L型和矩形低矮房屋體型系數對比研究

L型和矩形低矮房屋體型系數對比研究

姚望1， 姚勇1， 李明2

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川綿陽621010；2.中國空氣動力研究與發展中心， 四川綿陽621010)

摘要：通過數值模擬方法與風洞試驗結果進行對比，驗證了數值模擬方法分析房屋體型系數的可行性。將L型和矩形雙坡房屋的屋面體型系數進行對比，將矩形屋面和規范中的體型系數取值進行對比。結果表明：L型房屋的屋面體型系數在絕大多數工況下相對較小，說明L型房屋更有利于抗風，并指出了在規范中當體型系數取值為負時偏小。最后給出了根據實驗值計算L型房屋體型系數建議值。

關鍵詞：L型房屋；數值模擬；體型系數

文章編號：1673-1549(2015)04-0057-05

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.12

收稿日期:2015-06-02

作者簡介:姚望(1990-)，男，四川綿陽人，碩士生，主要從事結構抗震、抗風方面的研究，(E-mail)365982671@ qq．com

中圖分類號：TU312+.1

文獻標志碼：A

引言

根據國內外大量自然災害統計表明，風災是一種發生頻率高，破壞力強的自然災害，給人民的生命財產帶來了巨大的損失[1]。然而，歷次風災中低矮建筑損失占了房屋破壞總損失的一半以上[2]。因此，對低矮房屋的風載特性進行深入研究很有意義。

國外已經有大量學者對低矮房屋進行了研究[3]。但是，在國內關于低層房屋抗風問題的研究仍未成為結構風工程研究領域的一個重要課題，相關方面的投入和學術關注均很低[4]。

目前，在結構風工程領域采用的研究方法主要有現場實測、風洞實驗和數值模擬[5]。風洞試驗和數值模擬在風荷載特性分析上都有較好的可行性[6]。但是，風洞試驗存在著經費大，周期長，并且很難進行系統分析風荷載等問題。相較于風洞試驗，數值模擬方法具有周期短，經費少，準確性高等特點[7]。在近30年的時間里，數值模擬方法已經成了一種分析風荷載的有力工具。

國內外已經較系統地研究了來流風向角、屋面坡度、挑檐長度、檐口高度和房屋長寬比對屋面風壓系數的影響[8-11]。這些研究都是在矩形房屋的基礎上研究的。實際上，房屋的體型對屋面的體型系數也有影響。隨著人們生活水平的提升，房屋的形式不再局限于矩形平面。近年來，L型平面的房屋廣為流行[12]。然而，我國《建筑結構荷載規范》[13]只對它們墻體的體型系數作了規定，對屋面體型系數的取值無法查閱。對于低矮建筑，體型的變化對低矮建筑體型系數的影響還沒有明確的定論。但可以肯定的是，房屋體型的變化對體型系數具有一定影響。

本文的研究對象是矩形和L型雙坡屋面的低矮房屋。在驗證數值模擬可行性的基礎上，初步探討低矮建筑體型的變化對房屋體型系數的影響，并對L型房屋相對矩形房屋的抗風能力進行初步評價。

1數值風洞模擬方法

1.1　RNG k-ε模型

近地風實際上可以看成一種不可壓縮的湍流流動。在FLUENT軟件中，提供了多種用于計算的湍流模型。其中RNG k-ε湍流模型，具有良好的模擬精度，所以，此次試驗采用該模型進行模擬。Suh S H等也都先后采用該模型對實例建筑的風場和風壓進行過數值模擬，結果表明該模型的模擬效果良好。其湍流微分方程：

(1)

(2)

式中：Gk、Gb、YM和標準K-ε模型相同。αk、αε分別為湍動能和耗散率ε方程的有效湍流普朗特數的倒數。湍流粘性系數ut公式為：

(3)

1.2　計算域及網格的劃分

本次試驗選取的基準模型是矩形平面房屋和L形平面雙坡房屋。它們坡角的坡度取為15°、25°、30°、35°、45°和60°。一共有12個模型。模型平面及風向角定義如圖1所示。矩形平面的房屋長寬高為15×7.5×9.8 m。L形平面的尺寸如圖1所示，高度和矩形平面相同。矩形平面計算流域取為180×90×60 m。L形平面計算流域取為240×160×60 m。建筑物置于流域沿流向前1/3處，流域設置滿足阻塞率<3%的要求。

圖1　計算模型及風向角定義

為了實現更好的效果，并更好的利用計算資源，此次計算采用混合網格離散方法。計算區域可以分為內外兩部分，在靠近模型的區域采用四面體結構化網格，網格布置較密。然后在遠離模型的區域，采用具有規則拓撲結構的六面體結構化網格。矩形平面的網格總數為80萬個，L形平面的網格總個數為100萬個。

1.3　計算參數設置

(1)入口來流條件：對于入口進流處速度的選取，采用《建筑結構荷載規范》給出的指數率風速分布計算公式：

(4)

其中，Z0、U0分別是參考點的高度和風速，參考高度取為10 m，模擬B類地貌的風場，因此α的取值為0.15，風速剖面可以通過UDF應用編程然后于fluent作接口實現。

(2)出口條件：由于出流面接近完全平面，因此，采用完全發展邊界條件。流場的任意邊界物理量沿出口方向的法方向梯度為0。

(3)流域頂部及兩側：采用自由滑動壁面。

(4)結構表面和地面：采用無滑移的壁面條件。

1.4　計算收斂準則

采用分離式求解，3D單精度計算。用精度較高的二階迎風格式對流項進行離散。迭代的收斂標準為所有控制方程的相對迭代殘余量均小于l×10-4，且同時監測到的各表面壓力系數基本不發生變化時，認為所得流場進入了穩態。

1.5　驗證算例

本文選取長安大學風洞試驗數據，作為數值計算的驗證。屋面定義和建筑模型如圖2所示。風洞試驗中，矩形平面房屋的尺寸為15×7.8×9.9 m，屋面坡角為α=30°。采用數值模擬方法對風洞試驗進行對比驗證時，矩形的計算流域選取為180×100×80 m。建筑物置于流域沿流向前1/3處，流域設置滿足阻塞率<3%的要求。分別在0°、45°和90°風向角下進行對比，體型系數的對比結果如圖3所示。

圖2　矩形屋面定義

圖3　L型和矩形屋面體型系數值

通過數值模擬與風洞試驗的對比，可知數值模擬對房屋體型系數的模擬與試驗吻合度較好，雖然存在一定的誤差，但是誤差在工程設計可接受范圍之內。因此，采用數值模擬的方法對房屋的風載體型系數進行分析是切實可行的。

2體型系數的對比與分析

2.1　測點風壓系數

在計算中為了方便，各計算模型的風壓系數CP，可根據《建筑結構荷載規范》取10 m高度處作為參考高度，來流動壓作為無量綱化的參考風壓。定義為：

(5)

式中，P為測點平均壓力，P0參考點處靜壓，ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3。U0為參考點處風速，取12.8 m/s。

2.2　面體型系數

點的風壓系數測定之后，就可以對建筑體型每個面上測點的風壓系數進行加權平均，就可得到面體型系數。

(6)

其中：CPi為第i測點風壓系數，Ai為該點所屬表面面積，A為表面總面積，Zi為第i測點高度，當Zi<10時，取Zi=10。

2.3　不同坡角下體型系數對比

選取15°、25°、30°、35°、45°和60°坡角矩形和L形低矮房屋，分別在0°～180°風向角下進行體型系數對比。不同工況下的體型系數值如圖4所示。

圖4　坡度變化下的體型系數

比對方式：L型房屋上部區域在相同風向角下和矩形屋面對比，L1和J2對比，L3和J1對比。下部區域對比時有些差異，在0°和90°風向角下對比時，L2和L4分別和相同風向角下J2和J1對比。45°風向角時，L2和L4分別和135°風向角下的J1和J2對比。在135°風向角下，L2和L4分別和45°風向角下的J2和J1對比。180°風向角下，L2和L4分別和90°風向角下矩形屋面J2和J1對比。

在這樣的對比方式下，一共對比了120組數據。在0°風向角下進行對比時，可知只有在15°、25°、30°和60°坡角下，共四組對比中L1和L2的體型系數絕對值比相應的矩形屋面大。最大相差0.26，最小相差0.06。其他情況，L型屋面的體型系數絕對值比相對應的矩形屋面小，屋面的整體風壓更小。在45°風向角時，25°坡角下，L1和L3比相應的矩形屋面大，分別大了0.23和0.04。在35°坡角下，L2比相應的矩形更大，60°坡角時，L3比相應的矩形屋面大，分別大了0.07和0.02。其它20組對比中，L型的屋面體型系數都更小。在90°風向角時，15°坡角下L1和L3的體型系數比對應的矩形屋面更大。分別大了0.04和0.18。30°坡角下，L1和L3的比相應矩形更大。分別大了0.02和0.01。45°坡角下，L1和L2的比相應矩形的系數更大，分別大了0.08和0.38。60°坡角下，L2和L3的比相應矩形更大。其它情況下，L型房屋的體型系數更小。當風向角變為135°時，只在45°坡角下的L4和60°坡角下L3區域的體型系數比相應的矩形更大，分別大了0.09和0.05。在180°風向角下，只在60°坡角下的L3和L4比相應的矩形體型系數更大，均大了0.02。

在120組數據的對比中，只有24組數據，L型房屋的體型系數絕對值更大，其他96組數據的體型系數絕對值都更小，差值大多在0.1以上。體型系數小的屋面整體抗風性能更好。因此，L型房屋在絕大多數情況下對抗風更有利。

3規范取值的對比

《建筑結構荷載規范》中對矩形房屋的體型系數作了規定。該系數取值和本文中135°風向角下矩形屋面的情形相對應(圖5)。

和規范的對比中可知，在迎風面，

當規范取值為負數時，取值比數值模擬的結果更小。當規范中取值為正數時，取值比數值模擬結果更大。在背風屋面中，規范統一取為-0.5，而數值模擬的結果比該值的絕對值更大。因此可知，當屋面承受負壓時，體系系數取值的絕對值偏小，偏于不安全。當屋面承受正壓時，體型系數取值偏于安全。

圖5　規范中矩形屋面體型系數取值

4L型房屋體型系數建議值

鑒于《建筑結構荷載規范》中并沒有給出L型屋面的體型系數值。因此，根據本文的實驗值給出L型雙坡屋面的體型系數建議值，可以給L型屋面的抗風設計提供參考，見表1。

表1　L型房屋屋面體型系數建議值

注：本表只適用于上部結構和下部結構長度較為接近的L型房屋。

5結論

本文對兩尺寸一樣的矩形房屋組成的L型房屋在平均風作用下的風壓系數值進行了探討，并分別在15°、25°、30°、35°、45°和60°坡角下和單棟的矩形平面房屋進行了對比。得到如下結論：

(1)通過數值模擬得到的屋面體型系數和風洞試驗得到的結果誤差較小，驗證了用數值模擬方法分析房屋體型系數的方法是切實可行的。

(2)L型低矮房屋屋面的體型系數在絕大多數工況下，體型系數值相比矩形屋面都更小，表明L型屋面的整體風壓更小，對于抗風更有利。

(3)體型的變化、屋面坡度、挑檐長度、檐口高度和房屋長寬對房屋的體型系數有影響。

(4)當矩形屋面承受負壓時，《建筑結構荷載規范》中取值偏小，使得在進行抗風設計時，屋面偏于不安全。

參 考 文 獻：

[1]孫高勇,姚勇,李明.低層雙坡屋面風壓標準k-ε模型模擬研究.西南科技大學學報,2013,28(1):25-30.

[2]孫炳楠,傅國宏.9417號臺風對溫州民房破壞的調查//七屆全國結構風效應學術會議論文集.重慶:重慶大學出版社,1995.

[3]顧明,趙雅麗,黃強,等.低層房屋屋面平均風壓的風洞試驗和數值模擬.空氣動力學學報,2010,28(1):82-87.

[4]楊偉.基于RANS的結構風荷載和響應的數值模擬研究.上海:同濟大學,2004.

[5]陳水福,呂少琳.低層雙坡房屋屋面風荷載的數值研究-坡角和高寬比影響的分析.浙江大學學報,2006,40(10):17-38.

[6]顧明,黃強,黃鵬,等.低層雙坡房屋屋面平均風壓影響因素的數值模擬研究.建筑結構學報,2009,30(5):2-5.

[7]周緒紅,聶少鋒,周天華,等.低層雙坡屋面建筑三維定常風場的數值模擬.工程力學,2010,27(3):19-29.

[8]王輝,陳水福,唐錦春.低矮坡屋面群體建筑表面風壓的數值模擬.工程力學,2003,20(6):135-140.

[9]Holmes J D.Wind pressures on tropical housing.Journal of Wind Engineering an Industrail aerodynamics,1994,53:105.

[10]Xu Y L,ReardonG F.Variations of wind pressure on hip roofs with roof pitch.Journal of Wind Engineering an Industrail aerodynamics,1998,73:267-284.

[11]趙雅麗,全涌,黃鵬,等.典型雙坡屋面風壓分布特性風洞試驗研究.同濟大學學報:自然科學版,2010,38(11):1586-1592.

[12]陶玲,黃鵬,顧明,等.L形平面低矮房屋屋面的風荷載特性.同濟大學學報:自然科學版,2011,39(11):1586-1591.

[13]建筑結構荷載規范:GB 50009—2012.

A Comparative Study on the Shape Coefficients of

L-shape and Rectangular Low-rise Buildings

YAOWang1,YAOYong1,LIMing2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology,

Mianyang 621010, China; 2.China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

Abstract:At first, the feasibility of using numerical simulation method to analyze building shape coefficient is verified by comparing the results of the wind tunnel test with it. Then the roof shape coefficients of L-shape and rectangular gable buildings are compared, and the shape coefficient of the rectangular roof is compared with that in standard. The results show that the roof shape coefficients of L-shape buildings are relatively smaller under most of the working conditions, which means that the L-shape buildings are more advantageous for wind resistant. The results also point out that the shape coefficients in the norm are small when the number is negative. Finally, the shape coefficient values which are used to calculate L-shape buildings based on test values are suggested.

Key words: L-shape buildings; numerical simulation; shape coefficient