構具有自重輕、柔性大、自振頻率低等特點［1－2］，風荷載往往是結構設計中的控制性載荷［3－4］；再加之海濱地區風場往往具有基本風壓大的特點，確定該類結構的風荷載特性，并對其風環境進行評估便成為該類建筑抗風設計及運營預警系統必不可少的內容之一。

唐山灣國際旅游島客運碼頭是唐山灣國際旅游島建設項目的地標性建筑，由一大二小呈品字形布置的貝殼形懸挑屋蓋與兩層弧形觀光平臺組成。其中，兩個小貝殼完全相同，并以大貝殼主軸為軸線左右對稱（圖1）。大貝殼屋蓋懸挑長度為72 m，小貝殼屋蓋為60 m。風荷載是唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋設計的控制性載荷，并且，碼頭局部風環境是影響其運營預警系統的主要指標。

圖1 唐山灣國際旅游島客運碼頭（單位：cm）Fig．1 Ferry terminal in Tangshan bay for island tourism（unit：cm）

本文以唐山灣國際旅游島客運碼頭為例，進行了海濱大型客運碼頭的剛性模型測壓風洞試驗［5－6］，結合計算流體動力學（CFD）數值模擬結果［7－8］，研究了客運碼頭大跨屋蓋的風荷載分布特性。在此基礎上，分析了屋蓋下方附屬建筑物對其風壓的影響，并對客運碼頭局部風環境進行了分析，為該類建筑的抗風設計與運營預警系統奠定基礎。

1 風洞試驗與數值模擬概況

1．1 風洞試驗［9－11］

本次試驗在北京大學力學與工程科學系低速風洞中進行，該風洞試驗段為圓形開口。在正式試驗前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結構荷載規范》（GB50009－2001）的規定，模擬了1／100的A類風場（地面粗糙度指數α＝0．12），風場平均風、湍流度剖面及脈動風速功率譜如圖2所示。

圖2中，z、Hg、U、Ug、α分別為高度、梯度風高度、風速、梯度風高度處風速和風速剖面冪指數。試驗模型為剛性模型，采用ABS材料和有機玻璃板制作。根據實際建筑物的大小和風洞試驗阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶100，風洞試驗模型如圖3所示。考慮到兩側小貝殼的對稱性，本次風洞試驗僅對大貝殼和一側小貝殼布設測點。采用雙面測壓技術，每個測壓貝殼的上、下表面對應位置各布置114個測壓點，共計456個測壓點，其中412個測點位于貝殼對風荷載敏感的屋蓋部分（圖4）。測點處設置測壓管，用來測量各點的瞬時風壓，為了獲得盡可能高的頻率響應，在連接測壓孔和掃描閥的每一根塑料管中均接有限流器。試驗采用美國Scanivalve公司機械掃描閥測壓系統，采樣頻率400 Hz，每個通道采樣點數為3 900。

風洞試驗中，風向角記為β，本文定義模型正南方向的中軸線為0°角（參見圖3）。在0°～360°范圍內每轉動10°測試一次，即模擬36個風向。

在結構風工程中，物體表面的壓力通常用對應于參考點的無量綱壓力系數表示，該系數可按下式確定：

式中：C為測壓點i處相應于參考點的壓力系數；Pi為作用在測點i處的壓力；P∞、P0分別是試驗中參考高度處的總壓與靜壓（本次試驗中，參考點設置在模型頂部高度處）。

本文風壓符號約定為：壓力向上或向外為負，壓力向下或向內為正。

圖2 試驗風場特性Fig．2 Flow characteristics in wind tunnel

圖3 風洞試驗模型Fig．3 Wind tunnel test models

圖4 測壓點布置Fig．4 Distribution of measured taps

1．2 數值模擬

應用CFD技術對建筑物表面的風壓進行數值模擬是當前風工程研究和應用的一個熱點。本文亦采用CFX計算流體動力學軟件［12］對唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋的平均風荷載進行了數值模擬，通過對比CFD數值模擬結果與風洞試驗結果，可達到相互驗證的目的。此外，借助數值可視化工具將流場顯示出來，可為進一步研究屋蓋周圍流場繞流特性和碼頭局部風環境奠定基礎。

在建立數值模型時，按照唐山灣國際旅游島客運碼頭的實際尺寸建立幾何模型，計算域的尺寸取為16L×8B×10H（L為建筑物的順風向長度，B為建筑物橫風向寬度，H為建筑物高度），其阻塞率小于3%。由于模型較為復雜，本文使用非結構化的四面體網格。在計算域的網格離散中做了特別設計：整體上將計算域分為內、外兩部分，在模型附近的內域空間采用四面體單元完成內域空間的離散；在遠離模型的外域空間，采用具有規則拓樸結構的六面體單元進行離散。數值模型的混合體網格單元總數為360萬左右。計算模型表面網格劃分如圖5所示。

圖5 數值分析模型Fig．5 Numerical analysis models

在數值模擬中，采用CFX中能有效模擬鈍體空氣動力流動現象、并經過大量實驗和研究驗證具有較高精度的剪切應力輸送（SST）模型［12］。SST模型采用自動壁面處理方式模擬壁面附近的流動，即使在相對較粗的計算網格下也可獲得精確的結果，保證了計算結果的準確性。來流采用我國規范《建筑結構荷載規范》（GB50009－2012）中規定的A類地貌風剖面。由于出流接近完全發展，數值模擬中采用完全發展出流邊界條件，流場任意物理量沿出口法向的梯度為零。流體域頂部及兩側采用對稱邊界條件，等價于黏性流動中的自由滑移壁面。建筑物表面及地面則采用無滑移的壁面條件。

2 屋蓋風壓分布特性

本節將基于風洞試驗與數值分析結果給出唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風壓分布圖，揭示該類結構風壓分布特性。

2．1 典型風向角風壓分布

圖6給出了0°風向角大貝殼平均壓力系數分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，屋蓋上表面數值模擬結果與試驗結果吻合較好，下表面所反映的風壓分布規律也基本一致，可以認為本文所采用的數值方法能夠模擬唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風壓分布。0°風向角時，屋蓋上表面均處于負壓（風吸）區，來流前緣平均壓力系數值最大，達到－1．5，且急劇衰減；隨著距離的增加，風壓衰減速度逐漸減緩，屋蓋中部平均壓力系數減小至－0．3；屋蓋后緣平均壓力系數基本保持不變，大致為－0．3。屋蓋下表面在來流前緣出現正壓區，并向里延伸，最大值達到0．6，屋蓋中部兩側下表面負壓達到最大，其值為－0．4。以上說明，來流在屋蓋前緣產生了顯著的分離，分離流表現出較為典型的柱狀渦特性［13－14］。

圖6 0°風向角大貝殼平均壓力系數分布圖Fig．6 Mean pressure coefficient distribution（Large Shell，0 degree）

圖7 給出了270°風向角小貝殼平均壓力系數分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，小貝殼上表面風壓分布規律和大貝殼相似，但是平均壓力系數數值明顯小于大貝殼，來流前緣最大負壓值僅為－1．1。下表面小貝殼平均風壓分布與大貝殼存在較大不同，正壓區出現在來流后緣，最大值僅為0．2，中部邊緣負壓最大，其值為－0．4。以上說明，位于上游的小貝殼遮蔽作用明顯，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定緩解。

為了更好地說明風壓分布規律，本文將貝殼屋蓋部分劃分為3個區域（圖4），在各個區域，將其中所包含的測壓點按面積加權平均即可得到屋蓋各區的平均壓力系數，該系數可按下式確定：

圖7 270°風向角小貝殼平均壓力系數分布圖Fig．7 Mean pressure coefficient distribution（Small Shell，270 degree）

式中為j區的平均壓力系數；分別為 j區所包含的測點i處上表面、下表面平均壓力系數；為j區所包含的測點i所代表的面積。圖8給出了大貝殼分區平均壓力系數隨風向角的變化曲線。由圖可以看出，隨著風向角的變化，位于屋蓋懸挑端部的1區均為風吸力；當風向角為0°時，其上平均壓力系數最大，達到－1．4；隨著風向角度數的增加，平均壓力系數逐漸減小；當風向角為90°時，平均壓力系數最小，僅為－0．1；進一步增加風向角，1區平均風壓系數基本維持在－0．2。在各個風向角作用下，2區和3區平均壓力系數基本相同，且隨風向角變化的規律性不強；需要注意的是，當風向角為0°～110°時，2區和3區均為風吸力，當風向角為120°～180°時，2區和3區均為風壓力。以上說明，0°風向角為最不利工況，1區風荷載是影響結構安全的主導因素；位于大貝殼下方的附屬建筑物對風壓分布有一定影響。

圖8 分區平均壓力系數隨風向角變化曲線Fig．8 Mean pressure coefficient in different wind directions

2．2 附屬建筑物對屋蓋風壓分布的影響

本節將采用數值方法，討論最不利工況時（0°風向角），不同附屬建筑物設置對大貝殼風壓的影響，從氣動抗風的角度，提出減小唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風致效應的建議。

圖9給出了兩層附屬建筑物（原始情況）、一層附屬建筑物、無附屬建筑物三種工況時，氣流流經大貝殼的速度流線圖。由圖可以看出，當設置兩層附屬建筑物時，來流在屋蓋前緣的分離最為劇烈；并且，由于屋蓋與附屬建筑物之間距離較小，受遮蔽效應的影響，來流在屋蓋根部產生回流。減小附屬建筑的高度后，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定程度的緩解，屋蓋根部回流消失。

圖9 大貝殼風場流線圖（0°風向角）Fig．9 Wind streamlines of large Shell（0 degree）

圖10 平均壓力系數（0°風向角）Fig．10 Mean pressure coefficient（0 degree）

圖10 給出了上述三種情況，屋蓋分區平均壓力系數分布圖。由圖可以看出，由于氣流分離程度得到了一定程度的緩解，減小屋蓋下方附屬建筑物的高度，可以有效的減小1區風荷載，但是，由于屋蓋根部回流消失，2區和3區風荷載有所增加。

對懸挑屋蓋而言，懸挑根部彎矩是其控制性載荷。風荷載作用下屋蓋懸挑根部O處彎矩系數可以采用下式計算：

式中表示為j區的平均壓力系數；Aj表示為j區面積；lj表示為j區荷載對O點的矩；L表示為屋蓋懸挑長度。

前述三種工況計算得到的屋蓋懸挑根部O處彎矩系數分別為：－0．366、－0．356、－0．328，這說明減小屋蓋下方附屬建筑物高度有利于減小屋蓋風荷載。

3 風環境分析

建筑物的布局會顯著影響局部風環境，在局部區域可能形成高風速區，這將引起行人不舒適，甚至不安全的風環境問題，海濱建筑尤甚。上節通過屋蓋風壓分布，驗證了本文數值模型的有效性，本節將采用數值方法對唐山灣國際旅游島客運碼頭風環境進行分析，為其運營預警系統奠定基礎。

3．1 分析方法［15］

風環境的主要感受對象是人，弧形觀光平臺是唐山灣國際旅游島客運碼頭主要人流聚集區，二層平臺風環境問題最為突出。本文在研究中以二層平臺為主要研究對象，鑒于平臺相對于大貝殼主軸軸線基本對稱，僅在平臺左半部分均勻布置了17個測點（圖11），用以考查唐山灣國際旅游島客運碼頭風環境。

圖11 平臺測點布置Fig．11 Measured points in platform

由于缺乏完善的當地氣象觀測數據，本文將主要依據風速比（計算所得要評價區域的風速與遠端同一高度的來流風速的比值）對二層觀光平臺的風環境進行評估分析。本文所進行的風環境分析在0°～360°范圍內，按氣象學規定每隔15°進行一次，即模擬24個風向（主要風向角仍與圖3相同）。

3．2 分析結果

圖12給出了平臺測點風速比均值、最大值、最小值隨風向角的變化曲線，圖13給出了風速比大于1．0（即產生風加速的區域）的測點所占比例隨風向角變化直方圖。

圖12 不同風向角下風速比值圖Fig．12 Rations velocity in the different wind directions

圖13 風加速區域比例直方圖Fig．13 Histogram of wind acceleration region ratio

由各測點風速比的均值變化看出，二層觀光平臺風加速情況整體而言不顯著，但從測點最大風速比變化可以看出二層觀光平臺的局部風加速情況較為突出。180°風向角時，各測點的平均風速比最大，其值為1．2，雖然該風向角最大風速比為1．4，但是風速比大于1．0的區域所占比例達到88%。最大風速比出現在210°風向角，其值達到1．55，風速比大于1．0的區域所占比例為76%。

圖14給出了180°和210°風向角時，二層平臺2 m高度處的風速比等值線圖。可以看出，由于氣流受到貝殼及附屬建筑物的阻礙，平臺區域的窄道效應顯著，位于來流方向平臺一半的區域風速比在1．2～1．4之間，風加速較為嚴重。

圖15給出了兩個典型測點A、B（圖11）的風速比隨風向角變化圖。由圖可見，位于平臺前端的測點A，風速比均小于1，當其位于來流前緣時（345°風向角），風速比最大，為0．81。而位于平臺中部的測點B，大多數風向角時風速比超過1．0，當其位于來流前緣（225°風向角）、后緣（45°風向角）時，風速比最大，其值達到1．5。這說明，距建筑較遠區域，風加速不顯著，甚至某些區域不產生風加速。但處于建筑范圍內的區域，無論其位于來流前緣還是后緣，都有風加速問題。因此，建筑物對氣流干擾是引起風加速的主要原因。

圖14 風速比等值線分布圖Fig．14 Rations velocity distribution

圖15 典型測點風速比隨風向角變化Fig．15 Wind velocity ratio in different wind directions

通過數值模擬還可以看出，唐山灣國際旅游島客運碼頭二層觀光平臺風環境問題較為突出。

4 結 論

本文以唐山灣國際旅游島客運碼頭為例，采用風洞試驗與CFD數值模擬相結合的方法，研究了大型客運碼頭屋蓋的風荷載特性，在此基礎上，對客運碼頭風環境進行了分析，可以得到如下主要結論：

（1）通過與風洞試驗結果對比可以看出，本文所采用的CFD數值模型可以較好的模擬復雜建筑群繞流問題，能對其風壓分布、風環境進行仿真模擬。

（2）位于客運碼頭屋蓋下方的附屬建筑物，對屋蓋風壓分布的影響較為顯著，減小附屬建筑的高度，可以緩解氣流在屋蓋前緣的分離，有效減小作用于屋蓋表面的風荷載。

（3）建筑物對氣流的干擾是引起風加速的主要原因，由于建筑布置較為緊密，唐山灣國際旅游島客運碼頭二層觀光平臺風環境問題較為突出。

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