綿竹市體育場風荷載和風環境數值模擬分析

龔敏鋒 楊律磊 朱尋焱

(蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，蘇州 215021)

綿竹市體育場風荷載和風環境數值模擬分析

龔敏鋒*楊律磊 朱尋焱

(蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，蘇州 215021)

綿竹市體育場的屋蓋結構由懸挑鋼屋面和落地飄帶組成，結構形式較為復雜，使得屋蓋表面風荷載分布和體育場風環境明顯不同于常規的體育場。文章通過計算流體力學(CFD)對該結構進行了模擬，分析了該結構在不同風向角下的風壓系數分布，討論了屋蓋開縫與否對風場的影響，并對體育場行人高度處的風環境進行了模擬評估。

計算流體力學, 風荷載, 開縫體型, 風環境

1 引 言

綿竹市體育中心體育場工程為江蘇省對口援建重點工程，整體結構是由下部兩層混凝土看臺及上部懸挑鋼屋面組成。屋蓋結構采用54榀正三角空間管桁架結構體系，環向采用通長三道平面桁架支撐和一道空間桁架支撐，每榀桁架落于前后兩根混凝土柱上；落地飄帶及延伸部分由兩部分組成，飄帶部分以兩榀空間扭曲的倒三角桁架為主受力體系，中間采用支撐桁架互相連接成整體，延伸部分采用10榀正三角空間管桁架結構體系，支撐于20根鋼管混凝土柱上(圖1)。

圖1 結構示意圖

由于結構形式較為復雜，使得體育場屋蓋的風壓分布及場內風環境明顯不同于常規的體育場，本文通過采用計算流體力學(CFD)方法對該結構進行了風荷載和風環境的數值模擬，分析比較了不同風向角下結構表面的風壓分布和屋蓋連接是否開縫的影響，并對體育場行人高度處的風環境進行了模擬評估。

2 CFD數值模擬方法

2.1 數值模擬原理

CFD的原理是通過電子計算機將控制體流動的積分型或者偏微分型方程轉換為離散代數形式，然后求解這些代數方程來得到離散的空間和(或)時間點上的流場數值[1]。對于建筑結構的數值模擬，一般將周圍流場假設為不可壓縮、黏性和等溫的流場，其基本控制方程如下[2]：

(1)質量守恒方程：

▽(ρu)=0

(1)

(2)動量方程：

(2)

式(2)即為著名的Navier-Stokes方程，理論上直接對其求解即可獲得湍流計算的精確解，但當前的計算能力還無法運用到工程計算中。目前工程中常采用對Navier-Stokes方程進行時均化來計算，但必須引入新的湍流模型來對方程進行封閉。本文借助FLUENT軟件，采用雷諾應力模型(RSM)，其考慮了湍流應力的各向異性，因而對復雜流動具有相對較高的預測精度。

2.2 數值模擬建模

在進行計算風工程的數值模擬時，計算域的設置應當使其對計算結果的影響減小到最低，研究表明[3]，當阻塞率(建筑物迎風面積與流域橫截面積之比)不大于3%的時候，邊界對研究區域產生的影響可以忽略不計。

除了阻塞率要求以外，所研究建筑結構在計算域中所處的位置也需要合理布置：對于流場出口位置，如果太靠近建筑物，則將在出口邊界產生回流，造成流體在出流面流入域內，使出流面處于因建筑物阻擋而形成的尾流回流中，導致計算結果偏差很大；另一方面，如果流場出口位置離所模擬的建筑物太遠，則計算域會過大，從而使網格數量大大增加，增加無謂的計算量，影響計算效率。本文在綜合考慮計算精度和效率的基礎上，選擇計算流域為1300 m×900 m×300 m，建筑物置于流場的前1/3處，最大阻塞率為2.4%。

網格劃分如圖2所示，采用混合網格劃分，在建筑物表面附近區域采用非結構化網格，外圍區域則采用結構化網格，在遠離建筑物方向逐漸變??；網格單元總數為230萬，最小單元尺寸為1 m。

圖2 網格劃分示意圖

計算區域[4]出口采用完全發展出流邊界；建筑物表面和地面采用無滑移壁面邊界，其他邊界采用對稱邊界條件；入口采用速度入口邊界，通過C語言編寫用戶自定義函數(UDF)來直接指定風速v(z)、湍流動能k和湍流耗散率ε，其中風速剖面采用我國荷載規范[5]建議的指數形式，湍流特性采用日本荷載規范[6]建議的經驗公式：

(1)指數風剖面：

v(z)=v0(z/zb)α

(3)

(2)湍流剖面：

k=1.5(v·I)2

(4)

(5)

(6)

式中，v0為高度zb=10m高度處的風速；α為地面粗糙度指數；Cμ=0.09；L=100(z/30)0.5；標準參考高度zb=5m；梯度風高度zg=350m。

計算采用3D雙精度分離求解器，空氣模型為理想不可壓縮氣體模型，湍流模型選用RSM模型。近壁面采用非平衡壁面函數修正，對流項求解采用二階迎風格式，流場求解方法選用SIMPLE，當監測結構表面風壓系數基本穩定的時候視為收斂。

由于本工程在外形上為幾何對稱，故只需要考慮0°到180°的風向角即可；如圖3所示，本文定義垂直體育場入口風向角為0°，按順時針每增加15°為一工況，總計13個工況。在數值模擬過程中，本文對每個計算工況分別構筑了相應的計算域，從而使每個工況下風向與網格排列方向一致，減少數值擴散的誤差。

圖3 風向角示意圖Fig.3 Wind directions

3 風壓系數計算結果分析

由于本文計算選用的基本風壓與我國荷載規范定義的一致，都以B類場地10 m高度處為基準，則文中按式(7)計算得到的風壓系數即為規范中體型系數與風壓高度系數的乘積。

(7)

式中，P為結構表面風壓；ρ為空氣密度。

由于篇幅有限，本文僅對0°、90°和180°三個風向角下的風壓系數分布進行分析。為了便于分析，按圖4所示對屋蓋表面進行分區。

圖4 區域分塊示意圖

3.1 0°風向屋蓋表面風壓分布

1) 上表面風壓系數分布

在0°風向角來流作用下，由于風向垂直體育場入口處，與體育場對稱軸平行，故結構表面風壓呈軸對稱分布：對于落地飄帶部分(1，2，13和14區域)，上表面為迎風面，基本表現為正壓力，在底部由于受到周邊墻體回旋氣流的影響，壓力系數較大，而隨著高度的增加，飄帶表面趨于平緩，氣流開始分離，風壓逐漸減??；對于懸挑部分，由于氣流的分離作用，表面主要受吸力影響，而在下游部分，由于迎風邊緣氣流分離，形成了較大的負壓區。

2) 下表面風壓系數分布

在飄帶部分，下表面主要呈負壓分布，迎風邊緣的吸力較大；懸挑部分下表面由于下方看臺的影響，抑制了氣流分離，主要表現為壓力影響，與氣流方向保持平行的區域3～5、10～12風壓分布較為均勻，而在區域6～9，由于與來流方向角度較大，大量氣流經過看臺后形成回旋氣流，使該區域壓力較大。

3.2 90°風向屋蓋表面風壓分布

1)上表面風壓系數分布

在90°風向角來流作用下，飄帶部分的區域1，2處于背風面，呈負壓分布，而區域13，14底部正對于來流風向，形成正壓區，隨著曲面向上，氣流產生分離，由正壓轉為負壓；對于懸挑部分，來流在屋面前緣分離形成明顯的漩渦，而漩渦中存在的逆壓梯度導致氣流分離處形成很大的負壓區，隨著氣流方向，負壓力呈梯度遞減；另一方面，區域9～12相對區域3～6來說，負壓力明顯減小，說明結構的上游部分對下游部分起到了明顯的遮擋效應。

2) 下表面風壓系數分布

對于飄帶部分的上表面，區域1，2處于迎風面，呈正壓分布，且底部區域由于周邊墻體形成的繞流壓力較大，區域13，14處于背風面，呈負壓分布，但隨著表面漸緩負壓逐漸減??；對于懸挑部分，在上游由于氣流分離主要呈負壓分布，而在下游部分，隨著氣流分離逐漸被看臺抑制[7]，負壓也逐漸轉為正壓分布。

3.3 180°風向屋蓋表面風壓分布

1) 上表面風壓系數分布

在180°風向角來流作用下，屋蓋區域7，8的迎風邊緣由于氣流分離產生了很大的負壓，在徑向由c到a逐漸降低，而屋蓋在氣流方向較為平緩，對流動路徑干擾較小，故除了迎風邊緣變化較大外，整個屋蓋分布風壓分布比較均勻。

圖5 0°風向角結構屋蓋表面風壓系數分布圖

圖6 90°風向角結構屋蓋表面風壓系數分布圖

2)下表面風壓系數分布

飄帶的下表面在180°風向角下處于迎風面，呈正壓分布；懸挑部分在順方向隨著氣流越來越多通過看臺形成回旋，分離作用得到越來越大的抑制，風壓逐漸由負值過渡為正值。整個表面風壓系數的分布體現了良好的對稱性，進一步論證了結果的合理性。

3.4 屋蓋凈風壓建議取值

在得到結構屋蓋表面的風壓系數分布之后，通過對不同分區內風壓系數積分平均即可得到該區域的風壓系數，從而為結構設計提供建議。圖8和圖9分別為不同風向角下區域B5的風壓系數值和0°風向角下結構屋蓋的凈風壓系數建議取值。

由上示各風向角下屋蓋凈風壓系數分布可以看出，風壓分布呈現出很好的對稱性；在風向上游，由于氣流強大的分離作用，使得屋蓋邊緣的負風壓較大，特別是與風向垂直部分；b區屋蓋風壓分布較為均勻；落地飄帶由于角度變化較大，風壓分布多變；不同風向角下屋面風壓分布相差較大，在設計中采用多工況計算分析。

圖8 區域B5在不同方向角下的風壓系數

圖9 屋蓋凈風壓系數建議取值

4 屋蓋開縫影響

本文針對屋蓋和看臺連接處不開縫體型和開縫高度2 m的體型(圖10)做了分析對比，以90°工況為例，圖11為開縫體型屋蓋上下表面風壓分布圖，圖12為不同情況下流域剖面風速矢量圖。

圖10 結構剖面示意圖

圖11 90°風向角開縫體型屋蓋表面風壓系數分布圖

結合圖6對比可以看出，對于上表面，開縫后一部分氣流從屋蓋下部通行，減慢了迎風邊緣的氣流上升速度，一定程度上抑制了該部分的分離作用，相對未開縫體型來說，迎風邊緣的風壓要小；對于下表面，由于開縫的影響，區域C9—C12邊緣部分正對于下方的上升氣流，出現局部正壓，在設計中需要加以注意；而對于其余部分，兩者的分布規律基本一致。

圖12 90°風向角流域剖面風速矢量圖

圖13 行人高度處風速比分布圖

圖14 行人高度處風速矢量圖

故對于本結構，屋蓋處開縫可以一定程度上減小表面風壓，但對于開縫邊緣需要加強設計。

5 風環境模擬與評估

由于體育類建筑外形獨特，其內部和周圍往往會在自然風作用下形成獨特的風場，從而影響到場內的體育活動和周圍行人的舒適性甚至安全性，所以有必要對建筑物周圍的風環境進行評估分析。

本文對體育場行人高度(2 m)處的風速進行了模擬。由于在實際情況下，建筑物周圍的風速隨來流風速的變化而變化，所以本文使用測得的風速與相同高度處來流風速的比值，即風速比R來反映建筑物對風環境的影響程度。風速比R的定義為

R=vw/vn

(8)

式中，vw為行人高度處的平均風速；vn為來流處未受干擾的平均風速。

本文以0°風向角和90°風向角為例，給出行人高度處的風速比分布示意圖(圖13)和風速矢量圖(圖14)。

從圖中可以看出，體育場對其內部起到了一定的遮蔽作用，而在順風向的出入口和側風向的體育場外側表現出了較大的風速比，最大處達到1.9：出入口部分主要是因為狹縫效應的影響，其同樣對落地飄帶和樓梯之間部分、落地飄帶和前門之間部分產生了影響；而體育場外側部分主要是由于受到氣流分離形成的高風速影響。這些現象在風速矢量圖中可以得到更直觀的體現，另一方面，由于不同出入口的來流風向，在局部開臺的前方會形成漩渦，從而對風環境形成一定的影響。

在得到行人高度處的風速比之后，結合當地氣候和舒適度標準即可對風環境進行評估。下表為Soligo等研究得出行人高度平均風大小與行人對風環境舒適度之間的關系[8]。

表1 平均風速與行人舒適度關系

Table 1 Average wind speed and pedestrian comfort level

本文參考《中國地面氣候標準值月值數據集》，得到當地常年平均風速大小為1.5m/s，則對于風速比小于1.67的部分都可視為處于舒適度范圍，故體育場除了部分區域外基本不對行人舒適度造成影響；而對于高風速比的區域，僅影響行人坐，其主要集中在落地飄帶周圍，可以通過設置隔離帶和綠化等來改善。

6 結 論

(1) 在不同的風向角下，體育場屋蓋懸挑部分上表面主要表現為吸力影響，來流在屋蓋邊緣形成的柱狀漩渦和錐形漩渦是影響屋面風荷載的主要因素，而下表面的風壓分布受看臺的影響較大；飄帶部分由于旋轉角度較大，風壓分布變化較大。

(2) 體育場屋蓋開縫體型在設計經濟的基礎上可以在一定程度上減小結構表面風壓。

(3) 通過對行人高度處風環境進行模擬分析，得出體育場內部和周圍基本符合舒適度要求。

[ 1 ] 趙鵬摶,王國硯.基于數值模擬的某通信塔風荷載體型系數研究[J].結構工程師,2012,28(1)：82-86.

Zhao Pengtuan, Wang Guoyan. Study on wind pressure coefficients of a telecommunication tower based on numerical simulation [J]. Structural Engineers, 2012, 28(1): 82-86.(in Chinese)

[ 2 ] 顧磊,齊宏拓,劉紅軍,等.奧運網球中心賽場風荷載和風環境數值模擬分析[J].建筑結構學報,2009,30(3)：134-143.

GU Lei, QI Hongtuo, LIU Hongjun, et al. Numerical simulation on wind load characteristics and wind environment for Olympic Park Tennis Centre Stadium [J]. Journal of Building Structures, 2009, 30(3):134-143.(in Chinese)

[ 3 ] Bekele S A, Hangan H. A comparative investigation of the TTU pressure envelope-numerical versus laboratory and full scale results [J]. Wind and Structures, 2002, 5(2-4): 337-346.

[ 4 ] 謝華平,何敏娟.格構塔數值風洞基礎研究[J].結構工程師,2009,25(3)：102-106.

XIE Huaping, HE Minjuan. Fundamental research on numerical wind tunnel for lattice towers [J]. Structural Engineers, 2012, 28(1): 82-86.(in Chinese)

[ 5 ] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50009—2001(2006年版)建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2006.

Ministry of Housing cual Urban-runral Development of the People’s Republic of China. GB 50009—2001(2006) Load code for the design of building structures [S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2006.(in Chinese)

[ 6 ] Architectural Institute of Japan[S]. Recommendations for Loads on Building, 2005.

[ 7 ] 林斌,懸挑屋蓋的風荷載模擬與氣動控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2009.

LIN Bin. Wind load simulation and aerodynamic control of cantilevered roofs[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[ 8 ] Soligo M J, Irwin P A, Williams C J, Schuyler G. D. A comprehensive assessment of pedestrian comfort including thermal effects[J] . Journal of Wind Engineering and Industrial, 1998, (77&78): 753-766.

Numerical Simulation on Wind Load Characteristics and Wind Environment for Mianzhu Stadium

GONG Minfeng*YANG Lulei ZHU Xunyan

(Suzhou Industrial Park Design and Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

The roof of the Mianzhu Stadium is composed of the cantilevered steel cover and the ribbon-like structure connecting to the floor. This special shape makes the wind loads and the wind environment complex. The computational fluid dynamics (CFD) method was adopted to simulate wind loads acting on the stadium in different wind directions. The influence of the joint gap between the roof and stand was considered in the simulation. The pedestrian wind environment around the stadium was also assessed in this paper.

CFD, wind load, joint gap, wind environment

2014-01-09

*聯系作者，Email:gongminfeng@sipdri.com