毛璐璐， 韓兆龍, 2， 周 岱, 2, 3， 包 艷， 汪 汛， 李 煜， 馬 晉

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

超高層建筑因其使用價(jià)值和藝術(shù)形態(tài)的獨(dú)特性而受到廣泛青睞[1-2]，風(fēng)荷載是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載[3-9]。隨著城市建筑的不斷發(fā)展，超高層建筑的形態(tài)日趨復(fù)雜化。如上海中心大廈的截面形狀為內(nèi)部圓形外部三角形；上海金茂大廈的截面形狀為不規(guī)整的類矩形。我國(guó)國(guó)家規(guī)范[10]給出的風(fēng)荷載系數(shù)僅針對(duì)特定截面形狀的超高層建筑[11]，目前對(duì)于復(fù)雜形體超高層建筑截面抗風(fēng)形體優(yōu)化及其風(fēng)效應(yīng)的研究仍然不足。因此，研究截面形式對(duì)超高層建筑抗風(fēng)性能的影響，并進(jìn)行高層建筑抗風(fēng)形體優(yōu)化，對(duì)超高層建筑設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要意義。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(Computational Fluid Dynamics, CFD)可應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)風(fēng)工程問題[12-14]。唐意等[15]結(jié)合超高層建筑群風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，分析了錯(cuò)列布置超高層建筑群的干擾機(jī)理。李正良等[16]通過CFD數(shù)值模擬，得到了不同山體坡度下山頂平均風(fēng)加速比，經(jīng)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明平均風(fēng)的數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較高。方平治等[17]運(yùn)用CFD方法研究上海陸家嘴區(qū)域的建筑群體風(fēng)環(huán)境，指出高風(fēng)速比區(qū)域分別出現(xiàn)在建筑物迎風(fēng)面的兩側(cè)和兩建筑物之間。周魯敏[18]采用Realizablek-ε湍流模型對(duì)某方形截面雙塔樓超高層建筑平均風(fēng)荷載進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，分別模擬了單體和雙塔樓超高層建筑的定常繞流，分析了不同風(fēng)向角情況下結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓和基底氣動(dòng)力的特點(diǎn)，研究了兩塔樓間的干擾效應(yīng)，還通過流場(chǎng)顯示對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。Aristodemou[19]運(yùn)用大渦模擬方法評(píng)估了高層建筑周圍的空氣流動(dòng)和擴(kuò)散模式以及超高層結(jié)構(gòu)的存在對(duì)附近街區(qū)空氣污染擴(kuò)散的影響，并輔以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。由此可見CFD方法還可為城市規(guī)劃人員提供有用的信息，從而根據(jù)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建筑分布。Elshaer[20]基于大渦模擬和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network, ANN)的替代模型，通過耦合優(yōu)化算法，著重考慮如何使湍流阻力和升力最小化，提出了建筑物轉(zhuǎn)角氣動(dòng)優(yōu)化程序來降低風(fēng)荷載。

本文運(yùn)用CFD方法和相應(yīng)計(jì)算軟件，數(shù)值研究不同風(fēng)向來風(fēng)下不同截面形狀的超高層建筑的風(fēng)壓分布規(guī)律，通過分析比較建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布和典型測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，研究超高層建筑的抗風(fēng)截面優(yōu)化，以期為超高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供技術(shù)支撐。

1 力學(xué)模型

茲選取典型工程超高層建筑為對(duì)象，研究矩形截面及其變種截面形式對(duì)建筑表面平均風(fēng)壓分布和風(fēng)壓系數(shù)的影響。該建筑平面長(zhǎng)D=80 m，寬D=80 m，建筑高h(yuǎn)=508 m。該建筑底層部分為一棱臺(tái)形建構(gòu)；在中高層部分，每8層樓為一組建構(gòu)，每一組建構(gòu)內(nèi)斜7°，由此形成8個(gè)矩形平面倒錐形的“金元寶”式體型，如圖1(a)所示，運(yùn)用Rhino軟件構(gòu)建建筑三維幾何模型如圖1(b)所示。

在該模型基礎(chǔ)上，局部改變平面和立面形狀得到另外三種建筑模型(見圖2)，即1號(hào)模型、2號(hào)模型和3號(hào)模型。1號(hào)模型(見圖2(a))包括9個(gè)模塊，每個(gè)模塊均為矩形截面的柱體形狀，且沿建筑高度方向，每個(gè)柱體的截面邊長(zhǎng)逐漸減小。2號(hào)模型(見圖2(b))的中高層由8個(gè)圓截面倒錐體形狀模塊組成。3號(hào)模型(見圖2(c))中，含有9個(gè)切角矩形平面的倒錐形體“金元寶”式模塊，即在圖1的原始模型矩形截面上削去邊長(zhǎng)為40 m的三角形。

圖1 某超高層建筑及其幾何模型Fig.1 Prototype and modelling of a super high-rise building

圖2 三種不同平面立面的超高層建筑模型Fig.2 Modelling of three plan and elevation types of super high-rise structures

風(fēng)向角θ定義和建筑物朝向見圖3(a)所示，其中45°風(fēng)向角來風(fēng)方向垂直于圖2(c)的切角面。典型截面選取與測(cè)點(diǎn)分布示意圖見圖3(b)和圖3(c)。

圖3 風(fēng)向角定義、截面選取與測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Wind directions definition,typical sections and specific points

2 理論分析和數(shù)值模擬方法

2.1 方法與建模

茲基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)開展理論分析和數(shù)值模擬研究。采用雷諾平均(Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[21]作為數(shù)值模擬方法，運(yùn)用ANSYS/FLUENT 17.0軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。雷諾平均N-S方程

(1)

引入基于RNAS的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

(2)

(3)

(4)

式中：μ為空氣黏度；μt為湍流動(dòng)力黏度；k為湍流動(dòng)能；Gk=μtS2/ρ為湍流動(dòng)能生成項(xiàng)，S為平均流剪應(yīng)變率的幅值；ε為湍流耗散率；Cε1=1.44，Cε2=1.92。

在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)中，對(duì)高層建筑，基本風(fēng)壓重現(xiàn)期為100年，該建筑所在地基本風(fēng)壓值為0.85 kN/m2。茲選用B類地貌，其地貌粗糙度指數(shù)取α=0.15。對(duì)入口風(fēng)速，運(yùn)用用戶編譯文件(User-Defined Function, UDF)，根據(jù)建筑所在地基本風(fēng)壓和地貌類型得到基本風(fēng)速。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域入口處的平均風(fēng)速采用指數(shù)型梯度風(fēng)速剖面，即

V(Z)=V0(Z/Z0)α

(5)

式中：Z為離地面高度，m；Z0為參考高度，m；V0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速，m/s。

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的出口邊界條件為風(fēng)場(chǎng)完全發(fā)展，頂部和兩側(cè)邊界采用對(duì)稱邊界，底部和建筑表面采用無滑移壁面條件，地面粗糙高度kS=3 m。

在建筑表面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域選取中，為減少邊界條件影響，取流場(chǎng)計(jì)算域尺寸2 400 m×800 m×4 000 m[22]，建筑物的中心置于計(jì)算域的前1/3處，以確保計(jì)算域風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)發(fā)展完全。對(duì)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，采用3層網(wǎng)格，近建筑物處的網(wǎng)格較密集，遠(yuǎn)離建筑物處的網(wǎng)格較稀疏，將風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域分為3個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域。其中離建筑物最近的區(qū)域尺寸為1 600 m×160 m×1 400 m，擁有最精密的網(wǎng)格尺寸，其網(wǎng)格高度為1/200H；中間區(qū)域尺寸為1 840 m×480 m×1 800 m，其網(wǎng)格高度為1/50H；離建筑物最遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格尺寸相對(duì)粗糙，其網(wǎng)格高度為1/10H[23]，由此共劃分得四面體網(wǎng)格單元約238萬個(gè)，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的阻塞率小于3%，滿足要求。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域尺寸與網(wǎng)格劃分示意圖見圖4。

圖4 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域尺寸與網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshes and dimensions of computational domain

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格的劃分方式會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，因此在數(shù)值模擬前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。茲對(duì)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行三種尺寸的網(wǎng)格劃分，得到相應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)格，即G1：150萬，G2：250萬和G3：350萬，開展網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證，比較分析不同網(wǎng)格數(shù)量下建筑物關(guān)于x軸的底部彎矩Mx，即

(6)

式中：x為離地高度,m；F(x)為x高度處建筑物表面風(fēng)壓。

三種網(wǎng)格數(shù)量下的底部彎矩Mx比較見表1，其中G2和G3的結(jié)果偏差在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為兩者所得結(jié)果一致，因此將計(jì)算流場(chǎng)劃分為250萬網(wǎng)格，可在保證數(shù)值模擬精度的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)下底部彎矩Mx比較

2.2 數(shù)值算例與分析驗(yàn)證

CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型是一種用以檢驗(yàn)高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程方法準(zhǔn)確性的高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型[24]。該模型為一個(gè)表面光潔無附屬物的矩形柱體，尺寸為30.48 m×45.72 m×182.88 m，如圖5(a)所示，在模型2/3H高度處布置20個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到風(fēng)壓數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)分布如圖5(b)所示。

針對(duì)CAARC模型對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將所得模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法。取流場(chǎng)計(jì)算域尺寸900 m×450 m×1 500 m，建筑物的中心置于計(jì)算域的前1/3處。在風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格劃分中，采用3層邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密，近建筑物處的網(wǎng)格較密集，遠(yuǎn)離建筑物處的網(wǎng)格較稀疏，網(wǎng)格高度從內(nèi)往外分別為0.002H，0.02H，0.1H，由此共劃分得四面體網(wǎng)格單元約123萬個(gè)。

分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε和Realizable模型作為湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)，將數(shù)值模擬結(jié)果與來自同濟(jì)大學(xué)TJ-2的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[25]相對(duì)比。

建筑平均風(fēng)壓系數(shù)為

(7)

式中：ω為測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓值；ρ為空氣密度；vh為參考高度處的平均風(fēng)速，取h=182 m。

如圖5(c)所示，本文數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞數(shù)據(jù)基本一致，由此驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法。其中，在本文特定的網(wǎng)格和參數(shù)選取下，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在迎風(fēng)面和背風(fēng)面的多個(gè)測(cè)點(diǎn)處與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較高的吻合度，整體誤差在±12%以內(nèi)，優(yōu)于另兩個(gè)模型，因此選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為本文中超高層建筑風(fēng)場(chǎng)模擬的湍流模型。

圖5 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型及其數(shù)值對(duì)比Fig.5 CAARC for validation of the CFD model

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 建筑截面變化對(duì)表面平均風(fēng)壓分布的影響

在建筑優(yōu)化案例中，常以平均風(fēng)壓的變化情況作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，故下文重點(diǎn)關(guān)注建筑表面平均風(fēng)壓的分布情況。茲以0°風(fēng)向角來風(fēng)情形，分析建筑截面變化對(duì)高層建筑表面平均風(fēng)壓分布的影響。在該風(fēng)向角下，建筑物的西面為迎風(fēng)面，東面為背風(fēng)面，南北面為迎風(fēng)面與背風(fēng)面過渡區(qū)。建筑西面、南面的風(fēng)壓分布如圖6所示。原模型建筑表面的風(fēng)壓分布在-5～2 kPa，建筑表面的最大風(fēng)壓出現(xiàn)在2/3建筑高度處，與文獻(xiàn)所得結(jié)果相符[26]。西面(迎風(fēng)面)有數(shù)值較大的正風(fēng)壓，南面(過渡面)受負(fù)風(fēng)壓影響，且由于氣流分離的邊緣不連續(xù)性，在離地高度70 m的西南面轉(zhuǎn)角處，建筑物開始出現(xiàn)峰值負(fù)風(fēng)壓。1號(hào)模型建筑表面的風(fēng)壓分布范圍與原模型類似，建筑表面的最大正風(fēng)壓出現(xiàn)在3/4建筑高度處，峰值負(fù)壓的出現(xiàn)始于離地高度50 m的西南面轉(zhuǎn)角處。2號(hào)模型建筑表面的風(fēng)壓分布在-5～4.8 kPa，峰值正風(fēng)壓較原模型有明顯增大，峰值負(fù)壓的出現(xiàn)始于離地高度100 m的南面，且負(fù)風(fēng)壓分布區(qū)域減少；3號(hào)模型的風(fēng)壓分布范圍與原建筑模型類似，高風(fēng)壓區(qū)域較原模型有所減少，峰值負(fù)壓出現(xiàn)在建筑南面，即截面轉(zhuǎn)角處。

圖6 建筑不同截面情形下的表面風(fēng)壓分布Fig.6 Wind pressure distribution of structures

3.2 來風(fēng)方向?qū)ㄖ砻嫫骄L(fēng)壓系數(shù)的影響

茲選擇0°，22.5°和45°風(fēng)向角來風(fēng)情形，研究不同來風(fēng)方向?qū)ㄖ砻嫫骄L(fēng)壓系數(shù)的影響。為了直觀地反映不同建筑形體的風(fēng)壓分布，對(duì)每個(gè)模型選取4個(gè)不同截面，在每個(gè)截面上選取12個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖3(b))，計(jì)算獲得各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)(同式(7)，取h=508 m)。其中，截面1離地高度200 m，截面2離地高度270 m，截面3離地高度340 m，截面4離地高度400 m。

0°風(fēng)向角來風(fēng)下，四種超高層建筑模型各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)如圖7所示。4個(gè)建筑模型各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp分布在-1.5～1.0，在中高層部分均分布了有數(shù)值較大的負(fù)風(fēng)壓，而負(fù)風(fēng)壓過大易對(duì)玻璃幕墻的抗風(fēng)安全性和可靠性造成不利影響，需要引起關(guān)注。分析各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)可知：在截面1處，1號(hào)模型與原模型的差異較小；2號(hào)模型在背風(fēng)面(測(cè)點(diǎn)6～9)的風(fēng)壓絕對(duì)值明顯小于原模型，且在角點(diǎn)(9號(hào))處出現(xiàn)正風(fēng)壓，但在過渡面(測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)11)出現(xiàn)了數(shù)值較大的負(fù)風(fēng)壓；3號(hào)模型的峰值負(fù)風(fēng)壓數(shù)值較大，出現(xiàn)在截面轉(zhuǎn)角測(cè)點(diǎn)(5號(hào))，但在背風(fēng)面和過渡面(測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)12)風(fēng)壓整體較為平穩(wěn)且數(shù)值偏小。截面2的風(fēng)壓分布與截面1大致相同。在截面3處，1號(hào)模型仍未顯現(xiàn)與原模型的明顯差異；2號(hào)模型在過渡面(測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)11)依舊有較大的峰值負(fù)風(fēng)壓，且數(shù)值超過原模型；3號(hào)模型在背風(fēng)面和過渡面(測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)12)的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值明顯小于原模型，峰值負(fù)風(fēng)壓出現(xiàn)在5號(hào)測(cè)點(diǎn)。在截面4處，1號(hào)模型與原模型差異較??；2號(hào)模型在背風(fēng)面和過渡面(測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)12)的負(fù)風(fēng)壓數(shù)值明顯小于原模型及其它模型，在4個(gè)模型中表現(xiàn)最優(yōu)；3號(hào)模型在背風(fēng)面和過渡面(測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)12)的負(fù)風(fēng)壓數(shù)值亦小于原模型。

圖7 0°風(fēng)向角來風(fēng)下不同截面與測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.7 Wind pressure coefficient at different sections and points at incoming wind direction θ=0°

22.5°風(fēng)向角來風(fēng)下，四種超高層建筑模型各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)如圖8所示，平均風(fēng)壓系數(shù)Cp分布在-1.0～1.2。原模型、1號(hào)模型、3號(hào)模型在背風(fēng)面和過渡面(測(cè)點(diǎn)5～測(cè)點(diǎn)12)的風(fēng)壓系數(shù)大致相同，重合度較高，數(shù)值約為-0.8；在迎風(fēng)面(測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4)的正風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值較小，在0～0.5。2號(hào)模型僅在過渡面(測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)12)出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓，且在迎風(fēng)面(測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)4)有數(shù)值較大的正風(fēng)壓出現(xiàn)。值得指出的是，在原模型、1號(hào)模型、3號(hào)模型中，各截面測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)在不同高度處并未顯現(xiàn)出明顯的差異性，即測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓的變化趨勢(shì)和數(shù)值大小在不同高度截面處有較高的吻合度。由于文中選取的4個(gè)截面皆屬于中高部區(qū)域，由此可得出結(jié)論：存在某個(gè)特定的風(fēng)向角使得特定截面超高層建筑的風(fēng)壓系數(shù)在建筑的中高部位不再隨著建筑高度的增加而發(fā)生較大的變化。

45°風(fēng)向角來風(fēng)下，四種超高層建筑模型各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)如圖9所示，平均風(fēng)壓系數(shù)Cp分布在-1.5～1.0。原模型、1號(hào)模型、2號(hào)模型的各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同截面高度處依舊顯現(xiàn)出大致相同的風(fēng)壓分布情況，且2號(hào)模型的負(fù)風(fēng)壓分布區(qū)域范圍及峰值風(fēng)壓大小均優(yōu)于原模型。在截面4，即建筑高度較高的測(cè)點(diǎn)處，3號(hào)模型的負(fù)風(fēng)壓顯著增大，表現(xiàn)出抗風(fēng)敏感性。

圖8 22.5°風(fēng)向角來風(fēng)下各模型不同截面和測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.8 Wind pressure coefficient at different sections and points at incoming wind direction θ=22.5°

圖9 45°風(fēng)向角來風(fēng)下各模型不同截面和測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Wind pressure coefficient at different sections and points at incoming wind direction θ=45°

3.3 行人高度處風(fēng)速比較

超高層建筑周圍的強(qiáng)風(fēng)容易造成行人的舒適性與安全性問題。表2示為基于Lawson行人風(fēng)舒適性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[27],建筑物周圍風(fēng)速超過10 m/s就不再滿足行人風(fēng)舒適性的要求；建筑物周圍風(fēng)速超過20 m/s則會(huì)造成行人安全性問題。

表2 Lawson行人風(fēng)舒適性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

離地0～2 m高度范圍為行人活動(dòng)的主要區(qū)域，茲提取0°風(fēng)向角下各建筑模型離地1.5 m高度處周邊環(huán)境風(fēng)速云圖進(jìn)行比較分析。如圖10所示，建筑模型周邊環(huán)境的風(fēng)速分布總體趨勢(shì)為迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)速相對(duì)較小，過渡面的風(fēng)速較大，且不滿足行人舒適性(即風(fēng)速在10 m/s以上)的區(qū)域較多。其中2號(hào)模型的峰值風(fēng)速小于其他模型，整體風(fēng)速滿足Lawson評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下行人風(fēng)環(huán)境的安全性要求。

為進(jìn)一步闡明行人高度處的風(fēng)速分布情況，圖11給出各建筑模型在0°風(fēng)向角下1.5 m高度剖面處的速度流線圖。各模型皆在背風(fēng)面處出現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)方向相反的漩渦，漩渦的影響范圍較大，分布長(zhǎng)度略有差異，原模型、1號(hào)模型和2號(hào)模型的漩渦長(zhǎng)度約為2D，在寬度方向上有較好的對(duì)稱性；3號(hào)模型的漩渦長(zhǎng)度約為1.5D，在缺角一側(cè)有更大的漩渦長(zhǎng)度。

圖10 0°風(fēng)向角來風(fēng)下1.5 m高度處建筑周圍速度云圖Fig.10 Velocity contour of structures of 1.5 m height at incoming wind direction θ=0°

圖11 0°風(fēng)向角下1.5 m高度剖面處速度流線圖Fig.11 Velocity streamlines of structures of 1.5 m height at incoming wind direction θ=0°

4 結(jié) 論

本文研究超高層建筑的風(fēng)壓風(fēng)場(chǎng)與抗風(fēng)優(yōu)化問題，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，數(shù)值計(jì)算分析比較建筑表面風(fēng)壓和風(fēng)場(chǎng)分布、不同風(fēng)向角來風(fēng)下建筑典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)和行人高度處的風(fēng)速分布，研究不同截面形狀對(duì)建筑表面風(fēng)壓分布和行人風(fēng)安全性的影響、來風(fēng)風(fēng)向?qū)︼L(fēng)壓系數(shù)的影響，分析建筑抗風(fēng)形體優(yōu)化和截面優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

(1) 在超高層建筑的轉(zhuǎn)角處，會(huì)因氣流分離而產(chǎn)生峰值負(fù)風(fēng)壓。存在某個(gè)特定的風(fēng)向角使得特定截面超高層建筑的風(fēng)壓系數(shù)在建筑的中高部位不再隨著建筑高度的增加而發(fā)生較大的變化。

(2) 風(fēng)向角對(duì)規(guī)則矩形截面、圓形截面超高層建筑風(fēng)壓分布影響不明顯，但對(duì)于切角矩形不規(guī)則截面超高層建筑影響顯著切角矩形不規(guī)則截面超高層建筑的風(fēng)壓分布在0°風(fēng)向角下最有利，而來風(fēng)方向垂直于建筑平面的切角面(即45°風(fēng)向角)時(shí)最為不利。工程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑物所在地的風(fēng)玫瑰圖布置建筑物結(jié)構(gòu)形體，避免截面缺角處正對(duì)來風(fēng)方向，降低來風(fēng)風(fēng)壓對(duì)建筑物的影響。

(3) 不同截面形體超高層建筑抗風(fēng)性能不同。結(jié)果表明，圓形截面抗風(fēng)性能優(yōu)于切角矩形截面，而切角矩形截面又優(yōu)于規(guī)則矩形截面。圓形超高層建筑結(jié)構(gòu)負(fù)風(fēng)壓較小，抗風(fēng)最有利，且最利于實(shí)現(xiàn)行人風(fēng)安全性和風(fēng)舒適性。超高層建筑的抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選擇圓形截面。