重慶某高層建筑數(shù)值風(fēng)洞模擬

【摘 要】文章通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)重慶某實(shí)際建筑工程表面風(fēng)壓數(shù)值模擬，計(jì)算了不受周邊建筑干擾情況下的體型系數(shù)，考慮地形干擾情況下對(duì)風(fēng)起算點(diǎn)高度的影響，風(fēng)對(duì)坡地的爬坡效應(yīng)，得出最不利體型系數(shù)。基于建筑的風(fēng)壓分析規(guī)律，提出用本工程風(fēng)荷載體型系數(shù)設(shè)計(jì)的取值建議。

【關(guān)鍵詞】高層建筑; 風(fēng)荷載; 體型系數(shù); CFD

【中圖分類號(hào)】TP391.99【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

該工程項(xiàng)目位于重慶北部新區(qū)，東臨芙蓉路，西至白楊路，南至春蘭三路，北臨峰林路。項(xiàng)目包括一棟地上16層，地下4層的高層建筑以及相應(yīng)的配套。周邊有眾多寫字樓和政府辦公大樓，西、北、東側(cè)緊鄰城市主要道路，未來(lái)基地西側(cè)將建設(shè)軌交站點(diǎn)，十分便于車行和步行人流到達(dá)。占地面積8 747.98 m2，其中計(jì)容建筑面積37 113.95 m2，層高4.5 m，建筑總高度77.8 m。基于規(guī)范要求和建議，由于本工程項(xiàng)目建筑平面形狀較復(fù)雜，風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)表面上分布并不均勻，僅按荷載規(guī)范給出的平均風(fēng)載體型系數(shù)并不能反映實(shí)際的風(fēng)壓分布狀況，因此需要進(jìn)行風(fēng)洞數(shù)值模擬確定實(shí)際風(fēng)壓分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值風(fēng)洞模擬

風(fēng)荷載CFD（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）數(shù)值計(jì)算的實(shí)質(zhì)是將流場(chǎng)的控制方程借助計(jì)算數(shù)學(xué)將其離散到多個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)中求對(duì)應(yīng)的數(shù)值解[1]。CFD技術(shù)一方面能降低經(jīng)濟(jì)成本，另一方面與試驗(yàn)相比而言能獲得十分詳盡的數(shù)據(jù)資料，有利于對(duì)實(shí)際問題多角度模擬分析研究，以便探究結(jié)構(gòu)的本質(zhì)規(guī)律。采用CFD風(fēng)洞數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)構(gòu)不考慮周邊環(huán)境的項(xiàng)目風(fēng)洞數(shù)值模擬模型，數(shù)值模擬分析模型建筑表面風(fēng)壓分布;基于建筑表面風(fēng)壓分布情況，采用基底彎矩等效和剪力等效，將風(fēng)壓折算為便于設(shè)計(jì)使用的體型系數(shù)并取其包絡(luò)值。

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

在確定建筑表面風(fēng)壓分布時(shí)，按不考慮周邊建筑物影響的建筑模型（簡(jiǎn)稱單體模型）進(jìn)行模擬計(jì)算。單體模型時(shí)，無(wú)其他建筑物遮擋，單體建筑表面呈現(xiàn)最不利正壓。各類工況分別模擬了每22.5 °為一個(gè)間隔的16個(gè)風(fēng)向角，圖2表示了各種計(jì)算工況下風(fēng)向來(lái)流圖。

建筑物表面使用三角形網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格生成過程中先在建筑物表面生成邊界層網(wǎng)格，其次由邊界面及計(jì)算域的最外層表面向中間流域生成非結(jié)構(gòu)化的空間網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸由內(nèi)往外逐漸增大，如圖3所示采用的計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分。

1.2 數(shù)值風(fēng)洞理論

數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)應(yīng)用CFD方法建立工程問題的分析模型。由于實(shí)際工程的雷諾數(shù)都十分大，屬于湍流流動(dòng)，故而數(shù)學(xué)模型的核心是湍流模型及邊界條件的處理。湍流模型采用廣泛使用的可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型（Realizable k-ε），其控制方程[2-3]為：

湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε的控制方程為：

式中：Ui（i=1，2，3）分別代表x，y，z方向的平均速度分量;P為壓力;v為氣流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);ρ為空氣密度;vt=Cμk2/ε為渦團(tuán)粘性系數(shù)。

1.3 邊界條件

大氣邊界層風(fēng)速剖面V（z）、湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε采用Fluent提供的UDF（user-defined functions）編程與Fluent作接口實(shí)現(xiàn)[4]。

1.3.1 平均風(fēng)剖面

來(lái)流邊界條件選用速度來(lái)流邊界條件，對(duì)C類地貌，平均風(fēng)速按指數(shù)形式表示為[4]：

1.3.2 湍流特性

采用日本提出的Ⅲ類地貌湍流強(qiáng)度公式擬合湍流度剖面[5-7]：

對(duì)于數(shù)值風(fēng)洞，k-ε模型計(jì)算的是湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程，因此需要將上述湍流強(qiáng)度及積分尺度進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化。兩者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可表示為：

式中：Cμ=0.09，湍流積分尺度亦采用日本建議公式Lx=100z/300.5。

流域頂部和雙側(cè)采用對(duì)稱邊界，等同于自由滑移的壁面，出流面采用壓力出流邊界。建筑表面和地面選擇無(wú)滑移的壁面條件，采用不平衡壁面函數(shù)模擬近壁面流動(dòng)，且在地面引入粗糙壁面修正[8]。

2 結(jié)果分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)主軸方向的體型系數(shù)及表面風(fēng)壓值

根據(jù)伯努利公式計(jì)算得到建筑各表面的體型系數(shù)，將建筑表面豎直方向按每9 m劃分為一段，建筑各個(gè)面如圖4所示。

根據(jù)所得到的各風(fēng)向角下建筑塔樓各個(gè)表面的體型系數(shù)通過基底剪力等效法進(jìn)行計(jì)算;模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到建筑表面風(fēng)壓結(jié)果，分別得到各塔樓在各風(fēng)向角下的整體體型系數(shù)，限于篇幅各個(gè)風(fēng)向角下所有建筑表面體型系數(shù)情況未展示。表1得到建筑主軸最不利風(fēng)向體型系數(shù)。（在此省略面積較小的表面的體型系數(shù)）

針對(duì)單體模型，以每22.5 °為一個(gè)間隔，從16個(gè)方向的來(lái)流風(fēng)對(duì)建筑的影響，得出不同工況、不同角度下建筑表面的風(fēng)壓分布。通過Tecplot軟件以云圖形式顯示最大整體體型系數(shù)下數(shù)值風(fēng)洞模擬的建筑物表面風(fēng)壓（單位Pa），圖5、圖6所示。

2.2 懸挑戶外平臺(tái)上、下表面局部風(fēng)荷載體型系數(shù)

本項(xiàng)目建筑戶外平臺(tái)沿兩個(gè)方向每?jī)蓪咏诲e(cuò)布置，形成了懸挑的戶外平臺(tái)，使本項(xiàng)目建筑凹凸不規(guī)則，風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力十分復(fù)雜。對(duì)于懸挑部分應(yīng)重點(diǎn)考慮其荷載作用下上、下表面形成的豎向壓力差，如圖7所示。表2中給出了戶外平臺(tái)上、下表面各區(qū)域局部體型系數(shù)取值。

2.3 結(jié)果分析

綜合考慮風(fēng)荷載沿高度的變化和分區(qū)受力面積，對(duì)各表面的分區(qū)體型系數(shù)通過基底剪力等效法進(jìn)行計(jì)算，得到各建筑表面體型系數(shù)。選取結(jié)構(gòu)主軸方向的各迎風(fēng)面及背風(fēng)面體型系數(shù)，計(jì)算得到該主軸方向的結(jié)構(gòu)整體體型系數(shù)，對(duì)比得到建筑最大整體體型系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角。建筑戶外平臺(tái)沿兩個(gè)方向每?jī)蓪咏诲e(cuò)布置，形成了懸挑的戶外平臺(tái)，使本項(xiàng)目建筑體型復(fù)雜。對(duì)于懸挑部分應(yīng)重點(diǎn)考慮其風(fēng)荷載作用下上、下表面形成的豎向壓力差。

戶外平臺(tái)上、下表面大多處于負(fù)壓之下，且局部體型系數(shù)絕對(duì)值也較大。頂層平臺(tái)上表面一直處于負(fù)壓狀態(tài)，其他樓層平臺(tái)表面在某些工況下也會(huì)產(chǎn)生正壓，兩相疊加，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)于兩個(gè)主軸方向：該棟塔樓的X向最大整體體型系數(shù)為1.26，出現(xiàn)在最不利風(fēng)向角為22.5°向（近X軸），Y向最大整體體型系數(shù)為1.03，出現(xiàn)在最不利風(fēng)向角為225°的方向（X軸與Y軸斜角方向）。由于塔樓建筑立面不完全規(guī)則，沿高度方向有一定變化，所以兩個(gè)方向的最大體型系數(shù)出現(xiàn)在的風(fēng)向角有一定差異。

3 結(jié)論

通過Fluent對(duì)本項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)洞模擬：計(jì)算了研究對(duì)象不受周邊建筑干擾情況下的體型系數(shù)，研究對(duì)象內(nèi)含一棟塔樓，考慮了地形干擾情況下對(duì)風(fēng)起算點(diǎn)高度的影響，風(fēng)對(duì)坡地的爬坡效應(yīng)并得出最不利體型系數(shù)，主要得到以下結(jié)論：

（1）建筑表面風(fēng)壓分布情況與矩形建筑表面風(fēng)壓分布大致規(guī)律大致相同。側(cè)面外邊緣由于渦旋而脫落，引起了強(qiáng)烈的負(fù)壓，絕對(duì)值已經(jīng)超過了最大正壓絕對(duì)值，應(yīng)當(dāng)在局部構(gòu)件或圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮。

（2）建筑表面負(fù)壓顯著，建筑在背風(fēng)面時(shí)會(huì)出現(xiàn)全負(fù)壓狀態(tài)。而且建筑背風(fēng)面的負(fù)壓明顯高于規(guī)范規(guī)定的一般背風(fēng)面風(fēng)壓體型系數(shù)。

（3）建筑平臺(tái)上、下表面多處于負(fù)壓，且局部體型系數(shù)絕對(duì)值較大。在某些工況下戶外平臺(tái)上、下樓層表面分別處于正壓和負(fù)壓，兩相疊加，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力差，應(yīng)引起注意。

參考文獻(xiàn)

[1]易圖兵.某跨線式高鐵客站平均風(fēng)荷載數(shù)值風(fēng)洞模擬[J].四川建筑，2019，39（1）：76-78.

[2]張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]張敏，樓文娟，何鴿俊，等.群體高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的數(shù)值研究[J].工程力學(xué)，2008（1）：179-185.

[4]江帆，黃鵬.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5]呂付玉，楊仕超，詹杰民，等.高層建筑表面風(fēng)壓的數(shù)值風(fēng)洞模擬研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，47（S2）：117-121.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]聶少鋒，周緒紅，周天華，等.CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑三維鈍體繞流風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（6）：40-46.

[8]閆梁.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)壓數(shù)值模擬研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[定稿日期]2021-01-28

[作者簡(jiǎn)介]許仕林（1996～），男，碩士，從事結(jié)構(gòu)工程方面工作。