李 波，楊慶山，侯亞委，陳愛國

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

近年來，隨著海島旅游資源的不斷開發(fā)利用，我國在海濱地區(qū)建設(shè)了一大批地標(biāo)性大型客運(yùn)碼頭，造型獨(dú)特的大跨屋蓋在這些客運(yùn)碼頭中得到了廣泛應(yīng)用。由于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)具有自重輕、柔性大、自振頻率低等特點(diǎn)［1－2］，風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制性載荷［3－4］；再加之海濱地區(qū)風(fēng)場往往具有基本風(fēng)壓大的特點(diǎn)，確定該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，并對其風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估便成為該類建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)及運(yùn)營預(yù)警系統(tǒng)必不可少的內(nèi)容之一。

唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭是唐山灣國際旅游島建設(shè)項(xiàng)目的地標(biāo)性建筑，由一大二小呈品字形布置的貝殼形懸挑屋蓋與兩層弧形觀光平臺(tái)組成。其中，兩個(gè)小貝殼完全相同，并以大貝殼主軸為軸線左右對稱（圖1）。大貝殼屋蓋懸挑長度為72 m，小貝殼屋蓋為60 m。風(fēng)荷載是唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭屋蓋設(shè)計(jì)的控制性載荷，并且，碼頭局部風(fēng)環(huán)境是影響其運(yùn)營預(yù)警系統(tǒng)的主要指標(biāo)。

圖1 唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭（單位：cm）Fig．1 Ferry terminal in Tangshan bay for island tourism（unit：cm）

本文以唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭為例，進(jìn)行了海濱大型客運(yùn)碼頭的剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)［5－6］，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬結(jié)果［7－8］，研究了客運(yùn)碼頭大跨屋蓋的風(fēng)荷載分布特性。在此基礎(chǔ)上，分析了屋蓋下方附屬建筑物對其風(fēng)壓的影響，并對客運(yùn)碼頭局部風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了分析，為該類建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)與運(yùn)營預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬概況

1．1 風(fēng)洞試驗(yàn)［9－11］

本次試驗(yàn)在北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系低速風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞試驗(yàn)段為圓形開口。在正式試驗(yàn)前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2001）的規(guī)定，模擬了1／100的A類風(fēng)場（地面粗糙度指數(shù)α＝0．12），風(fēng)場平均風(fēng)、湍流度剖面及脈動(dòng)風(fēng)速功率譜如圖2所示。

圖2中，z、Hg、U、Ug、α分別為高度、梯度風(fēng)高度、風(fēng)速、梯度風(fēng)高度處風(fēng)速和風(fēng)速剖面冪指數(shù)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ?，采用ABS材料和有機(jī)玻璃板制作。根據(jù)實(shí)際建筑物的大小和風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶100，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。考慮到兩側(cè)小貝殼的對稱性，本次風(fēng)洞試驗(yàn)僅對大貝殼和一側(cè)小貝殼布設(shè)測點(diǎn)。采用雙面測壓技術(shù)，每個(gè)測壓貝殼的上、下表面對應(yīng)位置各布置114個(gè)測壓點(diǎn)，共計(jì)456個(gè)測壓點(diǎn)，其中412個(gè)測點(diǎn)位于貝殼對風(fēng)荷載敏感的屋蓋部分（圖4）。測點(diǎn)處設(shè)置測壓管，用來測量各點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)壓，為了獲得盡可能高的頻率響應(yīng)，在連接測壓孔和掃描閥的每一根塑料管中均接有限流器。試驗(yàn)采用美國Scanivalve公司機(jī)械掃描閥測壓系統(tǒng)，采樣頻率400 Hz，每個(gè)通道采樣點(diǎn)數(shù)為3 900。

風(fēng)洞試驗(yàn)中，風(fēng)向角記為β，本文定義模型正南方向的中軸線為0°角（參見圖3）。在0°～360°范圍內(nèi)每轉(zhuǎn)動(dòng)10°測試一次，即模擬36個(gè)風(fēng)向。

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，物體表面的壓力通常用對應(yīng)于參考點(diǎn)的無量綱壓力系數(shù)表示，該系數(shù)可按下式確定：

式中：C為測壓點(diǎn)i處相應(yīng)于參考點(diǎn)的壓力系數(shù)；Pi為作用在測點(diǎn)i處的壓力；P∞、P0分別是試驗(yàn)中參考高度處的總壓與靜壓（本次試驗(yàn)中，參考點(diǎn)設(shè)置在模型頂部高度處）。

本文風(fēng)壓符號(hào)約定為：壓力向上或向外為負(fù)，壓力向下或向內(nèi)為正。

圖2 試驗(yàn)風(fēng)場特性Fig．2 Flow characteristics in wind tunnel

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig．3 Wind tunnel test models

圖4 測壓點(diǎn)布置Fig．4 Distribution of measured taps

1．2 數(shù)值模擬

應(yīng)用CFD技術(shù)對建筑物表面的風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬是當(dāng)前風(fēng)工程研究和應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。本文亦采用CFX計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件［12］對唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭屋蓋的平均風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比CFD數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，可達(dá)到相互驗(yàn)證的目的。此外，借助數(shù)值可視化工具將流場顯示出來，可為進(jìn)一步研究屋蓋周圍流場繞流特性和碼頭局部風(fēng)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

在建立數(shù)值模型時(shí)，按照唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭的實(shí)際尺寸建立幾何模型，計(jì)算域的尺寸取為16L×8B×10H（L為建筑物的順風(fēng)向長度，B為建筑物橫風(fēng)向?qū)挾?，H為建筑物高度），其阻塞率小于3%。由于模型較為復(fù)雜，本文使用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。在計(jì)算域的網(wǎng)格離散中做了特別設(shè)計(jì)：整體上將計(jì)算域分為內(nèi)、外兩部分，在模型附近的內(nèi)域空間采用四面體單元完成內(nèi)域空間的離散；在遠(yuǎn)離模型的外域空間，采用具有規(guī)則拓樸結(jié)構(gòu)的六面體單元進(jìn)行離散。數(shù)值模型的混合體網(wǎng)格單元總數(shù)為360萬左右。計(jì)算模型表面網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 數(shù)值分析模型Fig．5 Numerical analysis models

在數(shù)值模擬中，采用CFX中能有效模擬鈍體空氣動(dòng)力流動(dòng)現(xiàn)象、并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和研究驗(yàn)證具有較高精度的剪切應(yīng)力輸送（SST）模型［12］。SST模型采用自動(dòng)壁面處理方式模擬壁面附近的流動(dòng)，即使在相對較粗的計(jì)算網(wǎng)格下也可獲得精確的結(jié)果，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。來流采用我國規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）中規(guī)定的A類地貌風(fēng)剖面。由于出流接近完全發(fā)展，數(shù)值模擬中采用完全發(fā)展出流邊界條件，流場任意物理量沿出口法向的梯度為零。流體域頂部及兩側(cè)采用對稱邊界條件，等價(jià)于黏性流動(dòng)中的自由滑移壁面。建筑物表面及地面則采用無滑移的壁面條件。

2 屋蓋風(fēng)壓分布特性

本節(jié)將基于風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果給出唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭屋蓋風(fēng)壓分布圖，揭示該類結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布特性。

2．1 典型風(fēng)向角風(fēng)壓分布

圖6給出了0°風(fēng)向角大貝殼平均壓力系數(shù)分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，屋蓋上表面數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，下表面所反映的風(fēng)壓分布規(guī)律也基本一致，可以認(rèn)為本文所采用的數(shù)值方法能夠模擬唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭屋蓋風(fēng)壓分布。0°風(fēng)向角時(shí)，屋蓋上表面均處于負(fù)壓（風(fēng)吸）區(qū)，來流前緣平均壓力系數(shù)值最大，達(dá)到－1．5，且急劇衰減；隨著距離的增加，風(fēng)壓衰減速度逐漸減緩，屋蓋中部平均壓力系數(shù)減小至－0．3；屋蓋后緣平均壓力系數(shù)基本保持不變，大致為－0．3。屋蓋下表面在來流前緣出現(xiàn)正壓區(qū)，并向里延伸，最大值達(dá)到0．6，屋蓋中部兩側(cè)下表面負(fù)壓達(dá)到最大，其值為－0．4。以上說明，來流在屋蓋前緣產(chǎn)生了顯著的分離，分離流表現(xiàn)出較為典型的柱狀渦特性［13－14］。

圖6 0°風(fēng)向角大貝殼平均壓力系數(shù)分布圖Fig．6 Mean pressure coefficient distribution（Large Shell，0 degree）

圖7 給出了270°風(fēng)向角小貝殼平均壓力系數(shù)分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，小貝殼上表面風(fēng)壓分布規(guī)律和大貝殼相似，但是平均壓力系數(shù)數(shù)值明顯小于大貝殼，來流前緣最大負(fù)壓值僅為－1．1。下表面小貝殼平均風(fēng)壓分布與大貝殼存在較大不同，正壓區(qū)出現(xiàn)在來流后緣，最大值僅為0．2，中部邊緣負(fù)壓最大，其值為－0．4。以上說明，位于上游的小貝殼遮蔽作用明顯，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定緩解。

為了更好地說明風(fēng)壓分布規(guī)律，本文將貝殼屋蓋部分劃分為3個(gè)區(qū)域（圖4），在各個(gè)區(qū)域，將其中所包含的測壓點(diǎn)按面積加權(quán)平均即可得到屋蓋各區(qū)的平均壓力系數(shù)，該系數(shù)可按下式確定：

圖7 270°風(fēng)向角小貝殼平均壓力系數(shù)分布圖Fig．7 Mean pressure coefficient distribution（Small Shell，270 degree）

式中為j區(qū)的平均壓力系數(shù)；分別為 j區(qū)所包含的測點(diǎn)i處上表面、下表面平均壓力系數(shù)；為j區(qū)所包含的測點(diǎn)i所代表的面積。圖8給出了大貝殼分區(qū)平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。由圖可以看出，隨著風(fēng)向角的變化，位于屋蓋懸挑端部的1區(qū)均為風(fēng)吸力；當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，其上平均壓力系數(shù)最大，達(dá)到－1．4；隨著風(fēng)向角度數(shù)的增加，平均壓力系數(shù)逐漸減??；當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，平均壓力系數(shù)最小，僅為－0．1；進(jìn)一步增加風(fēng)向角，1區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)基本維持在－0．2。在各個(gè)風(fēng)向角作用下，2區(qū)和3區(qū)平均壓力系數(shù)基本相同，且隨風(fēng)向角變化的規(guī)律性不強(qiáng)；需要注意的是，當(dāng)風(fēng)向角為0°～110°時(shí)，2區(qū)和3區(qū)均為風(fēng)吸力，當(dāng)風(fēng)向角為120°～180°時(shí)，2區(qū)和3區(qū)均為風(fēng)壓力。以上說明，0°風(fēng)向角為最不利工況，1區(qū)風(fēng)荷載是影響結(jié)構(gòu)安全的主導(dǎo)因素；位于大貝殼下方的附屬建筑物對風(fēng)壓分布有一定影響。

圖8 分區(qū)平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線Fig．8 Mean pressure coefficient in different wind directions

2．2 附屬建筑物對屋蓋風(fēng)壓分布的影響

本節(jié)將采用數(shù)值方法，討論最不利工況時(shí)（0°風(fēng)向角），不同附屬建筑物設(shè)置對大貝殼風(fēng)壓的影響，從氣動(dòng)抗風(fēng)的角度，提出減小唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭屋蓋風(fēng)致效應(yīng)的建議。

圖9給出了兩層附屬建筑物（原始情況）、一層附屬建筑物、無附屬建筑物三種工況時(shí)，氣流流經(jīng)大貝殼的速度流線圖。由圖可以看出，當(dāng)設(shè)置兩層附屬建筑物時(shí)，來流在屋蓋前緣的分離最為劇烈；并且，由于屋蓋與附屬建筑物之間距離較小，受遮蔽效應(yīng)的影響，來流在屋蓋根部產(chǎn)生回流。減小附屬建筑的高度后，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定程度的緩解，屋蓋根部回流消失。

圖9 大貝殼風(fēng)場流線圖（0°風(fēng)向角）Fig．9 Wind streamlines of large Shell（0 degree）

圖10 平均壓力系數(shù)（0°風(fēng)向角）Fig．10 Mean pressure coefficient（0 degree）

圖10 給出了上述三種情況，屋蓋分區(qū)平均壓力系數(shù)分布圖。由圖可以看出，由于氣流分離程度得到了一定程度的緩解，減小屋蓋下方附屬建筑物的高度，可以有效的減小1區(qū)風(fēng)荷載，但是，由于屋蓋根部回流消失，2區(qū)和3區(qū)風(fēng)荷載有所增加。

對懸挑屋蓋而言，懸挑根部彎矩是其控制性載荷。風(fēng)荷載作用下屋蓋懸挑根部O處彎矩系數(shù)可以采用下式計(jì)算：

式中表示為j區(qū)的平均壓力系數(shù)；Aj表示為j區(qū)面積；lj表示為j區(qū)荷載對O點(diǎn)的矩；L表示為屋蓋懸挑長度。

前述三種工況計(jì)算得到的屋蓋懸挑根部O處彎矩系數(shù)分別為：－0．366、－0．356、－0．328，這說明減小屋蓋下方附屬建筑物高度有利于減小屋蓋風(fēng)荷載。

3 風(fēng)環(huán)境分析

建筑物的布局會(huì)顯著影響局部風(fēng)環(huán)境，在局部區(qū)域可能形成高風(fēng)速區(qū)，這將引起行人不舒適，甚至不安全的風(fēng)環(huán)境問題，海濱建筑尤甚。上節(jié)通過屋蓋風(fēng)壓分布，驗(yàn)證了本文數(shù)值模型的有效性，本節(jié)將采用數(shù)值方法對唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，為其運(yùn)營預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3．1 分析方法［15］

風(fēng)環(huán)境的主要感受對象是人，弧形觀光平臺(tái)是唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭主要人流聚集區(qū)，二層平臺(tái)風(fēng)環(huán)境問題最為突出。本文在研究中以二層平臺(tái)為主要研究對象，鑒于平臺(tái)相對于大貝殼主軸軸線基本對稱，僅在平臺(tái)左半部分均勻布置了17個(gè)測點(diǎn)（圖11），用以考查唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭風(fēng)環(huán)境。

圖11 平臺(tái)測點(diǎn)布置Fig．11 Measured points in platform

由于缺乏完善的當(dāng)?shù)貧庀笥^測數(shù)據(jù)，本文將主要依據(jù)風(fēng)速比（計(jì)算所得要評價(jià)區(qū)域的風(fēng)速與遠(yuǎn)端同一高度的來流風(fēng)速的比值）對二層觀光平臺(tái)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估分析。本文所進(jìn)行的風(fēng)環(huán)境分析在0°～360°范圍內(nèi)，按氣象學(xué)規(guī)定每隔15°進(jìn)行一次，即模擬24個(gè)風(fēng)向（主要風(fēng)向角仍與圖3相同）。

3．2 分析結(jié)果

圖12給出了平臺(tái)測點(diǎn)風(fēng)速比均值、最大值、最小值隨風(fēng)向角的變化曲線，圖13給出了風(fēng)速比大于1．0（即產(chǎn)生風(fēng)加速的區(qū)域）的測點(diǎn)所占比例隨風(fēng)向角變化直方圖。

圖12 不同風(fēng)向角下風(fēng)速比值圖Fig．12 Rations velocity in the different wind directions

圖13 風(fēng)加速區(qū)域比例直方圖Fig．13 Histogram of wind acceleration region ratio

由各測點(diǎn)風(fēng)速比的均值變化看出，二層觀光平臺(tái)風(fēng)加速情況整體而言不顯著，但從測點(diǎn)最大風(fēng)速比變化可以看出二層觀光平臺(tái)的局部風(fēng)加速情況較為突出。180°風(fēng)向角時(shí)，各測點(diǎn)的平均風(fēng)速比最大，其值為1．2，雖然該風(fēng)向角最大風(fēng)速比為1．4，但是風(fēng)速比大于1．0的區(qū)域所占比例達(dá)到88%。最大風(fēng)速比出現(xiàn)在210°風(fēng)向角，其值達(dá)到1．55，風(fēng)速比大于1．0的區(qū)域所占比例為76%。

圖14給出了180°和210°風(fēng)向角時(shí)，二層平臺(tái)2 m高度處的風(fēng)速比等值線圖。可以看出，由于氣流受到貝殼及附屬建筑物的阻礙，平臺(tái)區(qū)域的窄道效應(yīng)顯著，位于來流方向平臺(tái)一半的區(qū)域風(fēng)速比在1．2～1．4之間，風(fēng)加速較為嚴(yán)重。

圖15給出了兩個(gè)典型測點(diǎn)A、B（圖11）的風(fēng)速比隨風(fēng)向角變化圖。由圖可見，位于平臺(tái)前端的測點(diǎn)A，風(fēng)速比均小于1，當(dāng)其位于來流前緣時(shí)（345°風(fēng)向角），風(fēng)速比最大，為0．81。而位于平臺(tái)中部的測點(diǎn)B，大多數(shù)風(fēng)向角時(shí)風(fēng)速比超過1．0，當(dāng)其位于來流前緣（225°風(fēng)向角）、后緣（45°風(fēng)向角）時(shí)，風(fēng)速比最大，其值達(dá)到1．5。這說明，距建筑較遠(yuǎn)區(qū)域，風(fēng)加速不顯著，甚至某些區(qū)域不產(chǎn)生風(fēng)加速。但處于建筑范圍內(nèi)的區(qū)域，無論其位于來流前緣還是后緣，都有風(fēng)加速問題。因此，建筑物對氣流干擾是引起風(fēng)加速的主要原因。

圖14 風(fēng)速比等值線分布圖Fig．14 Rations velocity distribution

圖15 典型測點(diǎn)風(fēng)速比隨風(fēng)向角變化Fig．15 Wind velocity ratio in different wind directions

通過數(shù)值模擬還可以看出，唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭二層觀光平臺(tái)風(fēng)環(huán)境問題較為突出。

4 結(jié) 論

本文以唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭為例，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了大型客運(yùn)碼頭屋蓋的風(fēng)荷載特性，在此基礎(chǔ)上，對客運(yùn)碼頭風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了分析，可以得到如下主要結(jié)論：

（1）通過與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，本文所采用的CFD數(shù)值模型可以較好的模擬復(fù)雜建筑群繞流問題，能對其風(fēng)壓分布、風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真模擬。

（2）位于客運(yùn)碼頭屋蓋下方的附屬建筑物，對屋蓋風(fēng)壓分布的影響較為顯著，減小附屬建筑的高度，可以緩解氣流在屋蓋前緣的分離，有效減小作用于屋蓋表面的風(fēng)荷載。

（3）建筑物對氣流的干擾是引起風(fēng)加速的主要原因，由于建筑布置較為緊密，唐山灣國際旅游島客運(yùn)碼頭二層觀光平臺(tái)風(fēng)環(huán)境問題較為突出。

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