非对称己型连体建筑连廊风载动力特性分析

李丽华，毛 毳

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

非对称己型连体建筑连廊风载动力特性分析

李丽华，毛 毳

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

利用流体计算软件CFX对风场进行模拟，再将ANSYS信息在CFX中插值，从而获得建筑结构表面的瞬态风荷载.分析不同连接方式下连廊连接处的受力、连廊受力及连廊位移结果.结果表明：当连廊位于狭道尾部时，柔性连接方式下连接处受力较小，连接效果较好，但当风向为连廊方向时柔性连接方式下连接处受力会明显增加，柔性连接不再适用；在该建筑结构中刚性连接具有较低的连廊轴力及连廊变形，但在支座处受力较大，应适当增强连接处承载能力；采用长度较小的连廊有益于减小连廊支座位移的变化率.

非对称己型连体建筑；风荷载；动态响应；连接方式

连体建筑一般是指几栋单体高层建筑之间由一个或几个架空的连接体连接构成的整体结构.连体建筑以独特的外形和多样的建筑功能，被广泛应用于工程实际.如湖南省广电中心，长沙东方芙蓉广场［1］等.

目前，有学者研究了连体建筑在地震荷载下的整体动力响应，以及对某一种连接方式下连廊的分析设计［2-3］.但对连廊在不同连接方式下的风荷载动力响应模拟分析很少.一般情况下，连廊相对主体刚度较小，连接处受力较大，因此在荷载计算时应重点分析连廊结构.常用的连接方式有：刚性连接、铰接连接、柔性连接［4-5］.本文采用CFX-ANSYS单向耦合的数值模拟［6］方法对三种常用连接方式下连廊结构风荷载动力响应特性进行了对比分析.

1 建筑实例

文中采用的建筑实例［7］，是高为38.95，m的九层非对称三塔连体建筑，建筑结构整体呈己字型.连廊位于建筑顶部八、九层处，连廊高为 8.48，m，建筑首层高为 4.67，m，二层高为 4.8，m，九层高为4.28，m，其余层均为4.2，m.B、D相对C为非对称布置，连廊为钢桁架结构，主体为钢筋混凝土结构.建筑结构平面图如图1所示.

图1 建筑结构平面图（单位：m）

2 风场模拟

2.1 模拟方法

采用非定常雷诺平均方法（RANS）对风场进行模拟.该方法不仅能够保证较好的工程精度，而且具有较小的计算量.且采用非定常 RANS方法获得的计算结果要较定常 RANS方法获得的计算结果好的多［8］.

2.2 模型建立及参数的设置

首先根据建筑的实体尺寸建立了刚性计算模型，在此建筑模型基础上建立一个 1，100，m×700 m×300，m的流场域模型来模拟大气边界层内的流动.流场域尺寸的选取满足阻塞率小于 3%，的要求［9］.尺寸的正确选取能消除流场域边界对建筑结构的影响，又能避免流场域过大造成的计算负担.流场网格选择非结构化的四面体网格划分，网格数约为 400万.流体入口边界选择速度入口（velocityinlet）边界条件；出口为开放式（opening）边界条件；流场侧面及顶面为可滑移（slip wall）边界条件，其余边界为不可滑移（no slip wall）边界条件.计算模型主要参数设置如表1所示.

表1 计算模型主要参数设置

2.3 连廊迎风面压强结果

由于该建筑高度小于 60，m，不属于对风敏感的高层建筑且建筑相对于流体刚度较大.因此，本文只考虑了风荷载对建筑结构的扰动，即单向流固耦合.在CFX流体计算中，较长时间的计算及较小的时间步长能够保证获得更好的计算结果.为了保证结果精度的同时尽量减少CPU消耗时间，文中以风场入口 10，m高度处的速度约 9次流过整个风场的时间作为计算时间，共计算了 6，min的流场情况，得到 0.5，s时连廊结构迎风面压强结果，如图2所示.

图2 连廊迎风面压强

3 结构风载动力分析

3.1 模型的建立及参数选择

己型建筑主体梁柱及连廊桁架采用 Beam188单元模拟，楼板采用Shell63单元模拟，桁架系杆结构采用Link8单元模拟，柔性支座采用Combin40单元模拟.由于风荷载作用于建筑表面的方向是不规则的，为了实现CFX向ANSYS的单向数据传递，在建筑物表面覆盖一层表面效应单元，本文采用Surf154单元，单元材料密度设为 0.模型各材料特性如表2所示.

表2 材料特性

3.2 风荷载的施加

将ANSYS有限元信息导入CFX进行插值，从而获得瞬态风荷载.从风场计算结果可知，建筑结构上的风荷载在100，s内已经达到稳定效应，因此，在数值模拟中仅对该建筑结构施加 100，s内的风荷载.连廊迎风面上一点的压力时程曲线如图3所示.

图3 压力时程曲线

3.3 连接方式及模拟

工程实际中常用的三种连接方式如图4所示.

图4 连接方式示意

本文在建筑模型中通过以下方式来实现三种连接：结构模型下端固定，连廊与主体的刚性连接通过连廊两端刚性全约束来实现；连廊与主体的铰接连接通过连廊两端的铰接连接来实现；连廊与主体的柔性连接，通过连廊一端铰接连接，另一端滑动连接来实现.三塔连廊建筑B座、D座相对于C座为非对称布置，因此将滑动端设置在 C座两侧.设定计算时间步长为0.5，s，共 200步，同时施加风荷载和建筑结构自重，进行瞬态计算，0.5，s时刚性连接下连廊的变形结果如图5所示.

图5 连廊变形

4 连接方式对连廊风载力学特性的影响

为了更直观的进行结果分析，从 1# 连廊下侧右端逆时针依次为连接处编号，编号结果如图6所示.

图6 连廊连接处编号

4.1 连接方式对连廊连接处受力的影响

图7为三种连接方式下各个连接点在时间历程中所对应的X方向最大支反力.

图7 X方向最大支反力

由图7可得，1# 连廊下侧连接处主要受X负方向的支反力，上侧主要受 X正方向的支反力，1、2号连接处支反力较大.在X方向上，1# 连廊刚性连接下支反力最大，柔性连接的滑动端在 X方向的受力与铰接对比变化不大，在个别点处出现上下的波动.

图8为三种连接方式下各个连接点在时间历程中所对应的Y方向最大支反力.

图8 Y方向最大支反力

由图8可得，1#连廊各连接处受力不均衡，在2号连接处发生明显变化，这是因为连廊端面上存在扭转变形造成了 Y方向支反力突然增大.柔性连接时 2#连廊 11号连接处受力方向突变，这会使得柔性连接较另两种方式变形更加稳定.

由图7和图8可得，1# 连廊位于B、C塔楼间洞口尾部，狭道风使连廊主要受力为 X方向风荷载，因此 1# 连廊在 Y方向最大支反力基本为零.但2号连接处所在平面发生扭转变形造成Y方向最大支反力增大.2#连廊位于 C、D塔楼间入口处，风在建筑结构棱角处分离绕流，使得连廊在 Y方向受力比 X方向大得多.因此，三种不同连接方式下 2#连廊在 X方向的最大支反力较 Y方向小得多.从连接处受力得出连廊位于 1# 廊位置时采用柔性连接效果较好.

4.2 连接方式对连廊受力的影响

取连廊跨中上弦杆及下弦杆进行轴力分析.图9和图10分别为上弦杆和下弦杆的轴力时程曲线.

由图9可得，刚接和铰接连接方式对上弦杆受力影响相似，柔性连接上弦杆受力最大，说明放松连接的柔性连接方式并不能达到释放连廊内力的效果.由图10可得，连廊在柔性连接时下弦杆轴力最大，铰接次之，刚接最小，因此可知刚性连接在降低下弦杆时受力效果最好.2#连廊同 1#连廊杆内力规律相同，但其位于狭道入口处，连廊内力明显小于1#连廊，此处就不在列出其受力图.

图9 1#连廊上弦轴力时程曲线

图10 1#连廊下弦杆轴力时程曲线

4.3 连接方式对连廊变形的影响

由于风荷载是沿 X方向运动的，因此文中只对X方向的位移差进行了对比分析.通过位移差值变化率的方式得到连廊连接处位移情况.1#连廊上 4号连接处的支座位移变化率如图11所示.2#连廊上16号连接处的支座位移变化率如图12所示.

图11 4号连接处支座位移变化率

图12 16号连接处支座位移变化率

由图11和图12可知，随着连接方式的放松，连接处位移逐渐变大.1#连廊支座位移变化率明显大于 2#连廊支座位移变化率.由此表明随着连廊长度的增大，不同连接方式下的支座位移变化率均增大.

5 结 论

通过分析非对称己型连体建筑在不同连接方式下连接处的受力，连廊受力及连廊位移，得出如下结论.

（1）当连廊设置在狭道尾部时（即 1#连廊位置处），柔性连接方式下连接处的受力较小，连接效果较好.但柔性连接支座位移较另两种方式大得多，且在 Y方向受力较大时，连接处的受力会明显增大.因此，当风向为连廊方向时不适用于柔性连接.

（2）文中刚性连接时轴力及位移均较小，建议在类似非对称己型连体建筑上使用刚性连接，但要适当增加连接处的承载力.

（3）在柔性连接时连廊支座处位移较刚性连接和铰接连接时大得多，且 1#连廊上支座位移变化率要明显大于 2#连廊支座位移变化率.说明采用长度较小的连廊有益于减小连廊支座位移的变化率.

综上所述，柔性连接方式不适用于连廊受横向风荷载较大的建筑；连廊位置设置的合理性对减小连廊受力具有较好的效果；对于非对称己型连体建筑，采用刚性连接对降低连廊轴力及变形效果较好，但此时应适当增加连接处的承载力.

［1］樊 亭，王 飞，阚 明.长沙东方芙蓉广场高位连体结构设计［J］.建筑结构，2013，43（2）：17-21.

［2］黄坤耀.双塔连体结构的静力、抗震和抗风分析［D］.杭州：浙江大学，2001.

［3］沈朝勇，徐 丽.某大厦多座连廊柔性支座计算分析和设计［J］.国外建材科技，2005，26（2）：70-72.

［4］王文民.连接方式及连体跨度对双塔连体结构受力性能的影响分析［D］.兰州：兰州理工大学，2008.

［5］BHASKARARO A V，JANGID R S.Seismic analysis of structures connected with friction dampers ［J］.Engineering Structures，2006：28（5）：690-703.

［6］张世宇.高层建筑的风荷载及风致振动的数值模拟［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［7］常 笑，李 娜.内蒙古地区某多层三塔楼建筑流场计算域的选择［J］.天津城建大学学报，2014，20（1）：13-17.

［8］INACCARINO G， DURBIN P.Reynolds averaged simulation of unsteady separated flow［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24（2）：147-156.

［9］乔长贵.中高层住宅区建筑群风干扰效应研究［D］.福建：华侨大学，2009.

Dynamic Response Analysis Of Unsymmetrical Three-Tower-Connected Structure Under Wind Load

LI Lihua，MAO Cui
（School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China）

The study uses fluid calculation software CFX for simulating wind field， and ANSYS in the information provided in CFX interpolation， to obtain the transient wind load on the surface of the building structure.It analyzes the results of connection force， force and displacement of nest joint results in different connection modes.The results show that when the nest at the end of the narrow passage， the joint force smaller under the flexible connection way， its effect is good， but when the wind is the direction of the nest flexible connection way the joint force will increase obviously， the flexible connection no longer apply； in the structure of rigid connection it has lower nest of axial force and displacement of nest， but in the bearing force it is bigger， it should be appropriate to enhance joint bearing capacity； The length smaller nest is beneficial to reduce the nest of displacement rate.

unsymmetrical three-tower-connected structure；wind load；dynamic response； connection modes

TU312.1：

A

2095-719X（2016）03-0190-05

2015-04-03；

2015-04-20

李丽华（1989—），女，天津人，天津城建大学硕士生.