異型開敞屋蓋風荷載與風場特性數值模擬研究

康佳鑫

(華東建筑設計研究院有限公司,上海 200011)

超高層、大跨屋蓋、大懸挑等建筑結構對風荷載較為敏感。精確計算風荷載是確保建筑安全的重要條件之一。我國相關規范提供了簡單造型建筑的風荷載體型系數,對于復雜形體的建筑抗風設計,其相關參數的獲取需要依靠風洞試驗和數值模擬。數值模擬時間成本相對較低,并可獲取復雜建筑形體周邊的風速矢量及流線圖,有利于分析建筑表面風壓分布機理。目前,國內已有較多工程使用Reynolds平均法(RANS)計算建筑的平均風荷載,計算結果能夠滿足工程使用的精度要求。顧明等[1]采用RSM湍流模型計算了上海鐵路南站屋蓋結構的平均風荷載。文志彬等[2]采用RNGk-ε湍流模型分析了某水雪綜合體的平均風壓和流場分布,討論了屋蓋風吸力產生的原因。霍林生等[3]利用RNGk-ε湍流模型分析了不同建筑密度及建筑布置形式下穹頂屋蓋受周邊建筑的干擾影響。樓文娟等[4]、張四化等[5]采用Realizablek-ε湍流模型分別對不同的懸挑屋蓋風荷載進行數值模擬分析,并將結果與風洞試驗進行對比,證明了數值模擬結果的有效性。孫芳錦等[6]、姜初偉等[7]采用數值模擬方法分析了不同建筑外形對自身風荷載的影響,并提出了相關建議。

本文以某醫院開敞屋蓋為研究對象,采用Realizablek-ε湍流模型,通過數值模擬獲取了屋蓋周邊流場以及其表面風荷載,并對比分析了該屋蓋及其簡化模型的風荷載分布。

1 工程概況

某醫院建筑模型如圖1所示,其門診屋蓋為異型網殼結構,其中一部分位于門診頂部,形成封閉空間;另一部分位于主體建筑外,為異型開敞屋蓋,主要起雨棚的作用。異型開敞屋蓋的平面投影呈弧形,前端有四邊形缺口,類似門牙狀,主要尺寸如圖2所示。在不同風向角下,該異型開敞屋蓋的下方氣流流通,根據現行規范無法確定其自身風荷載分布以及對后方建筑風環境的影響。本文對該建筑進行建模,通過數值模擬研究異型開敞屋蓋的表面風荷載分布,為類似工程項目的結構設計提供依據。文中屋蓋均指該異型開敞屋蓋。

圖1 某醫院的三維模型

(a)主視圖

(b)俯視圖

2 數值模擬方法

2.1 計算模型及網格劃分

數值模擬計算域大小為4 500 m×2 000 m×500 m(長×寬×高),計算模型比例為11。采用區域分塊技術進行網格劃分,建筑周邊區域采用加密的非結構化網格,其他區域采用結構化網格,網格數量總計約1 568萬,模型堵塞比小于3%,數值風洞網格模型如圖3所示。

(a)數值風洞計算域網格

(b)數值風洞局部網格劃分

2.2 湍流模型及計算參數

在fluent軟件中,使用基于壓力的求解器,并采用SIMPLEC算法進行求解。數值模擬選用的Realizablek-ε湍流模型及非平衡壁面函數(Non-equilibrium Wall Functions)中,關于湍動能k和湍動耗散率ε的輸運方程[8]為

(1)

(2)

式中:

圖4 風向角β定義

計算域入口采用velocity-inlet,使用指數型風速剖面。根據建筑周邊環境,確定地貌類型為B類,取該地百年一遇的風壓0.7 kN/m2,入口的湍動能和湍動耗散率計算公式為

(3)

(4)

式中:Cμ取0.09;I為湍流強度;l為湍流積分尺度。

計算域出口采用pressure-out,頂面和側面采用symmetry邊界條件。地面和建筑物采用無滑移壁面wall。風向角β定義如圖4所示,每間隔15°計算一次,共24個工況。

2.3 數據處理

屋蓋受到的總風壓用內外表面的壓力差表示。風壓系數Cp的計算公式為

(5)

式中:Pu為屋蓋外表面的風壓值;Pd為屋蓋內表面的風壓值;ρ為空氣密度;U為參考點風速(10 m高度處風速)。內、外表面壓力方向以指向建筑物為正、離開建筑物為負。由Cp的計算公式可知,凈風壓方向與外表面壓力方向一致。按照建筑結構荷載規范[9],則屋蓋的體型系數公式為

(6)

屋蓋為雙面受風,計算的體型系數為結構兩面疊加后的凈值。

3 數值模擬結果分析

3.1 風速矢量分布及分析

在0°、45°、90°、180° 4個典型風向角下,屋蓋沿流向縱剖面的風速矢量如圖5所示。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

當屋蓋正面迎風時(見圖5(a)),屋蓋前端與后方建筑距離相對較近且正面擋風尺寸較大,近似形成了兩側開口的立方體結構,屋蓋與后方建筑之間形成回流漩渦,該區域內風速很小,氣流出現阻滯對屋蓋下表面產生正壓。屋蓋立面內、外風壓相互抵消,使得迎風面所受風荷載較小;屋蓋上方氣流發生流動分離并產生漩渦;屋蓋弧形過渡區風吸力較大;加之屋蓋下表面風壓累加的風荷載,對屋蓋結構會更加不利。

當屋蓋與來流風斜交時(見圖5(b)),來流風從側面開口進入屋蓋下方,在屋蓋后方形成漩渦,由于氣流與屋蓋存在一定的夾角,可從另一側開口排出。屋蓋下部風和來流風風速相當,而屋蓋上方轉角處的風速較大。此時屋蓋上游到下游的體型系數有明顯的梯度變化,由正值變為負值。

當來流風向與屋蓋橫向平行時(見圖5(c)),一部分風順著屋蓋面流過,一部分風從屋蓋與后方建筑之間的縫隙穿過。屋蓋下方氣流暢通,兩側風速相近,此時屋蓋表面風荷載相對較小。

當屋蓋處于背風側時(見圖5(d)),受后方建筑影響,屋蓋處于后方建筑的尾流區,屋蓋斜上方迎風。此時屋蓋與后方建筑之間仍有漩渦,下方風速較慢,屋蓋立面風壓很小。由于處于來流風下游,且受到后方建筑的遮擋,此時屋蓋表面的風荷載相對較小。

3.2 體型系數分布及分析

屋蓋在典型風向角下的體型系數分布如圖6所示。由于周邊建筑物的干擾及屋蓋體型的不對稱性,屋蓋風壓分布呈現明顯的風向相關性特點。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

當屋蓋正面迎風時(見圖6(a)),屋蓋前端體型系數很小,大部分在0.1以內。最不利的正體型系數出現在屋蓋端部迎風處,為0.76;最不利的負體型系數出現在屋蓋轉角處,為-2.05。在屋蓋的弧形過渡區,氣流發生分離再附,形成漩渦,此處受到較大吸力作用,且風壓變化梯度較大。轉折后的平緩段體型系數較為穩定,約為-0.6。屋蓋兩側端部風壓比中間大,這與屋蓋的造型有關。當β=0°時,屋蓋水平段受到風吸力的主要原因是其背面的風壓較大。

當屋蓋與來流風斜交時(見圖6(b)),來流風斜著吹向屋蓋,屋蓋下方的氣流流通。下部漩渦在屋蓋背風面產生正壓,其值大于屋蓋正面所受來流風的直接壓力,這導致屋蓋前端整體受到較小的風吸力作用。最大的負壓出現在正面迎風處的屋蓋弧形過渡區,該處的體型系數為-2.38。在屋蓋的右下方迎風部分,主要受到風壓作用,最不利的正體型系數為1.42。

當來流風向與屋蓋橫向平行時(見圖6(c)),來流風順著屋蓋穿過。屋蓋兩側均受到風吸力作用,但部分互相抵消。屋蓋的體型系數為0.34～-0.48,大部分區域為-0.2～0.2。從上游到下游,體型系數由正到負。

當屋蓋處于背風側時(見圖6(d)),所受風荷載較小,體型系數為0.27～-0.67。由于屋蓋處于上游建筑的回流區,兩側風吸力相當,合風壓較小,體型系數為0～0.1。在屋蓋的立面與水平轉折處,受到風吸力作用,由于周邊環境的影響,體型系數的分布不對稱。

屋蓋的最不利正體型系數出現在β=270°,位于屋蓋左側邊緣,為3.16,最不利負體型系數出現在β=30°,位于屋蓋弧形過渡區,為-2.88。不同風向下屋蓋的最不利正、負體型系數分布分別如圖7、圖8所示。由圖7可知,屋蓋的大多數區域所受的正壓較小,其最不利正體型系數不超過0.4。但需要注意不同風向角下引起屋蓋受正壓的原因是不同的。由圖8可知,屋蓋頂面區域始終受負壓作用,此區域的最不利負體型系數為-0.9～-1.3。需要注意不同風向角下,屋蓋兩側邊緣所受的風荷載變化較劇烈,而屋蓋前端開口附近所受的風荷載變化相對較小,體型系數為0.8～-0.5。

圖7 不同風向下屋蓋最不利正體型系數分布云圖

圖8 不同風向下屋蓋最不利負體型系數分布云圖

3.3 簡化模型模擬分析

當屋蓋正面迎風時,所受風壓較小,尤其是立面的風荷載幾乎為零。為驗證此結果的正確性及其產生的原因,從屋蓋(后稱原模型)中提取了主要特征,并將曲面簡化為平面,建立了如圖9所示的“門牙”形屋蓋(簡稱簡化模型)。這個“門牙”與后方建筑形成近似立方體的空間,數值模擬相關參數參照2.2小節確定,模擬結果如圖10所示。

圖9 簡化模型及相關尺寸

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

由圖10可知:當β=0°時,簡化模型的立面風荷載與原模型一致,均較小,體型系數位于0.1以內。此時氣流在屋蓋直角轉折處發生分離,導致風荷載變化明顯,屋蓋平面受到風吸力作用;當β=45°時,簡化模型側面迎風,僅側面迎風部分受到風壓力作用,其余部分均受到風吸力作用,最大正壓出現在迎風邊緣處,此處氣流變化較為復雜,而最大負壓出現在迎風的直角轉折處;當β=90°時,屋蓋與來流風平行,體型系數大部分為-0.2～0.2,此時風荷載的分布與原模型存在較大差異。體型系數在近風側出現最不利負值,再逐漸向下游增大,這可能是由于簡化模型將屋蓋的弧形曲線改為了折線所引起的。

在原模型中,當屋蓋正面迎風時,立面的風荷載較小,這不僅是由屋蓋前突的弧面造型引起的。當建筑前方結構與其形成兩面開敞的形式時,對后方建筑起到了遮擋作用,同時也影響了自身的風荷載。簡化模型在正面迎風時,側面形狀對其影響不大,其風荷載分布趨勢與原模型類似。由于簡化模型不能正確地體現原模型的側面特征,因此在側面迎風時,其結果與原模型存在較大差異。

4 結論

以某醫院異型開敞屋蓋為工程背景,基于計算流體力學進行數值模擬分析,得到以下結論:

(1)屋蓋與主體建筑之間存在特殊的位置關系,導致屋蓋與后方建筑之間極易產生漩渦。當屋蓋正面迎風時,氣流受到堵塞,使得屋蓋立面風荷載相對較小,體型系數約為0.1。當側面迎風時,氣流更為暢通,屋蓋表面風壓主要表現為負壓。

(2)屋蓋的最不利正體型系數出現在β=270°,位于屋蓋邊緣,為3.16。而最不利負體型系數出現在β=30°,位于屋蓋弧形過渡區,為-2.88。

(3)對于處于周邊建筑回流區的建筑,其風荷載分布可能與經驗值不同。因此,在周邊環境復雜的情況下,需要考慮周邊建筑對新建建筑的影響,并通過風洞試驗或數值模擬獲得更準確的結果。

(4)簡化模型的模擬結果具有一定的參考價值,在早期方案設計分析階段較為重要。