L型和矩形低矮房屋體型系數(shù)對比研究

姚望1， 姚勇1， 李明2

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽621010；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心， 四川綿陽621010)

摘要：通過數(shù)值模擬方法與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法分析房屋體型系數(shù)的可行性。將L型和矩形雙坡房屋的屋面體型系數(shù)進(jìn)行對比，將矩形屋面和規(guī)范中的體型系數(shù)取值進(jìn)行對比。結(jié)果表明：L型房屋的屋面體型系數(shù)在絕大多數(shù)工況下相對較小，說明L型房屋更有利于抗風(fēng)，并指出了在規(guī)范中當(dāng)體型系數(shù)取值為負(fù)時偏小。最后給出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)值計(jì)算L型房屋體型系數(shù)建議值。

關(guān)鍵詞：L型房屋；數(shù)值模擬；體型系數(shù)

文章編號：1673-1549(2015)04-0057-05

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.12

收稿日期:2015-06-02

作者簡介:姚望(1990-)，男，四川綿陽人，碩士生，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)方面的研究，(E-mail)365982671@ qq．com

中圖分類號：TU312+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

根據(jù)國內(nèi)外大量自然災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表明，風(fēng)災(zāi)是一種發(fā)生頻率高，破壞力強(qiáng)的自然災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大的損失[1]。然而，歷次風(fēng)災(zāi)中低矮建筑損失占了房屋破壞總損失的一半以上[2]。因此，對低矮房屋的風(fēng)載特性進(jìn)行深入研究很有意義。

國外已經(jīng)有大量學(xué)者對低矮房屋進(jìn)行了研究[3]。但是，在國內(nèi)關(guān)于低層房屋抗風(fēng)問題的研究仍未成為結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究領(lǐng)域的一個重要課題，相關(guān)方面的投入和學(xué)術(shù)關(guān)注均很低[4]。

目前，在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域采用的研究方法主要有現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[5]。風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬在風(fēng)荷載特性分析上都有較好的可行性[6]。但是，風(fēng)洞試驗(yàn)存在著經(jīng)費(fèi)大，周期長，并且很難進(jìn)行系統(tǒng)分析風(fēng)荷載等問題。相較于風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬方法具有周期短，經(jīng)費(fèi)少，準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)[7]。在近30年的時間里，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成了一種分析風(fēng)荷載的有力工具。

國內(nèi)外已經(jīng)較系統(tǒng)地研究了來流風(fēng)向角、屋面坡度、挑檐長度、檐口高度和房屋長寬比對屋面風(fēng)壓系數(shù)的影響[8-11]。這些研究都是在矩形房屋的基礎(chǔ)上研究的。實(shí)際上，房屋的體型對屋面的體型系數(shù)也有影響。隨著人們生活水平的提升，房屋的形式不再局限于矩形平面。近年來，L型平面的房屋廣為流行[12]。然而，我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]只對它們墻體的體型系數(shù)作了規(guī)定，對屋面體型系數(shù)的取值無法查閱。對于低矮建筑，體型的變化對低矮建筑體型系數(shù)的影響還沒有明確的定論。但可以肯定的是，房屋體型的變化對體型系數(shù)具有一定影響。

本文的研究對象是矩形和L型雙坡屋面的低矮房屋。在驗(yàn)證數(shù)值模擬可行性的基礎(chǔ)上，初步探討低矮建筑體型的變化對房屋體型系數(shù)的影響，并對L型房屋相對矩形房屋的抗風(fēng)能力進(jìn)行初步評價。

1數(shù)值風(fēng)洞模擬方法

1.1　RNG k-ε模型

近地風(fēng)實(shí)際上可以看成一種不可壓縮的湍流流動。在FLUENT軟件中，提供了多種用于計(jì)算的湍流模型。其中RNG k-ε湍流模型，具有良好的模擬精度，所以，此次試驗(yàn)采用該模型進(jìn)行模擬。Suh S H等也都先后采用該模型對實(shí)例建筑的風(fēng)場和風(fēng)壓進(jìn)行過數(shù)值模擬，結(jié)果表明該模型的模擬效果良好。其湍流微分方程：

(1)

(2)

式中：Gk、Gb、YM和標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型相同。αk、αε分別為湍動能和耗散率ε方程的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。湍流粘性系數(shù)ut公式為：

(3)

1.2　計(jì)算域及網(wǎng)格的劃分

本次試驗(yàn)選取的基準(zhǔn)模型是矩形平面房屋和L形平面雙坡房屋。它們坡角的坡度取為15°、25°、30°、35°、45°和60°。一共有12個模型。模型平面及風(fēng)向角定義如圖1所示。矩形平面的房屋長寬高為15×7.5×9.8 m。L形平面的尺寸如圖1所示，高度和矩形平面相同。矩形平面計(jì)算流域取為180×90×60 m。L形平面計(jì)算流域取為240×160×60 m。建筑物置于流域沿流向前1/3處，流域設(shè)置滿足阻塞率<3%的要求。

圖1　計(jì)算模型及風(fēng)向角定義

為了實(shí)現(xiàn)更好的效果，并更好的利用計(jì)算資源，此次計(jì)算采用混合網(wǎng)格離散方法。計(jì)算區(qū)域可以分為內(nèi)外兩部分，在靠近模型的區(qū)域采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格布置較密。然后在遠(yuǎn)離模型的區(qū)域，采用具有規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。矩形平面的網(wǎng)格總數(shù)為80萬個，L形平面的網(wǎng)格總個數(shù)為100萬個。

1.3　計(jì)算參數(shù)設(shè)置

(1)入口來流條件：對于入口進(jìn)流處速度的選取，采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》給出的指數(shù)率風(fēng)速分布計(jì)算公式：

(4)

其中，Z0、U0分別是參考點(diǎn)的高度和風(fēng)速，參考高度取為10 m，模擬B類地貌的風(fēng)場，因此α的取值為0.15，風(fēng)速剖面可以通過UDF應(yīng)用編程然后于fluent作接口實(shí)現(xiàn)。

(2)出口條件：由于出流面接近完全平面，因此，采用完全發(fā)展邊界條件。流場的任意邊界物理量沿出口方向的法方向梯度為0。

(3)流域頂部及兩側(cè)：采用自由滑動壁面。

(4)結(jié)構(gòu)表面和地面：采用無滑移的壁面條件。

1.4　計(jì)算收斂準(zhǔn)則

采用分離式求解，3D單精度計(jì)算。用精度較高的二階迎風(fēng)格式對流項(xiàng)進(jìn)行離散。迭代的收斂標(biāo)準(zhǔn)為所有控制方程的相對迭代殘余量均小于l×10-4，且同時監(jiān)測到的各表面壓力系數(shù)基本不發(fā)生變化時，認(rèn)為所得流場進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。

1.5　驗(yàn)證算例

本文選取長安大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證。屋面定義和建筑模型如圖2所示。風(fēng)洞試驗(yàn)中，矩形平面房屋的尺寸為15×7.8×9.9 m，屋面坡角為α=30°。采用數(shù)值模擬方法對風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證時，矩形的計(jì)算流域選取為180×100×80 m。建筑物置于流域沿流向前1/3處，流域設(shè)置滿足阻塞率<3%的要求。分別在0°、45°和90°風(fēng)向角下進(jìn)行對比，體型系數(shù)的對比結(jié)果如圖3所示。

圖2　矩形屋面定義

圖3　L型和矩形屋面體型系數(shù)值

通過數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的對比，可知數(shù)值模擬對房屋體型系數(shù)的模擬與試驗(yàn)吻合度較好，雖然存在一定的誤差，但是誤差在工程設(shè)計(jì)可接受范圍之內(nèi)。因此，采用數(shù)值模擬的方法對房屋的風(fēng)載體型系數(shù)進(jìn)行分析是切實(shí)可行的。

2體型系數(shù)的對比與分析

2.1　測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)

在計(jì)算中為了方便，各計(jì)算模型的風(fēng)壓系數(shù)CP，可根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取10 m高度處作為參考高度，來流動壓作為無量綱化的參考風(fēng)壓。定義為：

(5)

式中，P為測點(diǎn)平均壓力，P0參考點(diǎn)處靜壓，ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3。U0為參考點(diǎn)處風(fēng)速，取12.8 m/s。

2.2　面體型系數(shù)

點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)測定之后，就可以對建筑體型每個面上測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，就可得到面體型系數(shù)。

(6)

其中：CPi為第i測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)，Ai為該點(diǎn)所屬表面面積，A為表面總面積，Zi為第i測點(diǎn)高度，當(dāng)Zi<10時，取Zi=10。

2.3　不同坡角下體型系數(shù)對比

選取15°、25°、30°、35°、45°和60°坡角矩形和L形低矮房屋，分別在0°～180°風(fēng)向角下進(jìn)行體型系數(shù)對比。不同工況下的體型系數(shù)值如圖4所示。

圖4　坡度變化下的體型系數(shù)

比對方式：L型房屋上部區(qū)域在相同風(fēng)向角下和矩形屋面對比，L1和J2對比，L3和J1對比。下部區(qū)域?qū)Ρ葧r有些差異，在0°和90°風(fēng)向角下對比時，L2和L4分別和相同風(fēng)向角下J2和J1對比。45°風(fēng)向角時，L2和L4分別和135°風(fēng)向角下的J1和J2對比。在135°風(fēng)向角下，L2和L4分別和45°風(fēng)向角下的J2和J1對比。180°風(fēng)向角下，L2和L4分別和90°風(fēng)向角下矩形屋面J2和J1對比。

在這樣的對比方式下，一共對比了120組數(shù)據(jù)。在0°風(fēng)向角下進(jìn)行對比時，可知只有在15°、25°、30°和60°坡角下，共四組對比中L1和L2的體型系數(shù)絕對值比相應(yīng)的矩形屋面大。最大相差0.26，最小相差0.06。其他情況，L型屋面的體型系數(shù)絕對值比相對應(yīng)的矩形屋面小，屋面的整體風(fēng)壓更小。在45°風(fēng)向角時，25°坡角下，L1和L3比相應(yīng)的矩形屋面大，分別大了0.23和0.04。在35°坡角下，L2比相應(yīng)的矩形更大，60°坡角時，L3比相應(yīng)的矩形屋面大，分別大了0.07和0.02。其它20組對比中，L型的屋面體型系數(shù)都更小。在90°風(fēng)向角時，15°坡角下L1和L3的體型系數(shù)比對應(yīng)的矩形屋面更大。分別大了0.04和0.18。30°坡角下，L1和L3的比相應(yīng)矩形更大。分別大了0.02和0.01。45°坡角下，L1和L2的比相應(yīng)矩形的系數(shù)更大，分別大了0.08和0.38。60°坡角下，L2和L3的比相應(yīng)矩形更大。其它情況下，L型房屋的體型系數(shù)更小。當(dāng)風(fēng)向角變?yōu)?35°時，只在45°坡角下的L4和60°坡角下L3區(qū)域的體型系數(shù)比相應(yīng)的矩形更大，分別大了0.09和0.05。在180°風(fēng)向角下，只在60°坡角下的L3和L4比相應(yīng)的矩形體型系數(shù)更大，均大了0.02。

在120組數(shù)據(jù)的對比中，只有24組數(shù)據(jù)，L型房屋的體型系數(shù)絕對值更大，其他96組數(shù)據(jù)的體型系數(shù)絕對值都更小，差值大多在0.1以上。體型系數(shù)小的屋面整體抗風(fēng)性能更好。因此，L型房屋在絕大多數(shù)情況下對抗風(fēng)更有利。

3規(guī)范取值的對比

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對矩形房屋的體型系數(shù)作了規(guī)定。該系數(shù)取值和本文中135°風(fēng)向角下矩形屋面的情形相對應(yīng)(圖5)。

和規(guī)范的對比中可知，在迎風(fēng)面，

當(dāng)規(guī)范取值為負(fù)數(shù)時，取值比數(shù)值模擬的結(jié)果更小。當(dāng)規(guī)范中取值為正數(shù)時，取值比數(shù)值模擬結(jié)果更大。在背風(fēng)屋面中，規(guī)范統(tǒng)一取為-0.5，而數(shù)值模擬的結(jié)果比該值的絕對值更大。因此可知，當(dāng)屋面承受負(fù)壓時，體系系數(shù)取值的絕對值偏小，偏于不安全。當(dāng)屋面承受正壓時，體型系數(shù)取值偏于安全。

圖5　規(guī)范中矩形屋面體型系數(shù)取值

4L型房屋體型系數(shù)建議值

鑒于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中并沒有給出L型屋面的體型系數(shù)值。因此，根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)值給出L型雙坡屋面的體型系數(shù)建議值，可以給L型屋面的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考，見表1。

表1　L型房屋屋面體型系數(shù)建議值

注：本表只適用于上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)長度較為接近的L型房屋。

5結(jié)論

本文對兩尺寸一樣的矩形房屋組成的L型房屋在平均風(fēng)作用下的風(fēng)壓系數(shù)值進(jìn)行了探討，并分別在15°、25°、30°、35°、45°和60°坡角下和單棟的矩形平面房屋進(jìn)行了對比。得到如下結(jié)論：

(1)通過數(shù)值模擬得到的屋面體型系數(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果誤差較小，驗(yàn)證了用數(shù)值模擬方法分析房屋體型系數(shù)的方法是切實(shí)可行的。

(2)L型低矮房屋屋面的體型系數(shù)在絕大多數(shù)工況下，體型系數(shù)值相比矩形屋面都更小，表明L型屋面的整體風(fēng)壓更小，對于抗風(fēng)更有利。

(3)體型的變化、屋面坡度、挑檐長度、檐口高度和房屋長寬對房屋的體型系數(shù)有影響。

(4)當(dāng)矩形屋面承受負(fù)壓時，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中取值偏小，使得在進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時，屋面偏于不安全。

參 考 文 獻(xiàn)：

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[13]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB 50009—2012.

A Comparative Study on the Shape Coefficients of

L-shape and Rectangular Low-rise Buildings

YAOWang1,YAOYong1,LIMing2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology,

Mianyang 621010, China; 2.China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)

Abstract:At first, the feasibility of using numerical simulation method to analyze building shape coefficient is verified by comparing the results of the wind tunnel test with it. Then the roof shape coefficients of L-shape and rectangular gable buildings are compared, and the shape coefficient of the rectangular roof is compared with that in standard. The results show that the roof shape coefficients of L-shape buildings are relatively smaller under most of the working conditions, which means that the L-shape buildings are more advantageous for wind resistant. The results also point out that the shape coefficients in the norm are small when the number is negative. Finally, the shape coefficient values which are used to calculate L-shape buildings based on test values are suggested.

Key words: L-shape buildings; numerical simulation; shape coefficient