強(qiáng)風(fēng)影響下低矮建筑屋面風(fēng)荷載分布規(guī)律研究

閆旭光

（山東興菏置業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 菏澤 274000）

0 引言

我國(guó)東南沿海地區(qū)每年遭受熱帶風(fēng)暴及臺(tái)風(fēng)影響，損失慘重[1]。已有資料顯示，強(qiáng)風(fēng)影響下主要以沿海地區(qū)低矮建筑為主，高層建筑鮮少發(fā)生倒塌破壞[2-5]。

目前，低矮建筑風(fēng)致破壞機(jī)理研究方法主要有數(shù)值分析方法、風(fēng)洞試驗(yàn)方法及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。相關(guān)研究表明，數(shù)值分析數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好，在定量分析建筑荷載方面能夠滿足計(jì)算精度要求[6]。本文采用數(shù)值分析方法，將低矮建筑屋面劃分為若干易損典型區(qū)域，系統(tǒng)研究屋面風(fēng)壓分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)風(fēng)荷載大小，有效揭示低矮建筑風(fēng)致破壞機(jī)理，為沿海地區(qū)低矮建筑抗風(fēng)措施設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型概況

本文計(jì)算模型采用典型雙坡屋面低矮建筑，屋面坡度為4.8°，幾何尺寸為24m×16m×16m為檐口高度，縮尺比為1.5∶1∶1，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

1.1 屋面分區(qū)

根據(jù)破壞易損情況，將計(jì)算模型屋面劃分為若干典型分區(qū)，即迎風(fēng)屋檐A 區(qū)、靠山墻B、E 區(qū)、屋脊線C、D 區(qū)、屋角J 區(qū)、背風(fēng)屋檐F 區(qū)等，每個(gè)分區(qū)包括若干測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 屋面分區(qū)及測(cè)點(diǎn)布置示意

1.2 計(jì)算邊界條件及參數(shù)選取

速度進(jìn)口邊界條件：來(lái)流平均速度剖面，參考我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[7]，選擇指數(shù)表達(dá)式，根據(jù)實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，取10m 標(biāo)準(zhǔn)參考高度風(fēng)速為22m/s，地面粗糙度指數(shù)選用日本規(guī)范（RLBAIJ2004）[8]中定義的Ⅲ類(lèi)地貌，即=0.2。

出口邊界條件：采用完全發(fā)展出流邊界條件；，建筑物表面和流場(chǎng)地面：無(wú)滑移的壁面條件（wall）；流域頂部和兩側(cè)：對(duì)稱(chēng)邊界條件。

求解參數(shù)設(shè)置：選用Realizablek-ε 湍流模型，采用非平衡壁面函數(shù)來(lái)考慮壁面的影響[9]。離散控制方程對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，流場(chǎng)中壓力-速度耦合采用SIMPLEC 算法，計(jì)算至控制方程的相對(duì)迭代殘余量均小于10-4以下，且房屋表面平均風(fēng)壓力值基本不再變化，即計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

屋面風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算公式為：

2.1 典型風(fēng)向角下屋面風(fēng)壓系數(shù)等值線分布

分析典型風(fēng)向角下，低矮建筑屋面風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 低矮房屋屋面風(fēng)壓系數(shù)分布圖

由屋面風(fēng)壓系數(shù)分布表明，風(fēng)向平行于建筑屋脊線時(shí)，即0°風(fēng)向來(lái)流，屋面沿屋脊線兩側(cè)分壓對(duì)稱(chēng)分布，迎風(fēng)山墻角部區(qū)域，即B、E 區(qū)域分壓系數(shù)最大，為-1.4，離山墻距離越遠(yuǎn)，風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小，其影響也減小。風(fēng)向垂直建筑屋脊線時(shí)，即90°風(fēng)向來(lái)流，屋面所受影響與0°風(fēng)向基本相同，均是在屋面迎風(fēng)墻面角部區(qū)域風(fēng)壓最大。當(dāng)來(lái)流風(fēng)向與屋脊線成某一角度時(shí)，受氣流分離影響，迎風(fēng)屋面角部區(qū)域，即A 區(qū)、J 區(qū)風(fēng)壓較大，45°風(fēng)向時(shí)，該區(qū)域風(fēng)壓出現(xiàn)極值，達(dá)到-2.0。隨著風(fēng)向改變，分壓系數(shù)均逐漸降低。60°風(fēng)向角下，氣流在迎風(fēng)面棱角處發(fā)生分離，形成角錐渦旋，向下游泄去，建筑屋面局部區(qū)域（迎風(fēng)屋檐A 區(qū)、迎風(fēng)屋面角部J 區(qū)及靠山墻B 區(qū)）形成高負(fù)壓區(qū)，這些區(qū)域?yàn)榻ㄖ茐淖顕?yán)重區(qū)域。

2.2 屋面分區(qū)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向變化規(guī)律

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，屋面各分區(qū)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)隨來(lái)流風(fēng)向變化的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 屋面分區(qū)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向變化規(guī)律

由計(jì)算結(jié)果知，屋面J 區(qū)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)在來(lái)流風(fēng)向角為45°時(shí),呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。同時(shí)，60°～75°風(fēng)向角時(shí)，靠山墻區(qū)域Tap28、Tap29 風(fēng)壓系數(shù)最大，達(dá)到-2.1左右。背風(fēng)屋面F 區(qū)域隨風(fēng)向角增加，風(fēng)壓系數(shù)整體降低，受風(fēng)荷載影響較小。迎風(fēng)屋檐A 區(qū)與迎風(fēng)靠山墻B、E 區(qū)域測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)均在斜向風(fēng)向下最大，與2.1 節(jié)分析結(jié)果一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將典型雙坡屋面低矮建筑的屋面劃分為若干區(qū)域，各區(qū)域設(shè)置若干測(cè)點(diǎn)，利用數(shù)值分析方法，通過(guò)分析各區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)等值線及各區(qū)域測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)大小，揭示該類(lèi)建筑破壞機(jī)理，得到如下結(jié)論：

（1）本文分析結(jié)果較好地印證了低矮建筑屋面易損區(qū)域，為沿海地區(qū)該類(lèi)建筑設(shè)計(jì)、建造抗風(fēng)措施提供參考。

（2）低矮建筑受斜向來(lái)流風(fēng)向影響，迎風(fēng)屋面角部及屋檐區(qū)域發(fā)生分離、渦流現(xiàn)象，局部風(fēng)壓系數(shù)極值達(dá)到-2.1，與我國(guó)荷載規(guī)范推薦值（-0.8）相差較大。

（3）沿海地區(qū)低矮建筑設(shè)計(jì)、建造時(shí)需考慮屋面易損區(qū)破壞，并采取措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以抵抗不利風(fēng)向的影響。