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        嘉峪關(guān)柔遠(yuǎn)樓風(fēng)載體型系數(shù)研究*

        2021-12-31 04:56:38白成軍崔澤楠陳穎候凌靜
        特種結(jié)構(gòu) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:窗欞風(fēng)洞試驗(yàn)屋檐

        白成軍 崔澤楠 陳穎 候凌靜

        1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 300072

        2.文物建筑測繪研究國家文物局重點(diǎn)科研基地(天津大學(xué)) 300072

        3.嘉峪關(guān)絲路(長城)文化研究院文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心 735100

        引言

        目前,古建筑保護(hù)學(xué)者多集中于木結(jié)構(gòu)抗震性能以及構(gòu)件力學(xué)特點(diǎn)的研究[1],結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域研究相對較少,并且均未考慮窗欞透風(fēng)情況[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,對古建筑預(yù)防性保護(hù)思維逐漸被接受[3],其中不乏有直接在木結(jié)構(gòu)古建筑窗欞上加裝玻璃的做法,如北京故宮。而傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)古建筑的窗欞通常是透風(fēng)的,在風(fēng)速較大的地區(qū)加裝玻璃是否會(huì)影響木結(jié)構(gòu)古建筑自身的受力情況還沒有針對性的研究。

        我國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]也沒有針對木結(jié)構(gòu)古建筑的風(fēng)載體型系數(shù),相關(guān)研究只能采用現(xiàn)代雙坡屋頂建筑的近似取值[5],這與木結(jié)構(gòu)古建筑復(fù)雜多變的外形不相適應(yīng)。

        本文選取典型的高臺(tái)樓閣三檐歇山式木結(jié)構(gòu)古建筑——嘉峪關(guān)柔遠(yuǎn)樓為研究對象,求解其體型系數(shù),并分析在古建筑本體上加裝玻璃是否會(huì)影響木結(jié)構(gòu)古建筑的受力。為將來古建筑保護(hù)提供參考性建議。

        1 數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)及參數(shù)取值

        1.1 流體湍流模型與湍流特性

        工程上比較常用的湍流模型有很多,文獻(xiàn)[6]已證明RNGκ-ε 湍流模型數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)相吻合,因此本文直接采取RNGκ-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。κ湍流動(dòng)能和ε湍流耗散率根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]和日本規(guī)范[7]確定。

        1.2 邊界條件

        《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]規(guī)定,邊界層中的風(fēng)速剖面采用指數(shù)率剖面:

        其中:z為任意高度;z0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度,規(guī)范規(guī)定為10m;0為z0處平均風(fēng)速;α為粗糙度指數(shù),速度風(fēng)剖面采用基于C 語言的UDF 指令輸入到數(shù)值風(fēng)洞中。

        在出口界面采用完全發(fā)展出流(outflow),以內(nèi)部計(jì)算結(jié)果為條件,即不對來流產(chǎn)生干擾,自由流出。本試驗(yàn)中,建筑物表面以及地面采用無滑移壁面條件(wall)[8]。

        2 可靠性驗(yàn)證

        為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性,本文建立45°的雙面坡屋頂建筑模型,利用Fluent19.0 建立數(shù)值風(fēng)洞,計(jì)算其風(fēng)載體型系數(shù),將結(jié)果與荷載規(guī)范規(guī)定值進(jìn)行比較。

        2.1 模型建立

        實(shí)驗(yàn)建筑模型縱向長30m、墻體高10m、屋頂為45°的雙面坡屋頂;流體域尺寸為430m ×218m ×630m,如圖1 所示。流體域劃分網(wǎng)格后的圖形分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分,前端和后端采用六面體網(wǎng)格,適應(yīng)流體水平流動(dòng)的特點(diǎn),建筑物周邊采用四面體網(wǎng)格,更好地契合建筑表面[2]。

        圖1 45°雙坡屋頂建筑風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P虵ig.1 Wind tunnel test model of 45° double slope roof building

        通常認(rèn)為,數(shù)值模擬的阻塞率(建筑物最大迎風(fēng)面面積占流域橫截面積的比例)不超過3%[9],時(shí)流場才能充分發(fā)展。流場域橫截面尺寸為430m×218m,建筑模型縱向?qū)挾?0m,屋頂至地面高度18m,經(jīng)計(jì)算阻塞率小于3%,滿足要求。

        2.2 模擬結(jié)果

        經(jīng)模擬計(jì)算得到建筑物表面的應(yīng)力云圖和風(fēng)速云圖,如圖2 所示。從圖2 可以看出,迎風(fēng)面所受壓力最大,且中部壓力高于兩側(cè)和屋頂處,其他面均受負(fù)壓。當(dāng)風(fēng)刮過建筑時(shí),空氣流速逐漸降低,并向頂部和兩側(cè)偏移,在建筑背風(fēng)面形成一個(gè)低氣壓區(qū)。

        圖2 45°雙坡屋頂模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of 45° double slope roof building

        2.3 風(fēng)荷載體型系數(shù)計(jì)算與對比

        假設(shè)來流風(fēng)速是v,密度是ρ,靜壓為pH,建筑物H高度i點(diǎn)處風(fēng)壓為pi,則該點(diǎn)處“點(diǎn)體型系數(shù)”為:

        再將“點(diǎn)體型系數(shù)”按照該點(diǎn)代表的面積在整個(gè)建筑面的加權(quán)平均求和就可得到點(diǎn)所在建筑面的風(fēng)載體型系數(shù)μs,即:

        式中:Ai為該點(diǎn)體形系數(shù)所代表面的面積。

        將模擬結(jié)果按照此種方法計(jì)算得到的風(fēng)載體型系數(shù)與規(guī)范值比較如圖3 所示。

        圖3 45°雙坡屋頂建筑模擬結(jié)果與規(guī)范值對比Fig.3 Comparison of simulation results and code values of 45° double slope roof building

        從結(jié)果看,模擬結(jié)果與規(guī)范結(jié)果相差不大,除迎風(fēng)與背風(fēng)面,模擬值略微偏小,誤差均保持在10%[10]以內(nèi),滿足工程精度要求。

        3 柔遠(yuǎn)樓數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)

        3.1 信息采集

        三維激光掃描,又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)[11],是現(xiàn)代古建筑測繪與保護(hù)領(lǐng)域最先進(jìn)的高效獲取建筑尺寸信息的手段,無需依靠傳統(tǒng)的全站儀等設(shè)備逐點(diǎn)測量,可在極短的時(shí)間內(nèi)將建筑物表面上各點(diǎn)的信息全部提取。為獲得較為精確的建筑尺寸信息,建立與實(shí)際建筑更加接近的模型,本文借助三維激光掃描技術(shù)對嘉峪關(guān)柔遠(yuǎn)樓進(jìn)行掃描。通過計(jì)算每點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),繪制成三維點(diǎn)云,如圖4 所示。

        圖4 柔遠(yuǎn)樓及三維點(diǎn)云模型Fig.4 Rouyuan building and 3D point cloud model

        3.2 模型建立

        本節(jié)根據(jù)三維激光掃描得到的建筑尺寸信息,建立嘉峪關(guān)柔遠(yuǎn)樓的剛性模型,在0°和90°兩個(gè)方向下模擬,為研究窗欞開洞對體型系數(shù)的影響,分別計(jì)算分析窗欞封閉和開洞兩種工況下的風(fēng)載體型系數(shù)。建于高臺(tái)基上的柔遠(yuǎn)樓是和臺(tái)基共同抵抗風(fēng)荷載的,高臺(tái)的存在將會(huì)對建筑承受的風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。因此,本文建立柔遠(yuǎn)樓以及城臺(tái)的剛性模型如圖5 所示。0°風(fēng)向下,風(fēng)場流域橫截面尺寸為430m×218m,臺(tái)基寬約37m,高約12m,柔遠(yuǎn)樓寬約15m,高約15m;90°風(fēng)向下,風(fēng)場流域尺寸為420m × 220m,臺(tái)基寬約27m,高約12m,柔遠(yuǎn)樓寬約12m,高約15m。經(jīng)計(jì)算均滿足阻塞率要求。依照2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷姆椒▌澐志W(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)。

        圖5 柔遠(yuǎn)樓數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P虵ig.5 Numerical wind tunnel test model of Rouyuan building

        3.3 模擬結(jié)果與分析

        經(jīng)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M得到應(yīng)力云圖如圖6 所示。經(jīng)計(jì)算得到風(fēng)載體型系數(shù)如圖7 所示。兩種風(fēng)向下兩側(cè)面體型系數(shù)值接近,為方便應(yīng)用取其均值作為兩側(cè)面體形系數(shù)取值(括號(hào)內(nèi)為內(nèi)墻體型系數(shù))。

        圖6 柔遠(yuǎn)樓數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)力云圖(單位: Pa)Fig.6 Stress nephogram of Rouyuan building numerical wind tunnel test(unit:Pa)

        圖7 柔遠(yuǎn)樓風(fēng)載體型系數(shù)Fig.7 Wind load shape coefficient of Ruoyuan building

        由圖6、圖7 可知,應(yīng)力云圖具有高度對稱性并且兩側(cè)體形系數(shù)值相接近,這在一定程度上也印證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在0°和90°風(fēng)向上,只有迎風(fēng)面受壓力,其他面均受吸力(體型系數(shù)為正,建筑受壓力;體型系數(shù)為負(fù),建筑受吸力)。當(dāng)窗欞開洞時(shí),不封閉的二層和三層建筑內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,對墻體以及屋頂和屋面產(chǎn)生向內(nèi)的吸力。

        由表1 可知,窗欞封閉時(shí)兩個(gè)風(fēng)向上迎風(fēng)面上外墻的體型系數(shù)會(huì)增大,背風(fēng)面體型系數(shù)絕對值會(huì)減小(以下增大減小均為絕對值);在90°風(fēng)向上側(cè)面外墻體型系數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢,0°風(fēng)向上無明顯變化規(guī)律。

        表1 外墻風(fēng)載體型系數(shù)Tab.1 Shape coefficient of exterior walls

        窗欞開洞時(shí),建筑內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓,如將兩個(gè)風(fēng)向上內(nèi)外墻體體型系數(shù)疊加可得表2,迎風(fēng)面墻體受正壓力,疊加內(nèi)部負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致所受合力增大;背風(fēng)面以及側(cè)面受負(fù)壓,疊加內(nèi)部負(fù)壓后墻體所受合力將顯著減小。兩種風(fēng)向下均呈現(xiàn)此規(guī)律,90°風(fēng)向下側(cè)面變化尤為明顯。因此,窗欞開洞會(huì)增加迎風(fēng)面墻體的受力,減小其他面墻體的受力。

        表2 墻體內(nèi)外風(fēng)載體型系數(shù)和Tab.2 Sum of shape coefficient of interior and exterior walls

        如表3 所示,兩種風(fēng)向下,迎風(fēng)面一層與二層屋檐的體型系數(shù)相較于第三層均偏大,在0°風(fēng)向上尤為明顯,背風(fēng)面及側(cè)面相差不大。因此,古建筑日常維護(hù)中要重視一二層屋檐。在窗欞封閉時(shí),一二層屋檐體型系數(shù)大致呈現(xiàn)增大趨勢,三層屋檐體型系數(shù)變化相反,0°風(fēng)向下迎風(fēng)面三層屋檐變化最大。因此,窗欞封閉會(huì)增大一二層屋檐的受力,減小第三層屋檐的受力。

        表3 屋檐風(fēng)載體型系數(shù)Tab.3 Shape coefficient of eaves

        4 結(jié)論

        本文通過建立與規(guī)范相同的建筑模型進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn),將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范值對比,印證數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性。通過數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)得到了典型的高臺(tái)樓閣三檐歇山式木結(jié)構(gòu)古建筑——柔遠(yuǎn)樓在窗欞開閉兩種情況以及兩個(gè)風(fēng)向下的風(fēng)載體型系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可得:

        1.迎風(fēng)面各層墻體和屋檐體型系數(shù)相差較大,兩側(cè)面體型系數(shù)大致呈對稱分布,背風(fēng)面及側(cè)面體型系數(shù)各層相差不大;只有迎風(fēng)面受壓,其他面均受吸力。

        2.在古建筑上建博物館封閉窗欞時(shí),會(huì)降低迎風(fēng)面墻體受力,增加側(cè)面以及背風(fēng)面墻體受力,側(cè)面受力增加幅度最為明顯;在迎風(fēng)面上,一二層屋檐的受力將增大,第三層屋檐受力將減小。

        3.窗欞封閉會(huì)使低層屋檐體型系數(shù)變大,且瓦片眾多,在古建筑保護(hù)與監(jiān)測中應(yīng)重視各層屋檐的變形情況。

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