强风作用下低矮民居受力分析

刘海亮 郑晓洋 宫乐敏

(潍坊市第二建筑工程公司，山东 潍坊 261011)

强风作用下低矮民居受力分析

刘海亮 郑晓洋 宫乐敏

(潍坊市第二建筑工程公司，山东 潍坊 261011)

受台风影响的中国东南沿海地区，低矮房屋的损坏最为普遍也最为严重。基于此，本文对低矮民居的表面风压进行了模拟并对其抗风性能进行了研究，并指出了后续的低矮民居结构抗风研究侧重点。

强风，低矮民居，表面风压，FLUENT，ANSYS

1 概述

风灾是自然灾害中发生最频繁，也是人员伤亡和经济损失最为严重的一种。台风是风灾中破坏力最大、造成损失最严重的一种。我国东南沿海地区受台风影响频繁，每年由台风造成的经济损失至少百亿元以上并且会有一定的人员伤亡[1]。通过对台风灾害的研究可以发现，台风灾害中生命和财产损失主要是由土木工程结构的风致破坏引起的[2]。而在土木结构中，经济发展相对落后的村镇地区的低矮民居房屋受台风灾害影响最为普遍，也最为严重。这主要是由于村镇低矮房屋是大部分人群的生活场所，而这类结构抗风能力极为脆弱。一旦发生台风灾害，会直接威胁到这部分人群的生命安全。和发达国家相比，我国的台风灾害研究工作主要集中在大型结构抗风研究的投入上，在村镇建筑抗风研究方面的投入和学术关注均很低[3]。为了评估及预测低矮民居在台风灾害中的破坏及损失，本文首先对双坡两层低矮民居的表面风压进行了模拟研究，并对风荷载规范中的建筑表面风压系数做了一定的修正。在低矮民居抗风性能研究方面，本文以厦门市村镇地区常见的双坡两层砌体房屋为例建立有限元模型，参照当地月平均风速及地貌特征模拟生成脉动风，采用修正的低矮民居表面风压系数，对该砌体结构进行了时程脉动风荷载作用下的非线性有限元模拟。针对结果进行了低矮民居的抗风性能分析，并指出了后续的低矮民居结构抗风性能研究侧重方向。

2 低矮民居表面风压模拟

从风灾调查结果可知[4]，低矮民居的破坏往往是从表面围护体系，尤其是屋面围护体系的破坏开始的。由于低矮民居建筑的刚度比较大，所以在风荷载作用下产生共振的可能性比较小。在这种情况下，其结构主体的抗风强度不是主要问题，而改善建筑的外形以减小其所受的风荷载，尤其是屋面体系所受的风荷载才是解决低矮民居抗风问题的最有效途径。因此，若要做到这一点，必须要了解低矮民居的风压特性，尤其是屋面体系的风荷载特性。对低层建筑风荷载的研究，目前主要有三种方法：全尺寸现场实测、风洞试验和数值模拟，即CFD(Computational Fluid Dynamics)[5]方法。风对建筑的扰流流动属于复杂的三维钝体绕流流动问题，这类问题很少能用完全的解析方法成功地解决。目前为止，风洞试验和全尺寸现场实测试验方法仍然是解决该问题的主要方法。但是风洞试验与全尺寸现场实测存在一些问题，而且，不管是风洞试验还是全尺寸现场实测均存在周期长、费用高、结果的精度受测试手段和仪器灵敏度的影响等不利的因素。

2.1FLUENT建模

FLUENT软件是目前国际上最流行的商用CFD软件。其具有强大的网格支持能力，独一无二的动网格技术，先进的数值解法，博采众长的物理模型功能，高效率的并行计算功能以及强有力的图形后处理功能。

几何模型:为了与规范相比较，本研究采用的是以典型双坡屋面，模型尺寸如下：h=5.332 m，w=3.6 m，l=10.8 m，坡度φ=30°，模型如图1所示。

2.2边界条件的设定及壁面处理

域入口处设置FLUENT中的速度进口边界条件(velocity-inlet)，本研究按照规范分别采用10 m和10 m/s；计算流域出口条件设置采用出口边界条件(pressure-outlet)。计算流域顶部和两侧条件采用对称边界条件(symmetry)。建筑物表面和地面边界条件采用的是无滑移的壁面条件(wall)。

2.3计算结果及其与风荷载规范中低矮民居风压系数的对比

将划分好的网格导入到FLUENT中进行计算，再将结果文件导入到后处理软件Tecplot中进行处理,可以得到建筑各表面平均风压。将风压转化为风压系数后与各国规范做对比，见表1。

表1 各国风荷载规范中典型双坡屋面平均风压系数和FLUENT计算结果对比

由表1可以得知，与各国规范[6]相比，FLUENT计算结果除了迎风面与背风面有些差距外，房屋其他侧面与各国规范相接近。因此在后续的低矮房屋强风荷载非线性分析中，可以只将FLUENT计算结果中迎风面与背风面的风压系数稍作调整即可。

3 脉动风荷载作用下双坡两层砌体房屋的受力分析

3.1双坡两层砌体房屋模型

为了研究砌体房屋在强风作用下的受力情况，本文先对砌体结构在脉动风荷载作用下的受力状态运用有限元软件进行了数值模拟。考虑到东南沿海村镇居民生活水平较高，所以采用的是双坡两层砌体房屋，所采用的砌体材料为MU10，M5，混凝土材料为C30，梁、柱、楼板采用的钢筋均为HRB335，屋架与檩条均采用木材，模型尺寸及效果如图2所示。

为了分析砌体房屋在强风荷载作用下的受力情况，在房屋结构平面的9个不同的区域生成了9种不同的脉动风速时程，参照厦门地区月平均风速，此处10 m标高处的参考风速为20 m/s。双坡两层砌体房屋不同位置处的脉动风荷载值可由Davenport谱[7]模拟求得：

(1)

风荷载模拟方法采用基于三角级数求和频谱表示法的谐波叠加法[8]。施加到结构表面的脉动风荷载平均值为20 m/s,与风力等级表中的八级风速相对应。

3.2非线性有限元模拟结果

求解计算完成以后，可通过ANSYS后处理得到结构在各方向的位移及应力云图及裂缝分布图。ANSYS中Solid65破坏单元中圆圈区域表示该单元产生开裂破坏或者压碎破坏[9]。由结构的破坏区域图可以看出，结构的破坏主要发生在楼板与圈梁连接的部分，而主体结构其他部分则几乎没有破坏，见图3，图4。

从上述图中可以看出：1)结构的主体部分在强风荷载作用下位移较小，而围护结构屋面板位移较大。2)结构屋顶屋面板与檩条相连接的部分剪切应力较大，容易发生剪切破坏。3)结构裂缝主要产生在圈梁与楼板交接处。

4 结语

本文主要对建筑表面风压分布模拟以及强风荷载作用下结构的抗风能力进行了分析，得到了以下结论：

1)与各国规范相对比，FLUENT软件模拟的建筑表面风压系数在迎风面及背风面偏低，而在建筑其他侧面的风压系数则差距不大。有限元分析中，宜对建筑迎风面与背风面的风压系数进行调整以更真实地模拟风荷载。

2)强风荷载作用下主体结构在圈梁与楼板交接处易产生裂缝，而围护结构屋面板及檩条连接处易产生剪切破坏，这也符合风灾现象中低矮房屋围护结构易发生损坏的现状[10]。下一步将对强风荷载作用下低矮房屋的围护结构破坏进一步的研究。

3)充分利用FLUENT与ANSYS的优缺点，真实有效地进行了强风荷载作用下低矮房屋的非线性有限元分析，论证了FLUENT与ANSYS结合的方法分析建筑结构风致效应的可行性。

[1] 康 斌.我国台风灾害统计分析[J].研究探讨,2016,2(26):36-40.

[2] 梁必骐，梁经萍，温之平.中国台风灾害及影响的研究[J].自然灾害学报,1995,4(1):1-8.

[3] 顾 明,赵明伟,全 涌.结构台风灾害风险评估研究进展[J].同济大学学报,2009,5(37):569-574.

[4] 陈定外.低造价房屋抗台风灾害研究[J].建筑科学,1994(3)：76-77.

[5] 马 骏.工业厂房数值模拟和抗风优化[J].水利与建筑工程学报,2015,13(1):187-192.

[6] 郑小宇.台风致低层民居易损性初步研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[7] 闫 石,郑 伟.简谐波叠加法模拟风谱[J].沈阳建筑大学学报,2005,1(21):1-4.

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[9] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社,2007:480-481.

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Sufferanceforcesanalysisoflow-riseresidentialbuildingsunderstrongwind

LiuHailiangZhengXiaoyangGongLemin

(WeifangSecondConstructionEngineeringCompany,Weifang261011,China)

The damage of low-rise residential buildings under the influence from typhoon is serious in the southeastern coastal areas of China. Based on that, the wind pressure on the surface of low-rise residential building is simulated and its wind resistance performance is studied. Besides, the focus of the next research on the wind resistance of the lower residential buildings is pointed out.

strong wind, low-rise residential building, surface wind pressure, FLUENT, ANSYS

1009-6825(2017)29-0062-02

2017-08-02

刘海亮(1989- )，男，工程师； 郑晓洋(1990- )，男，工程师； 宫乐敏(1972- )，男，工程师

TU312.1

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