某机场现状航站楼改扩建前后屋盖风荷载体型系数变化分析

肖丹玲

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

1 研究背景

民航“十三五”期间改扩建机场达125 个，各个机场采用改扩建扩容已成为主流，航站楼发展正式进入增量发展与存量更新的时代。广东省近年启动的机场改扩建项目包括珠海机场改扩建工程、惠州机场扩容扩建项目航站楼配套工程、揭阳潮汕机场扩建工程以及白云机场三期扩建工程等。

类似机场航站楼的屋盖结构，建筑外形比较独特、跨度大、质量轻，且处于湍流度较高的近地区域，其周边绕流和空气动力作用非常复杂，是一种典型的风敏感结构，风荷载是控制结构设计的主要荷载之一，现行《建筑结构荷载规范：GB 50009-2012》［1］很难确定其屋盖表面的风压分布，通过风洞试验来获得其风荷载已经成为业界共识［2-4］。

目前，文献［1］中对于高层建筑由于周围环境的改变而引起风荷载的变化已有条文规定，设计人员也较为重视，对于有的高层建筑在风洞试验中甚至会通过既有周边建筑和规划周边建筑2种工况来获得结构风荷载用于设计。但是对于类似航站楼这样的大跨度屋盖结构，周围环境的变化是否会引起风荷载的变化，影响有多大，尚未引起业内人士的关注［5-6］。

2 项目概况

航站楼建筑单体的改扩建分为2 个方向：一是建筑部分的改扩建，包括水平横向、竖向叠加扩建，内部空间功能转换，外立面改造；二是相关设备的更新改造。其中横向水平扩展主要包含2 种情况：①既有建筑延伸：新建部分是原有功能的延伸或补充，可以在原有建筑的基础上加宽平面，一般是在交通空间的末端来扩展，或者结合庭院来拓展平面，增加功能空间；②新建单体航站楼是最常见的扩建形式，但最好能以某种方式与老航站楼相连，将新旧建筑组合在一起，保证建筑的完整性，节约用地的同时，也提高陆侧效率，改善旅客环境［7-11］。

广东某机场改扩建工程为新建单体航站楼，在现状航站楼的两侧分别扩建国内航站楼和国际楼，同时在航站楼前面新建交通中心，扩建后的航站楼效果如图1所示。

图1 扩建后的建筑效果Fig.1 Architectural Renderings after Expansion

3 模拟计算

3.1 几何建模

分别建立航站楼扩建前后建筑模型，并拟进行全风向下每30°为一个风向共12 个风向角的模拟计算，风向示意图如图2所示。

图2 模拟风向角示意图Fig.2 Schematic Diagram of Simulated Wind Direction Angle

在计算过程中建立了全尺度模型，最大建筑高度30.625 m，计算域为总尺寸为12 000 m×3 500 m×450 m，如图3b、图3d 所示，0°风向对应+X 方向，90°风向对应+Y 方向，扩建前后三维模型及计算域如图3所示。

图3 扩建前后三维模型及计算域Fig.3 3D Model and Computational Domain before and after Expansion

3.2 网格划分

将计算域划分为内部圆柱体区及外部域，主体建筑及周边建筑物表面网格划分如图4 所示，内部圆柱体区包含有建筑模型，采用全四面体网格划分，机场主体结构内外表面网格最大尺寸为1.5 m，周边建筑表面网格最大尺寸为3.0 m；外部域采用四面体结构网格形式；内外部网格生成后进行组合得到不同计算工况下的整体网格，扩建前网格总数量约800万个，扩建后网格总数量约为1 500万个。

图4 扩建前后网格划分Fig.4 Grid Division before and after Expansion

3.3 边界条件及计算参数设置

入口边界条件采用B 类梯度风剖面，出口为压力出口，顶部和两侧设置为对称边界条件，建筑表面及地面为无滑移壁面条件。

采用稳态（Steady）计算，湍流模型选为SST k-ω模型，各量值迭代残差小于10-4或壁面压力监控值稳定后视为计算收敛。

3.4 结果后处理

由于体型系数和地貌类型、高度无关，通过它可以客观地比较不同建筑体型的结构模型的风荷载分布特性，因此分别提取主体建筑表面网格点的风压系数（Pressure Coefficient，Cp），分别提取内、外表面风压求差值得综合风压系数，该风压系数的参考点高度选为建筑主体结构顶部高度，利用下式变换得到屋盖结构表面各网格点的体型系数μsi：

式中：α 为地貌粗糙度指数，按B 类地貌取为0.15；H为建筑顶部标高；Zi为各网格点的高度，当Zi＜10 m时，取Zi=10 m。

4 结果及分析

计算得到的扩建前后航站楼上表面体型系数云图如图5所示，由图5可以看出，扩建前后现状航站楼表面风荷载体型系数发生了较为明显的变化。

为更直观地比较扩建前后航站楼屋盖结构体型系数的变化，将航站楼屋盖划分为若干区块（见图6），对区块内的所有节点综合体型系数求平均值，并选取代表区域绘制扩建前后的体型系数变化曲线，如图7所示，其中区域1～6 为边缘区域，区域7～10 为中间大面区域。

图5 扩建前后航站楼上表面体型系数Fig.5 Surface Shape Coefficient of Terminal before and after Expansion

图6 航站楼屋盖分区Fig.6 Block of Terminal Roof

从图7的对比可以看出：

⑴对于大部分区域大部分角度，扩建后的体型系数小于扩建前；

⑵边缘区域4 在210°和240°风向角下扩建后负综合体型系数与扩建前相比有所增大，尤其是240°风向角下增大较多；边缘区域1 在60°风向角下扩建后的正综合体型系数较扩建前有所增大；边缘区域3 在90°风向角下扩建后的负综合体型系数较扩建前有所增大；

图7 航站楼屋盖代表性区域扩建前后体型系数对比曲线Fig.7 Comparison Curve of Shape Coefficient before and after Expansion of Representative Area of Terminal Roof

⑶中间区域8在0°～30°和120°风向角下，中间区域10在120°风向角下负体型系数较扩建前均有所增大。

⑷由于扩建主体建筑的影响，航站楼屋盖结构表面风荷载体型系数分布发生变化，有的区域风荷载方向发生了变化，如中间区域8 在60°风向角下、中间区域9在90°风向角下的风荷载方向均发生了变化。

5 结论

本文采用CFD 数值模拟方法对某机场现状航站楼在扩建前后平均风荷载进行了模拟计算，对于扩建前后现状航站楼的代表性区域风荷载体型系数变化情况进行了对比分析，分析结果如下：

⑴就本项目整体而言，扩建后大部分区域在大部分角度下风荷载体型系数较扩建前变小；

⑵受扩建主体建筑影响，边缘及中间部分局部区域在部分角度下风荷载体型系数较扩建前变大，中间部分区域风荷载在某些角度下由吸力变为压力或者由压力变为吸力。

鉴于扩建后现状航站楼屋盖风荷载体型系数有可能变大，对于改扩建航站楼项目的现状航站楼提出以下建议，以供类似改扩建航站楼及大跨度屋盖结构项目参考：

⑴有必要对扩建前后的现状航站楼风荷载进行对比分析；

⑵针对扩建前后局部体型系数增大的区域尤其是边缘区域进行围护结构风荷载复核，并对抗力不足区域采取加强措施，以免扩建后屋盖结构在台风等大风作用下从该区域发生破坏从而引起连续破坏；

⑶针对扩建前后主体结构体型系数发生较大变化或风荷载反向的工况，复核主体结构风荷载。

需要注意的是，本文采用稳态分析方法进行模拟计算，对比的是扩建前后体型系数（平均风荷载）变化情况，主体和围护结构设计时还需考虑与高度变化系数、风振系数或阵风系数、基本风压和有效受风面积的乘积。