超高层建筑群风荷载干扰效应数值模拟

倪 忠 孙 毅

(1.重庆赛迪施工图审查咨询有限公司，重庆 400013;2.重庆科技学院，重庆 401331)

0 引言

随着我国经济的迅速发展，超高层建筑不断在大城市中心出现，不但高度快速刷新，间距也不断减小，许多省会、直辖市的金融中心地区都出现成片的超高层建筑群体。

我国现行荷载规范中，对于高层和超高层建筑风荷载的干扰效应并无明确规定，只是建议复杂干扰效应需要通过风洞试验进行确定，对于干扰效应的具体规律和计算方法不可获知。在国内外学术界，顾明、陈钦豪、黄鹏、楼文娟、谢壮宁、徐有恒、叶倩、陈颖钊等［1-8］学者对该问题进行了一定程度上的探讨，但尚未获得较为清晰的结论。

为了考察典型超高层建筑的基本干扰影响因素和特征，本文采用了计算流体动力学方法，在商业软件FLUENT中建立了若干典型干扰模型，通过各种干扰工况下典型参数变化的计算结果，获得了一些基础性的干扰风荷载规律。

1 CFD模型

采用大型Computational Fluid Dynamics(CFD)商业软件Fluent6.3进行计算模拟。它是由著名的计算流体力学软件公司Fluent生产，可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。Fluent已经被广泛应用于油/气的生产、热交换和通风、涡轮机械、材料处理、电子/HVAC行业、火灾研究、汽车工业和航天航空以及建筑设计等领域。

Gambit是Fluent公司提供的配套前处理软件，可以用来生成研究或者工程问题所需的几何结构及其计算域网格，也可以在已知边界网格条件下借助TGrid生成三角形、四面体或者混合型网格。

1.1 计算域

计算域是流体计算的区域，其大小决定了计算机时和计算精度。计算域过大，会导致网格数量过多，有可能造成无法计算;计算域过小，会使所计算的建筑表面风压受计算域边界影响较大，计算结果不具备足够精度和可靠性。

对于高层建筑，通常的流域确定为:H为高层建筑高度，迎风向边界距离建筑5H，侧风向两边边界距离建筑均为5H，背风向边界距离建筑10H，流域高度5H。按此标准设置计算域，能保证普通流场中的普通高层建筑表面风压计算准确。

1.2 边界条件

来流边界条件选用速度来流边界条件(velocity-inlet):

大气边界层风速剖面:

湍流度剖面:

湍流参数:

其中，Cμ=0.09;l为湍流积分尺度，l=0.07L，L 为建筑物的特征尺寸。大气边界层风速剖面V(z)、湍动能k和湍流耗率ε采用Fluent提供的UDF(User-Defined Functions)编程与Fluent作接口实现。

流域顶部和两侧采用对称边界条件(symmetry)，等价于自由滑移的壁面。

出流面采用压力出流边界条件(pressure-outlet)。

建筑表面和地面采用无滑移的壁面条件(wall)，采用非平衡壁面函数模拟近壁面流动，且在地面引入粗糙壁面修正。

1.3 湍流模型

在本文求解中，选择了Realizable k-ε模型，此种模型是标准k-ε模型的一种修正，被认为是解决边界层流动和带有分离的流动问题的有效模型。

1.4 模型网格划分

采用非结构的四面体网格划分整个流域。建筑物表面最小网格尺寸5 m，流域边界最小网格尺寸50 m，整个流域自由划分网格。每个模型单元总数为100多万个。

2 单个建筑干扰随距离的变化

干扰建筑和受扰建筑截面均为边长50 m的正方形，高度均为300 m。干扰距离定义为建筑截面中心之间的距离，如图1所示。

图1 单个建筑干扰距离示意图

分别考察以下工况:D=100 m，300 m，500 m，750 m，1 000 m，比较干扰距离对于受扰建筑表面风压的影响。由于受扰建筑受影响主要体现在迎风面，因此本文中暂不讨论侧风面和背风面的干扰特性。

单个建筑以及各种干扰距离时迎风面风压云图如图2所示，其中用以计算风压系数的参考点高度为300 m。

从图2各种工况的计算结果中可得到以下结论:

1)在受扰建筑与干扰建筑距离较近的情况下，由于风基本没有直接作用在受扰建筑的迎风面，因此主要为负压。特别在D=100 m的工况下，迎风面全部为负压;随着D的增大，逐渐在顶部开始出现正压，随后正压区域之间扩大。

图2 单个建筑以及各种干扰距离时迎风面风压云图

2)当干扰距离超过750 m时，干扰作用逐渐消失，受扰建筑迎风面风压逐渐恢复到单个建筑时的大小和分布情况。

3 两个干扰建筑随干扰距离的变化

干扰建筑和受扰建筑的截面均为边长50 m的正方形，其高度均为300 m。干扰距离定义为建筑截面中心之间的距离，如图3所示。

图3 两个干扰建筑干扰距离示意图

与单个建筑干扰相同，考察以下工况:D=100 m，300 m，500 m，750 m，比较干扰距离对于受扰建筑表面风压的影响。

两个干扰建筑各种干扰距离时迎风面风压云图如图4所示，参考点高度为300 m。

从两个干扰建筑的计算结果可看出:

1)在干扰距离较近时，如D=100，来流风可直接通过两个干扰建筑之间的空间作用在受扰建筑迎风面，表面风压系数和分布均几乎与单个建筑时相同。

图4 两个干扰建筑各种干扰距离时迎风面风压云图

2)随着干扰距离的增大，干扰建筑的遮挡作用也逐渐明显，受扰建筑迎风面的风压系数明显减小，但是由于存在干扰建筑之间的狭缝，风仍然可以直接作用于受扰建筑，因此仍然保持为正风压。

3)D超过750 m后，干扰作用逐渐消失。

4 结语

以矩形截面超高层建筑为例分析了干扰效应的一般规律，分别讨论了单个干扰、两个干扰、干扰数量这几种不同的干扰工况参数对于受扰建筑表面风荷载的影响，其结果显示:建筑干扰的影响主要体现在距离较近时的静风压遮挡，打乱迎风面的正风压规律性，但干扰距离有限，一般在超过10倍建筑宽度以后，干扰效应逐渐消失。

［1］顾 明，周 印，张 锋，等.用高频动态天平方法研究金茂大厦的动力风荷载和风振响应［J］.建筑结构学报，2000(4):55-61.

［2］陈钦豪，吴太成.建筑群中建筑物间的相互气动干扰［A］.第五届全国风工程及工业空气动力学学术会议论文集［C］.1998.

［3］黄 鹏，顾 明，张 锋.上海金茂大厦静风荷载研究［J］.建筑结构学报，1999，20(6):63-68.

［4］楼文娟，孙炳楠.复杂体形高层建筑表面风压分布的特征［J］.建筑结构学报，1995，6(16):38-44.

［5］谢壮宁，石碧青，倪振华.尾流受扰下复杂断面建筑物的风压分布特征［A］.第九届全国结构风效应学术会议论文集［C］.1999.

［6］徐有恒.姐妹楼双塔相互干扰的风洞实验研究［J］.结构风工程，1998(sup):46-51.

［7］叶 倩，朱 江，方正昌.群体效应对风压分布的影响［A］.第九届全国结构风效应学术会议论文集［C］.1999.

［8］陈颖钊，倪振华，石碧青，等.临近高层建筑对大跨轻型屋面低矮房屋风荷载的影响研究［Z］.1997.