摘要：以成都某大型展覽中心為項(xiàng)目背景，針對(duì)其大跨風(fēng)車形屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，考慮其周邊地形影響，采用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了36個(gè)風(fēng)向角下屋面風(fēng)壓系數(shù)分布和體型系數(shù)特性。結(jié)果表明：來流方向?qū)ξ萆w風(fēng)壓分布影響較大，屋蓋在風(fēng)荷載作用下風(fēng)吸為主，特定風(fēng)向角下體型系數(shù)較大；結(jié)構(gòu)檐口、屋脊等處具有強(qiáng)分離作用，風(fēng)壓梯度較大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

關(guān)鍵詞：大跨屋蓋； 數(shù)值風(fēng)洞； 風(fēng)壓系數(shù)； 體形系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU312+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

由于經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展，人們對(duì)建筑的外觀和室內(nèi)功能要求日漸提高，建筑物的規(guī)模和跨度越來越大，大跨結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于如劇院、體育場(chǎng)館、會(huì)議展覽中心和廠房等工、民用建筑中［1］。大跨結(jié)構(gòu)為了滿足在其跨度下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，通常使用質(zhì)量輕，且強(qiáng)度高的材料，導(dǎo)致這類結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、柔性大，加之多數(shù)建筑幾何形狀復(fù)雜，因此對(duì)風(fēng)荷載非常敏感。

目前，針對(duì)大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究已經(jīng)較為成熟，得益于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展，數(shù)值風(fēng)洞現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于對(duì)建筑風(fēng)荷載的研究，通過建立建筑物和周邊環(huán)境的足尺計(jì)算模型模擬真實(shí)的建筑風(fēng)場(chǎng)，能有效地縮短試驗(yàn)周期，節(jié)約研究成本，現(xiàn)已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)的重要研究手段。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種大跨建筑結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值風(fēng)洞相關(guān)研究。陳肖笑［2］使用ANSYS CFX軟件，基于SST k-ω湍流模型，對(duì)馬鞍形索大跨結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布規(guī)律和不同風(fēng)向角下風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；王世方［3］基于實(shí)際工程，使用FLUENT軟件對(duì)復(fù)雜空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下不同分區(qū)的風(fēng)壓體型系數(shù)。李銀龍［4］以實(shí)際工程三國演藝中心為背景，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)，并分析了平均風(fēng)壓系數(shù)隨幾何參數(shù)的變化，得到當(dāng)建筑長寬比為定值時(shí)，結(jié)構(gòu)的矢跨比對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響。

本文以成都市某展覽中心為背景，使用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型對(duì)展覽中心風(fēng)車狀復(fù)雜空間曲面屋蓋的風(fēng)荷載特性進(jìn)行分析。

1計(jì)算模型

1.1幾何模型

擬建的大型展覽中心總建筑面積3 385 m2，建筑總高度22.4 m，幾何模型如圖1所示。建筑外形為風(fēng)車狀，為復(fù)雜空間曲面造型，其平面、立面都極其不規(guī)則，并存在大空間、大懸挑、大角度斜向受力構(gòu)件等多種結(jié)構(gòu)不利因素，造成整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)在風(fēng)荷載作用下受力極其復(fù)雜。

1.2湍流模型

數(shù)值計(jì)算采用RNG k-e湍流模型對(duì)流場(chǎng)湍流進(jìn)行模型，邊界條件入口需給定對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能k、湍動(dòng)能耗散率ε和指定耗散率ω， 其表達(dá)式分別為式（1）～式（3）。

k（z）=1.5×［u（z）×I（z）］2（1）

ε（z）=（u3*）κ×（z+zs）（2）

ω（z）=ε（z）Cu×k（z）（3）

式中：κ為馮卡門常數(shù)，取值為0.41;zs 為氣動(dòng)粗糙高度，對(duì)于B類地貌其取值為0.05 m;u為地表摩擦風(fēng)速，其取值為2.7 m/s;Cu為常數(shù)，一般為0.09；I（z）為高度z處的湍流強(qiáng)度，可按日本規(guī)范（AJI）取見式（4）。

I（z）=c（z10）-d（4）

式中：c和d為地面粗糙度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，c取0.204，d取0.2。

1.3計(jì)算流域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)模型幾何特征，將計(jì)算流域從內(nèi)之外劃分為兩個(gè)個(gè)流域，并設(shè)置不同的網(wǎng)格尺度，各流域之間數(shù)據(jù)傳遞通過設(shè)置interface面來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)計(jì)算域尺寸見圖2，其大小為1 360 m（x）×1 760 m（y）×350 m（z）。

采用ICEM和FLUENT MESHING對(duì)整個(gè)計(jì)算流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用不同的網(wǎng)格尺度對(duì)各流域進(jìn)行空間離散，對(duì)于內(nèi)流域，設(shè)定最大網(wǎng)格尺度為1.0 m，建筑表面最大尺度為0.02 m，其中屋面風(fēng)壓是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，設(shè)定其最大網(wǎng)格尺度為0.02 m，網(wǎng)格從密向疏轉(zhuǎn)化的尺度膨脹因子為1.2。外流域指定的最小網(wǎng)格尺度分別為1 m，最大網(wǎng)格尺度分別為5 m，網(wǎng)格圖示見圖2。

1.4邊界條件設(shè)置

邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果起控制作用，A. G. Davenport［5］提出平均風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)描述，即式（5）。

（z）b=zzbα（5）

式中：zb，b為標(biāo)準(zhǔn)參考高度和標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的50年重現(xiàn)期平均風(fēng)速；z，（z）為任一高度和任一高度處的平均風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)；

參照我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［6］對(duì)流域的各個(gè)邊界進(jìn)行指定，參照項(xiàng)目實(shí)際坐落位置，地面粗糙度類別為B類，α=0.16，參考高度10 m處風(fēng)速取為22 m/s。

其余邊界條件設(shè)置：流域出口采用壓力出口，總壓0 Pa，參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。兩側(cè)及上部邊界面采用對(duì)稱邊界。建筑表面及地面采用無滑移粗糙壁面。

1.5風(fēng)向角及工況設(shè)置

主體建筑俯視圖呈風(fēng)車狀，根據(jù)幾何特征，將其先劃分為A，B，C、D四個(gè)部分，如圖3所示。為體現(xiàn)建筑在不同方向來流下的荷載變化狀況，在0～360°的區(qū)間內(nèi)，每隔10°劃分風(fēng)向角，并提取模型表面的風(fēng)壓系數(shù)和建筑體型系數(shù)。0°風(fēng)向角在計(jì)算坐標(biāo)系中為+y方向，風(fēng)向角繞z軸沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)荷載風(fēng)壓系數(shù)是常用的用于衡量建筑結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的參數(shù)，定義為式（6）。

Cpi=pi－pH12ρV2H（6）

式中：VH為屋蓋頂部高度處的平均風(fēng)速；pH為該高度處參考靜壓；pi為給定點(diǎn)處的風(fēng)壓；ρ為空氣密度。

體型系數(shù)是風(fēng)壓系數(shù)S在建筑表面區(qū)域內(nèi)的加權(quán)平均值，由式（7）確定。

S=∑NiCPiAi∑NiAi（7）

式中：Ai表示編號(hào)為i的單元面積，N表示該分區(qū)面積上所包含的所有單元數(shù)。

2計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于A分區(qū)，迎風(fēng)面最不利局部體型系數(shù)約為-2.7。對(duì)B分區(qū)，迎風(fēng)面最不利體型系數(shù)約為-3.29。對(duì)C分區(qū)，迎風(fēng)面最不利局部體型系數(shù)約為-2.32。結(jié)構(gòu)中部的迎風(fēng)側(cè)以正壓為主，其局部體型系數(shù)超過+1.0；背風(fēng)側(cè)則以負(fù)壓為主，其體型系數(shù)普遍在-0.2～-1.1之間，特殊風(fēng)向角下存在小于-1.7的情況。

為了全面了解屋蓋表面總體風(fēng)壓分布特點(diǎn)，給出了幾個(gè)典型風(fēng)向角下屋蓋的風(fēng)壓系數(shù)分布圖，以0°、70°、100°風(fēng)向角為例。

在0°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖4所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，負(fù)壓主要出現(xiàn)在屋蓋邊緣分離處、背風(fēng)面屋蓋處以及處于湍流漩渦下處的屋蓋區(qū)域，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處，但需要注意的是，由于主體結(jié)構(gòu)幾何較為復(fù)雜，因此負(fù)壓區(qū)的分布較為復(fù)雜，需要根據(jù)不同風(fēng)向角具體位置具體分析。正壓則主要出現(xiàn)在迎面屋蓋位置。

在70°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5所示。屋蓋背風(fēng)面整體為負(fù)壓；A區(qū)迎風(fēng)面中部和靠近A、B區(qū)分界線位置以正壓為主，邊緣位置出現(xiàn)負(fù)壓；B區(qū)屋蓋整體呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，迎風(fēng)面處由于幾何較為復(fù)雜，B區(qū)屋蓋邊緣和A、B區(qū)分界棱邊處分離現(xiàn)象很強(qiáng)，負(fù)壓較大，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處。

在100°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布圖如圖6所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)；A、B區(qū)迎風(fēng)面邊緣分離現(xiàn)象較強(qiáng)，呈現(xiàn)出較大的負(fù)壓；屋蓋D區(qū)幾何形狀較為復(fù)雜，在來流作用下形成空腔，因此，D區(qū)背風(fēng)面呈現(xiàn)了較大的負(fù)壓，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風(fēng)邊緣處。

在350°風(fēng)向角下，風(fēng)壓系數(shù)分布如圖7所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，A、C區(qū)迎風(fēng)面邊緣呈現(xiàn)出較大的負(fù)壓，背風(fēng)面整體呈現(xiàn)負(fù)壓，最不利位置出現(xiàn)在A、C區(qū)邊緣。

3結(jié)論

展覽中心整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取值可參考屋面局部風(fēng)壓系數(shù)的極值分布，在各風(fēng)向角下，綜合屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)，各個(gè)屋蓋以風(fēng)吸力作用為主，個(gè)別屋蓋在特殊風(fēng)向角下存在較大的負(fù)壓作用，尤其在風(fēng)向角為0°，70°～100°和350°工況下，體型系數(shù)取值較大，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。同時(shí)，屋蓋部分迎風(fēng)面的氣流在屋蓋翹曲的邊緣處出現(xiàn)了較強(qiáng)的分離現(xiàn)象，風(fēng)壓梯度較大，需注意強(qiáng)分離點(diǎn)的負(fù)壓取值。

參考文獻(xiàn)

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［作者簡介］謝濟(jì)陽（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。