周 戟，劉熙媛，李兆金，竇遠(yuǎn)明

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

我國每年發(fā)生的影響最嚴(yán)重的前10項自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)占據(jù)了很大比例，造成了相當(dāng)大損失[1-4].另外，針對我國東南沿海地區(qū)多次風(fēng)災(zāi)調(diào)查顯示，在風(fēng)災(zāi)中死亡的人員，因房屋倒塌致死的占到總數(shù)的2/3或以上，這些倒塌的房屋大多是沿海村鎮(zhèn)建筑[5-10].但是目前我國規(guī)范體系中沒有針對村鎮(zhèn)建筑抗風(fēng)方面的專門規(guī)范，由此可見開展村鎮(zhèn)建筑抗風(fēng)研究具有十分重要的現(xiàn)實意義.村鎮(zhèn)建筑抗風(fēng)研究的基礎(chǔ)是對其表面風(fēng)荷載特性的研究，主要研究方法是數(shù)值風(fēng)洞技術(shù).本文主要對應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑的數(shù)值風(fēng)洞方法進(jìn)行研究，并對村鎮(zhèn)建筑表面風(fēng)荷載特性進(jìn)行深入細(xì)致地分析.

1 模擬過程

1.1 工況設(shè)定

風(fēng)向角B的設(shè)置方法：風(fēng)向為沿Z軸正方向，令計算區(qū)域位置不變，調(diào)整房屋幾何模型的坐標(biāo)，使房屋整體繞其底面中心逆時針轉(zhuǎn)動角度 B ，從而達(dá)到實現(xiàn)不同風(fēng)向的目的，如圖1所示.

為研究不同坡度房屋的屋面風(fēng)壓分布情況以及對抗風(fēng)最有利的房屋坡度情況，進(jìn)行如下的模擬計算.房屋的幾何尺寸設(shè)置，工況設(shè)定如表1所示.

圖1 房屋與計算區(qū)域的幾何尺寸及風(fēng)向示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation region,thebuildingmodeland thew ind direction

表1 工況設(shè)置Tab.1 Condition settings

1.2 單元類型

單元類型選擇FLUID142.選用網(wǎng)格劃分方法為：計算區(qū)域邊界平行于軸方向的線分段尺寸為6，平行于軸方向的線分段尺寸為4，平行于軸方向的線分段尺寸為4，建筑物邊界線平均分為10段，長邊平均分為2段.

1.3 湍流模型

湍流模型選擇RNG k-湍流模型，邊界條件選擇為速度入口邊界條件，壓力出口邊界條件，房屋邊界與計算區(qū)域其他邊界均設(shè)置為無滑移固體壁面.

2 結(jié)果分析

在房屋表面風(fēng)吸力最大或風(fēng)壓力最大的區(qū)域，房屋可能首先出現(xiàn)破壞.本文中將風(fēng)壓的絕對值出現(xiàn)極大值的區(qū)域規(guī)定為危險區(qū)域.在工程中，可能發(fā)生因為風(fēng)力過大，造成墻體失穩(wěn)破壞等情況.所以，在工程實際中，需要對這些危險區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)考慮.

圖2 房屋模型Fig.2 Buildingmodel

2.1 0°風(fēng)向下迎風(fēng)面墻體風(fēng)壓分布等值線圖及危險區(qū)域（圖3）

結(jié)果1：迎風(fēng)面墻體的危險區(qū)域如圖3中紅線所圍區(qū)域，峰值風(fēng)壓的值為正值.0°風(fēng)向下，迎風(fēng)面墻體風(fēng)壓分布關(guān)于該面墻體的豎直軸對稱，危險區(qū)域出現(xiàn)在距離屋脊0.25范圍內(nèi).隨著屋頂坡度的增大，此危險區(qū)域逐漸移至山墻尖部，因此，坡度大于30°的坡屋頂，必須對山墻尖部采取有效的拉結(jié)措施，以防止山墻尖部失穩(wěn)破壞.

2.2 右側(cè)面墻體風(fēng)壓分布等直線圖及危險區(qū)域（圖4）

結(jié)果2：右側(cè)墻體的危險區(qū)域在0°風(fēng)向下時，為圖4中深藍(lán)線所圍區(qū)域，峰值風(fēng)壓的值為負(fù)值.在30°及45°風(fēng)向下時，為圖中紅線所圍區(qū)域，峰值風(fēng)壓的值為正值.風(fēng)向角為0°時，左右側(cè)面墻體均受到風(fēng)吸力作用；當(dāng)風(fēng)向角為30°或45°時，右側(cè)墻體中靠近迎風(fēng)面墻體的區(qū)域受到風(fēng)壓力作用，靠近背風(fēng)面墻體的區(qū)域受到風(fēng)吸力作用，沿長度方向，風(fēng)荷載值漸小，且會改變符號.在工程實際中，要考慮縱墻在風(fēng)荷載作用下受到的力矩作用，以及因此產(chǎn)生的應(yīng)力.

2.3 背風(fēng)墻體風(fēng)壓分布等值線圖及危險區(qū)域（圖5）

結(jié)果3：對于同一種坡度的房屋，風(fēng)向的改變對其背風(fēng)面的峰值風(fēng)荷載有較大影響.風(fēng)向角為0°時，背風(fēng)墻體上的風(fēng)壓值很小，與其他墻體部分及屋頂峰值風(fēng)壓的值相比，幾乎可以忽略，不計入危險區(qū)域內(nèi)；風(fēng)向角為30°時，峰值風(fēng)壓增大很多，危險區(qū)域位置為圖5中深藍(lán)線所圍區(qū)域，峰值風(fēng)壓的值為負(fù)值.背風(fēng)墻面總是受到風(fēng)吸力的作用.

3 結(jié)論

本文應(yīng)用FLOTRAN CFD分析，使用RNG k-湍流模型，對12種坡度的單層雙坡房屋在風(fēng)向角為0°、30°、45°的風(fēng)作用下的情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了如下結(jié)論：

1）風(fēng)向角為0°的風(fēng)作用下，迎風(fēng)墻體危險區(qū)域的位置，以及房屋坡度改變對迎風(fēng)面墻體風(fēng)壓分布的影響如圖3所示.由此可知，坡度大于30°的坡屋頂房屋，必須對山墻尖部采取有效的拉結(jié)措施，以防止山墻尖部失穩(wěn)破壞.在房屋建造過程中，當(dāng)墻體砌筑至接近房屋2/3高度時，可以在后續(xù)砌筑過程中適當(dāng)增加豎向拉結(jié)材料的數(shù)量，以增強(qiáng)墻體的抗剪能力.對于山墻較高的情況，可在山墻頂部設(shè)置墻攬，以增加墻體的整體性和穩(wěn)定性.

2）風(fēng)向角的改變對房屋縱墻風(fēng)壓分布的影響如圖4所示.由此可知，當(dāng)風(fēng)向角為30°或45°時，右側(cè)墻體中靠近迎風(fēng)面墻體的區(qū)域受到風(fēng)壓力作用，靠近背風(fēng)面墻體的區(qū)域受到風(fēng)吸力作用，沿長度方向，風(fēng)荷載值漸小，且會改變符號.在工程實際中，要考慮縱墻在風(fēng)荷載作用下受到的力矩作用，以及因此產(chǎn)生的應(yīng)力.為防止墻體破壞，縱橫墻要咬槎砌（夯）筑；在墻體轉(zhuǎn)角處設(shè)置拉結(jié)材料，拉結(jié)材料在縱墻內(nèi)的延伸長度要大于墻體長度的1/10以上.

3）風(fēng)向角的改變對房屋背風(fēng)面墻體風(fēng)壓分布的影響如圖5所示.由此可知，背風(fēng)墻面總是受到風(fēng)吸力的作用.風(fēng)向角為30°時，風(fēng)吸力較大，不能忽略，對背風(fēng)墻面也要采取相應(yīng)抗風(fēng)措施.

[1]2006年度全國十大自然災(zāi)害事件 [J].中國減災(zāi)，2007（1）：28-31.

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