風荷載作用下濱海地區水閘結構受力特性研究

張建 陽佳林 楊杰

摘 要：以廣東省珠海市金灣區濱海商務區機場東路東側主渠水閘為例，針對水閘結構所受風荷載，對比研究中英美日設計規范的計算方法，分析各國方法的差異；基于計算流體動力學數值模擬，對不同風向、規范風壓及極端臺風天氣下水閘結構所受風荷載的分布情況進行研究；采用結構有限元分析不同風荷載工況下，水閘結構的受力特性，為濱海地區水閘結構的抗風設計提供一定的借鑒意義。研究結果表明：中國規范考慮風振系數后的風荷載值與英美日3國規范基本相當；水閘風向系數為0.75～1.03，風荷載可根據水閘朝向與主導風向的夾角乘以一定的風向折減系數；水閘背風面風荷載體型系數大于常規建筑物，建議水閘結構按照風敏感建筑進行風荷載計算；臺風極端天氣作用下，水閘結構風荷載在考慮風振系數的基礎上再乘以一定的放大系數，并適當增加水閘結構的剛度以滿足正常使用要求；考慮外海潮位及風暴增水的疊加影響，水閘結構地基承載力建議乘以不小于1.15的安全系數。

關鍵詞：風荷載；臺風極端天氣；水閘結構；計算流體動力學；受力特性

中圖分類號：TV222 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0132-11

Force Characteristics of Sluice Structure in Coastal Area Under Wind Load

ZHANG Jian1，2， YANG Jialin1，2， YANG Jie3，4

（1. Zhuhai Institute of Urban Planning & Design， Zhuhai 519000， China;2. Guangdong Coastal Area Disaster Prevention andMitigation Engineering Technology Research Center， Zhuhai 519000， China;3. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China;4. Nanjing R&D Tech Group Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： This paper takes the sluice of the main channel on the east side of East Airport Road， Jinwan Coastal Business District， Zhuhai City， Guangdong Province as an example. Given the wind load on the sluice structure， the paper compares the calculation methods of the design standards in China， the UK， the US， and Japan and analyzes the differences in calculation methods among the four countries. Based on the numerical simulation of computational fluid dynamics， it studies the distribution of wind load on sluice structure in different wind directions， standard wind pressure， and extreme weather such as typhoon. With the structural finite element method， the force characteristics of sluice structure are analyzed under different wind load conditions， which provide some reference for the wind resistance design of sluice structure in coastal areas. The research results show that the wind load value of the Chinese standard considering the wind vibration coefficient is basically the same as that of the UK， the US， and Japanese standards. The wind direction coefficient of the sluice is between 0.75 and 1.03， and the wind load can be multiplied by a certain wind reduction factor according to the angle between the sluice and the dominant wind direction. The shape factor of wind load on the leeward side of the sluice structure is larger than that of general buildings. It is suggested to define the sluice as wind-sensitive building for wind load calculation. Under extreme weather such as typhoons， the wind load of the sluice structure should be multiplied by a certain amplification coefficient considering the wind vibration coefficient， and the stiffness of the sluice structure should be appropriatelyincreased to satisfy the requirements of normal use. Considering the superimposed effect of offshore tide level and storm surge， it is recommended to multiply the bearing capacity of the sluice structure foundation by a safety factor of not less than 1.15.

Keywords： wind load; typhoon extreme weather; sluice structure; computational fluid dynamics; force characteristics

風荷載是建筑物設計中的重要可變荷載，尤其是東南沿海臺風經常肆虐地區的建構筑物，風荷載往往具有控制作用，直接影響結構安全和工程投資。珠海是臺風多遇濱海城市，2017年的“天鴿”臺風、2018年的“山竹”臺風、2020年的“海高斯”臺風及2023年的“蘇拉”臺風都嚴重影響珠海，造成極大的社會、經濟災害［1］。水閘與常規建筑物有一定差異，下部為閘室，中部為閘板提升預留空間，上部為啟閉機房，因此水閘結構屬于中間大開孔的異形結構，準確計算水閘結構受到的風荷載，并研究水閘結構在不同風荷載工況下的受力特性，對濱海地區水閘結構設計的可靠性和城市防災減災都具有重要的工程價值與現實意義。

結構風工程研究方法主要包括現場實測、風洞實驗、理論分析和數值模擬，實際工程應用中基本采用規范計算方法和數值模擬方法計算風荷載［2］。本文以廣東省珠海市金灣區濱海商務區機場東路東側主渠水閘為例，針對水閘結構所受風荷載，對比研究中英美日4國規范風荷載的計算方法，分析各種方法的差異和優劣；基于計算流體動力學的數值模擬，對不同風向、規范風壓及極端臺風天氣下水閘結構所受風荷載進行研究；采用結構有限元分析方法，對不同風荷載工況下水閘結構的受力特性進行了研究。

1工程實例

珠海市金灣區濱海商務區機場東路東側泵閘工程位于三灶鎮白龍河尾濱水區主排洪渠末端出?？?，防洪標準為50年一遇，排澇標準為30年一 遇，擋潮標準為100年一遇。主渠水閘具有雙向擋水、泄水功能，共10孔，單孔凈寬8 m，總凈寬80 m，閘室總寬度為100 m，水閘閘室采用兩孔一聯整體式底板鋼筋混凝土結構。水閘閘頂高程5.40 m，閘室底板頂高程為-2.00 m，閘室順水流方向長22 m，閘室結構立面見圖1。

2風荷載計算方法

結構體系在風作用下都會產生振動，將脈動風作為輸入，按隨機理論對結構直接進行動力響應分析是最準確的方法，但過于繁瑣，只對特殊結構形式或對動態風激勵敏感的建筑物才采用［3］。工程實際中通常采用規范計算方法計算風荷載，中國及國外主要規范均采用等效靜力荷載法，見表1。根據中國、英國、美國及日本規范的計算方法，得到本工程水閘結構的風荷載，見表2。

各國規范對風的隨機動力作用均采用等效靜力風荷載，對基本風速的定義僅在時距的取值上存在著不同［8］：美國規范取3 s，中國及日本規范取10 min，英國規范取1 h，美國規范取值最大；中美日3國規范均采用風速沿高度指數律變化，按照梯度風速相等原則計算風壓高度變化系數，但英國規范中的地形及建筑物系數則考慮了地形地貌和建筑物外形比例等因素影響，與其他3國規范差別較大；對于本工程，中美日3國規范的體型系數一致，迎風面為0.8，背風面為-0.5，英國規范迎風面體型系數為0.85，略大于其他規范；中美日3國規范均采用隨機振動理論考慮風速脈動性，中國規范采用慣性力法，美國規范采用基于頂端位移的陣風因子法，日本規范采用基于基底彎矩的陣風因子法［9］，且各國對剛性結構的定義不同，按照中國規范，本工程水閘結構無需考慮風振系數，但按照美國及日本規范則需考慮。

從計算結果中可以看出，各國規范計算的風荷載值存在一定差別，英國規范計算值最大，英美日規范計算值均大于中國規范，為中國規范的1.38～1.72倍；如果本工程水閘考慮風敏感建筑物，風荷載計算時考慮風振系數的影響，則英美日3國規范的計算值為中國規范的0.85～1.05倍，基本相當。

3濱海地區水閘結構受力特性分析

3.1風工程數值模擬

計算流體力學是應用計算機近似模擬流體流動現象進而求得流體作用力的一種技術，本質是將流體的運動用微分方程描述出來，通過對計算區域的離散，進而求解得出流場性質的一種方法。風工程數值模擬是以湍流作用下的鈍體繞流為研究對象，將建筑物作為大氣流場中的障礙物，通過相應計算求得空氣和建筑物相互作用的一門科學［10］。數值風洞可以模擬復雜結構體型及其周圍的空氣流動，計算出結構表面的風壓分布、風荷載體型系數等，克服了風洞試驗成本高、周期長的缺點，可以方便地調整參數，研究分析不同參數的影響［11-13］。

3.1.1數值理論的基本原理

大氣邊界層中氣流的流動狀態屬于湍流，風體運動要受到物理守恒定律的約束［14］。目前，湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬和非直接數值模擬兩類。本文計算選用可以適應較高精度要求的剪切流動的 Realizable k -ε模型，壁面函數采用非平衡壁面函數，該模型控制方程如下［15］：

式中 k——湍動能；ε——湍流耗散率；ρ——流體密度；t——時間；μ——動力黏度系數；ui——湍流黏度；σε、σk、C1、C2——經驗常數；Gk——由平均速度梯度引起的湍動能的產生項；μ湍動黏度；v——運動黏度；E——單位質量的總能量。

3.1.2幾何建模及網格劃分

水閘模型尺寸為100.0 m×22.0 m×21.5 m，計算域取長方體區域，尺寸（長×寬×高）為500 m×300 m×150 m，見圖2，計算阻塞率為2.9%（<3%），滿足條件，以盡量消除計算域的設置對模型周圍流動狀態的影響，建筑模型置于整體流域沿流向的1/3位置處。采用結構化網格與非結構化網格混合的方式，將原模型進行網格劃分，水閘周圍采用非結構化網格加密，網格數為100萬左右。

模型中各邊界面的邊界條件應當反映實際風場的流動特性，計算域的入口邊界條件選用速度入口條件，入口風速按照指數規律及等風速布置，指數律風速變化［4］：

V （z ）= V10（ ）α?????????????????? （3）

式中 V10——10 m 處高度的風速；z ——高度；α——地貌粗糙度系數，水閘位于濱海區，取值為0.12。

對于湍流強度剖面的湍流動能、湍流動能比耗散率，采用以下公式［16］：

式中 I （z ）——湍流強度；Cμ——經驗常數，取0.09；Lu——縱向平均湍流積分尺度。

流域的出口設置為壓力出口邊界，流域的頂部、兩側采用自由滑移對稱邊界條件，地面以及建筑物的表面采用無滑移的壁面條件。計算采用三維單精度，基于壓力的分離式求解器，采用 SIMPLE 算法來處理速度和壓力的耦合，各相關物理量迭代殘差的收斂限值設為0.0001。

3.2風向影響

最大風及最大壓力系數值可能來自任一方向，具有不確定性，風向系數是考慮這兩種因素的發生概率對風荷載的修正系數。英國、美國和日本規范都計及風向修正系數，英國規范風向修正系數根據建筑物的不同角度取值范圍為0.73～1.00；美國規范依據結構和場地類型對基本風壓取風向修正系數取值范圍為0.85～0.95；日本規范則依各地主導風向取0.85～1.00［17］。中國規范中并沒有相應的風向修正系數。

根據珠海風向玫瑰圖，珠海常年盛興東北風及東南風，本工程泵閘朝向為北偏西30° ， 珠海主導最大風向與泵閘的角度為73°及142°。為探明風向對泵閘結構所受風荷載的影響，模擬不同角度來風下水閘結構所受的風荷載大小，來風角度取90°、75°、60°、45°及30° ， 不同工況下泵閘所受的風壓見圖3。根據計算結果，不同風向下水閘結構的風向系數見表3。

從圖3及表3中可以發現，隨著來風風向與水閘結構相交的角度的減少，正風壓呈減少趨勢，負風壓呈增大趨勢，在計算水閘結構迎風面或背風面圍護結構時，其風荷載可適當考慮風向系數的影響；總風壓風向系數位于0.75～1.03，與英標規范的風向系數基本相似，因此，在水閘結構平面布置確定的情況下，計算風荷載可以根據水閘結構朝向與當地常年主導風向的夾角乘以一定的風向折減系數。

3.3水閘結構風荷載分析

根據統計結果，中國年均7個臺風登陸，臺風登陸最頻繁的廣東省年均2.72次臺風登陸，占比將近40%。根據實測臺風資料（中國臺風網 http：//tcdata. typhoon. org. cn），2023年9月，臺風“蘇拉”登陸珠海金灣區，臺風中心點離本項目13 km，臺風風速48 m/ s；2020年8月，臺風“海高斯”登陸珠海金灣區，臺風中心點離本項目8 km，中心最大風力35 m/s；2018年8月，臺風“山竹”中心點離本項目55 km；2017年8月，臺風“天鴿”在珠海沿海登陸，臺風中心點離本項目15 km，實測最大風速51.9 m/s，同時疊加天文大潮影響，沿岸出現海水倒灌?？梢姡捎谥楹５乩砦恢眉艾F在臺風極端天氣頻發，研究不同強度臺風登陸時水閘結構的風荷載特性及結構受力具有一定的實際意義，可以為沿海水閘的結構設計提供一定的借鑒及方向。

3.3.1規范風壓

基本風壓按50年一遇的基本風速計算，珠海設計風壓為0.85 kPa，對應10 m 高度處的風速約為36.8 m/s。

規范風壓風速作用下，水閘結構迎風面及背風面的風壓分布見圖4。迎風面風壓隨著高度變化，水閘高度越高，風壓越大，最大值為1.04 kPa，背風面風壓隨高度變化較小，平均風壓約為0.96 kPa。

3.3.2臺風極端天氣

本工程采用近期在珠海附近登陸的“蘇拉”“天鴿”“山竹”及具有代表性的“威馬遜”臺風的實測風速資料，采用計算流體動力學數值模擬方法，分析不同臺風極端天氣作用下水閘結構的風荷載特性，不同工況下水閘結構風壓分布見圖5。

3.3.3計算結果分析

數值模擬結果與規范值計算結果對比見表4。規范風壓作用下，迎風面風壓數值模擬結果與規范計算值基本一致，但背風面風壓荷載與規范值相差較大，可見，由于水閘中間預留較大閘門檢修空間，水閘結構體型類似于中間大開孔的異型結構，風通過孔洞后在水閘背面形成較大風吸力，導致水閘結構風荷載體型系數與常規建筑物有一定差別，背風面體型系數較大；對于總體風壓，數值模擬風壓總荷載大于中國規范計算值，約為其1.2倍。如若水閘結構考慮風振系數，則其規范計算值為模擬風荷載值的1.37倍，具有一定的安全裕度。因 此，對于水閘類異型結構，建議定義為風敏感建筑物，風荷載值考慮風振系數的影響，保證一定的安全裕度，且其風荷載體型系數與常規結構有差別，在計算水閘背風面圍護結構的風荷載時，采用規范規定的風荷載體型系數偏于不安全。

臺風極端天氣作用下，水閘結構所受的風荷載值大于規范設計值，為中國規范計算值的1.63～3.02倍，為考慮風振系數后國標計算值的1.00～1.84倍。因此，對于沿海水閘結構，為滿足極端天氣下水閘主體結構不破壞，應對風荷載取值在考慮風振系數的基礎上再乘以一定的放大系數，以保證水閘結構安全。

3.4水閘結構受力分析

根據上述規范風壓及臺風極端天氣下水閘結構所受風荷載，采用結構有限元分析計算不同工況下水閘結構的受力情況。不同風荷載作用下水閘結構的位移角（風）及柱底彎矩統計見表5，基礎地基應力分布見圖6。

根據表5計算結果，規范風荷載作用下位移角有較多富余度，但在極端臺風工況下，隨著臺風風速的增大，結構的風位移角已不滿足規范要求（1/550），因此，需要適當增加水閘結構的剛度以滿足正常使用要求。

根據圖6計算結果顯示，由于風荷載引起的地基應力在水閘整體應力的占比不大，約為10%，因此，不同臺風工況下，地基最大應力增大1.03～1.10倍，最小應力為原來的0.82～0.97倍，地基應力偏心作用增加5%左右，均滿足原地基承載力要求。但實際極端天氣工況下，外海水位遠大于內河水位，如同時疊加天文大潮潮位及風暴增水影響，水閘外海側會受到較大的水浪壓力荷載，見圖7。臺風“山竹”期間，珠海市三灶附近最大增水值約3.12 m［18］，珠澳人工島處200年一遇風暴增水值為3.17 m，50年一遇為2.31 m［19］。由于波浪力對水閘結構的作用力學機理比較復雜，因此本文僅考慮水位差壓力的作用，選取臺風“山竹”及“威馬遜”工況，計算考慮內外水位差情況下水閘結構的地基應力分布，其應力結果見圖8。

分析計算結果表示，在臺風“山竹”及“威馬遜”極端天氣作用下，疊加考慮內外水位差壓力作用影 響，地基最大應力在原先基礎上再增大1.14～1.16 倍，最小應力約為原來的0.75～0.85，偏心作用進一 步加大，且最大應力已經大于原地基承載力的1.2 倍，不滿足規范要求。因此，極端天氣作用下，考慮 外海測潮位及風暴增水的疊加影響，需要適當增大 地基承載力的富裕度方能滿足結構安全需求，建議乘以不小于1.15的安全系數。

4結論

以廣東珠海金灣區濱海商務區機場東路東側排洪泵閘工程為例，針對濱海水閘所受的風荷載，對比研究了風荷載計算方法，結合流體動力學及結構有限元進行不同風荷載工況下水閘結構的受力分析，得出以下結論。

a）中英美日4國規范中，英國規范風荷載值最大，且英美日規范值均大于中國規范，為中國規范的1.38～1.72倍，但如果將本工程水閘定義為風敏感建筑物，則英美日3國規范的計算值為中國規范的0.85～1.05倍，基本相當。

b）通過流體動力學數值模擬，水閘結構風向系數為0.75～1.03，可以根據水閘朝向與當地常年主導風向的夾角乘以一定的風向折減系數。

c）規范風壓作用下，水閘結構迎風面風壓與規范計算值基本一致，但背風面風壓與規范值相差較大，在計算背風面圍護結構的風荷載時，采用規范的風荷載體型系數偏于不安全；風壓總荷載約為中國規范計算值的1.2倍，考慮風振系數的規范計算值為模擬風荷載值的1.37倍。因此，為保證一定的安全裕度，對于水閘類異型結構，建議定義為風敏感建筑物，風荷載考慮風振系數。

d）臺風極端天氣作用下，水閘結構所受的風荷載值約為考慮風振系數后國標計算值的1.00～1.84倍。因此，對于沿海水閘結構，為滿足極端天氣下水閘主體結構不破壞，風荷載取值應在考慮風振系數的基礎上再乘以一定的放大系數。

e）根據水閘結構不同風荷載工況下的受力分析，極端天氣作用下，應適當增加水閘結構的剛度以滿足正常使用要求；考慮外海側潮位及風暴增水的疊加影響，水閘結構的地基承載力建議乘以不小于1.15的安全系數。

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（責任編輯：向 飛）