地域典型强风作用下异型建筑风荷载分布研究

王辉明，王祥林，王诗怡

(新疆大学 建筑工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830046)

0 引言

风灾是自然界频发的灾害之一。风荷载不但使建筑物受到较大水平力作用，还可能引起内部构件的振动，长期作用会进一步造成结构的疲劳破坏。而随着材料和建造工艺的不断发展，建筑主体更是朝着对风荷载敏感的大跨、高柔性方向发展[1]，因此风荷载已成为必须要控制的荷载之一。同时，《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2](以下简称规范)对异型建筑的风荷载体型系数并没有明确的规定，这给目前外形独特、结构复杂的建筑物的抗风性能遗留了安全隐患。

研究风荷载对建筑物的影响及作用，除了进行传统的现场测量和大型风洞试验外，数值模拟技术已成为主要的研究方法之一。它的优越性主要体现在具有模拟真实和理想条件的能力，周期短、花费少、可以完整地获取风压和风速等数据，图形可视化[3]。文献[4-5]分别对龙卷风作用下的四坡屋面和下击暴流作用下的双坡屋面进行了数值模拟，着重探讨了风向、坡角变化及有无挑檐对屋面风压分布的影响，但未涉及建筑其他壁面风压分布的研究。文献[6]对不同风向角下带凹角的矩形高层建筑的平均风荷载进行了数值模拟研究。文献[7]研究了矩形围护结构在不同风速、不同建筑体型下壁面的风压分布和风荷载局部体型系数，考虑了不同变量对建筑壁面风压分布的影响，但研究对象仍为简单的矩形建筑，并且也未考虑地域风环境的影响。新疆部分地区风力强劲，大风天气较多。因此，研究持续性大风天气环境下，新疆城市异型建筑物在地域典型强风作用下的风荷载分布，对异型建筑的安全性和稳定性很有必要。本文以新疆大剧院这一异型建筑为研究对象，结合乌鲁木齐地区典型风荷载工况，研究新疆大剧院表面风荷载体型系数的分布规律，可为类似异型建筑的风荷载体型系数取值和建筑结构抗风设计提供参考。

1 理论基础和计算参数

1.1 平均风速剖面

水平方向的气流会受到地球表面粗糙单元的阻碍，这种阻碍会随着距离地球表面高度的增加而减弱，当达到临界高度即梯度风高度时，阻力的影响就可被忽略[8]。从地球表面到梯度风高度处风速由小到大的现象用指数率平均风速剖面描述，如式(1)所示[8]：

(1)

随着高度的增加，气流的速度也在增加，高层建筑将受到较大的风荷载作用。并且，周围建筑群密度增大，地面粗糙度指数也会增大，则随着高度的增加，建筑周围风速会比房屋稀疏的郊区大。

新疆乌鲁木齐地区在天山等地形作用的影响下，大风日数多且风力强劲。图1为乌鲁木齐地区风玫瑰图。从图1a可以看出：乌鲁木齐地区在北向和西北方向的风速最大。图1b表明：乌鲁木齐地区在西向和东北方向的风频最大。从季节分布来看，在春、冬季大风日数较多，但在四季中夏季的平均风速最大[9]。近年来，随着乌鲁木齐地区城市建筑群密度和建筑物高度的逐渐增大，对城市建筑风荷载作用的研究也越显重要。

(a) 风速玫瑰图

1.2 风荷载体型系数

风工程中用结构风压分布系数来描述结构表面风荷载的分布特点。建筑表面测点i处风压系数μsi[10]如式(2)所示：

(2)

风荷载体型系数μs是由测点i处风压系数μsi与该点所属表面面积Ai的乘积取加权平均得到[9]，如式(3)所示：

(3)

其中：Ai为测点i所属的表面面积，m2；A为所计算表面的总面积，m2。

风荷载体型系数能够反映稳定的风压在结构表面上的静态分布情况，其值为正时表示建筑表面受风压力的作用，反之，则表示受风吸力作用。

风荷载体型系数与建筑物的形状、规模和地面粗糙度有关，其中建筑的形状影响作用最大。对于外形复杂的建筑，规范中没有提供可以参考的风荷载体型系数取值，因此研究异型建筑的风荷载体型系数很有必要[11]。

1.3 计算流体力学基本控制方程

建筑风工程数值模拟的理论基础是计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)。CFD是通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科[12]。

流体流动要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。质量守恒定律要求单位时间内流出控制体的流体净质量总和应等于同时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量。动量守恒定律要求对于一给定的流体微元，其动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。能量守恒定律要求微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上质量力与表面力对微元体所做的功[13]。

对应于不同的流动模型，基本控制方程又有不尽相同的形式。对于流体力学本身，这些不同形式的控制方程没有本质上区别，但是对于CFD而言，方程的形式将直接决定求解的结果，不适宜的方程可能得不到收敛的解[14]。

1.4 湍流模型

标准(Standard)k-ε、重整化群(Re-normalization group，RNG )k-ε和可实现(Realizable)k-ε湍流模型均普遍用于解决工程湍流问题[15]。Standardk-ε湍流模型对时均应变率特别大的情形，有可能导致负的正应力[16]，为了使流动更加符合实际湍流现象，Shih对Standardk-ε模型进行了改进并提出Realizablek-ε湍流模型，并且Realizablek-ε湍流模型适合的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流、自由流、腔道流动、边界层流动和有分离的流动等[13]。

1.5 英联邦航空咨询研究会高层建筑标准模型的验证

英联邦航空咨询研究会(commonwealth aviation advisory research conference，CAARC)高层建筑标准模型是以检验各个模拟自然风洞试验结果为目的的标准模型。其标准模型为45.72 m×30.48 m×182.88 m的矩形建筑物，模型表面平整光滑且无任何附属物[17]。测点布置在建筑物2/3高度处，布置20个测压点，如图2所示。CAARC标准模型和新疆大剧院周围流场发展均属于钝体绕流，故对于符合CAARC标准模型风洞试验值的模拟计算方法同样也适用于新疆大剧院。

(a) 模型尺寸 (b) 测点布置

根据CAARC标准模型的试验数据，使用CFD数值模拟方法分别选择剪切应力传输(shear stress transfer，SST)k-ω湍流模型、Realizablek-ε湍流模型和雷诺应力模型(Reynolds stress model，RSM)，计算不同湍流模型下建筑表面的风压系数，并与CAARC标准模型的风洞试验值进行对比，验证CFD数值模拟方法结果的可靠性，同时选择出最接近试验值的湍流模型。

使用FLUENT软件设置计算模型表面和地面为无滑移壁面(wall)，计算域顶部和两侧选择对称边界模拟自由滑移壁面边界条件(symmetry)；出口处为自由出流(outflow)；入口处设置指数率的速度入口(velocity-inlet)[1]，参考高度处的风速取模型顶部182.88 m的试验风速11.7 m/s，α=0.16为B类粗糙地面指数。速度入口处的湍动能K(单位J)、湍动比耗散率ω和湍流强度I参考日本规范[18]取值，如式(4)～式(6)所示：

(4)

(5)

(6)

图3为不同湍流模型下各测点的风压系数与风洞试验值的比较。由图3可以看出：SSTk-ω湍流模型和Realizablek-ε湍流模型均与试验值较为接近，但在15～20号测点(侧壁面处测点)的风压系数中，Realizablek-ε湍流模型更接近试验值，说明Realizablek-ε湍流模型对来流风在侧壁面处发生分离和因分离产生的涡流的模拟更加符合真实情况。

图3 不同湍流模型下的风压系数与风洞试验值的比较

2 异型建筑风荷载体型系数研究

2.1 模型的建立及网格划分

新疆大剧院属于对风荷载敏感的半球形大跨结构，大剧院由一个内壳和两个外壳组成，如图4所示，其主体结构长141.4 m，宽113.4 m，高73.6 m；主体结构下为一个长255 m、宽212 m、高6.3 m的平台。本文将新疆大剧院实物进行合理简化并按照原尺寸建立三维几何模型。

图4 新疆大剧院

取CFD流场计算域高度为建筑物主体最高点的4倍；入口处与建筑物距离为建筑宽度的7倍；出口处与建筑物距离为建筑宽度的14倍；计算域的两侧与建筑物的距离为建筑物长度的7倍[19]。

整个流场采用局部加密的六面体网格划分，以保证计算结果的精度，新疆大剧院壳体和底部平台几何模型及网格如图5所示。模型计算域中的网格大约为3×106个。

2.2 新疆大剧院周围流场分析

图6为横向来风时新疆大剧院周围风速矢量图。由图6可以看出：来流风在撞击正迎风面时，在下部产生空气回流，使下部来流风速减小；同时空气在整个建筑物顶部发生分离和再附着；空气在整个建筑两侧生成两股剪切流，并在建筑物背部发生空气回流，在背风面处形成涡流；随着尾流与建筑之间的距离增大，流场分布渐渐复原。

图7为纵向来风时新疆大剧院周围风速矢量图。由图7可以看出：来流风在撞击正迎风面时，在下部产生空气回流，使下部来流风速减小；来流风沿着壁面向上发展，在顶部产生分离和再附着，但由于顶部截面的变化又在屋顶处成涡流；同时空气在整个建筑物顶部发生分离和再附着；建筑两侧的剪切流在建筑物背部发生空气回流，在背风面处形成涡流。由图6和图7可知：在横向和纵向来流风下，大剧院周围流场分布都符合钝体绕流现象。

2.3 不同风向角下异型建筑风荷载体型系数分析

风向角示意图如图8所示。根据乌鲁木齐地区北向(45°风向角)和西北向(0°风向角)风速最大及西向(45°风向角)和东北向(90°风向角)风频最大，选择如图8所示的0°、45°、90°、135°和180°这5个方向，取乌鲁木齐地区平均年最大风速30.98 m/s计算体型系数。

不同风向角下的体型系数分布图见图9。

由图9a可知：在0°风向角下，迎风面处受风压力，最大正体型系数为0.60，出现在迎风面处。体型系数顺着来流方向不断减小，逐渐变为负值，在屋面处受风吸力作用，体型系数达到最大负值-1.53，在背风面风荷载体型系数逐渐增大，但仍受风吸力作用。0°风向角下，平台受较小的风吸力作用。

由图9b可知：在45°风向角下，来流风的发展符合实际物理情况下风绕建筑的流动特性，最大正体型系数为0.60，出现在迎风面处；最大负体型系数为-1.23，出现在屋面。在内壳处出现了体型系数的不规则分布，这是由于在顺风方向下内外壳的两处截面突变造成的，内壳处不规则的体型系数分布形成了“左顶右吸”的叠加效果，对结构不利。

由图9c可知：在90°风向角下，迎风面最大正体型系数为0.60，屋面最大负体型系数为-0.84。因内外壳连接处截面的变化，内壳顶部的风荷载体型系数一侧受风压力，另一侧受风吸力，形成“左压右顶”的对结构不利的风压分布。

由图9d可知：在135°风向角下，最大正体型系数为0.60，出现在迎风面处；最大负体型系数为 -1.23，出现在屋面。因风向与建筑之间呈一定角度，在内壳处出现风压系数不规则分布的现象，这是由于在顺风方向下内外壳的两处截面突变造成的，内壳处出现了“左顶右吸”的叠加效果，对结构不利。

由图9e可知：在180°风向角下，最大正体型系数为0.60，出现在迎风面和背风面平台处，这是由于内外壳截面的突然变化形成凹陷空间，形成了局部的“狭管效应”，所以在背风面平台处体型系数达到0.60。

在不同的风向角下，最大负体型系数均位于屋顶顶部，最大正体型系数均出现在迎风面。随着风向角从0°到180°的变化可以看出：不同风向角下风荷载体型系数的分布都符合流场中风压分布的规律，并且在180°风向角下，屋顶处负压面积最大，结构表面的体型系数分布最不利。参照规范，将新疆大剧院建筑结构划分为多个区域，见图10。给出180°风向角下建筑结构外壳和内壳的体型系数的建议取值，表1为外壳风荷载体型系数建议取值，表2为内壳风荷载体型系数建议取值。

(a) 外壳

表1 180°风向角下新疆大剧院外壳风荷载体型系数建议取值

表2 180°风向角下新疆大剧院内壳风荷载体型系数建议取值

3 结论

(1)CFD数值模拟结果可靠，且Realizablek-ε湍流模型能够很好地模拟真实湍流的发展情况。来流风撞击迎风面在屋顶处气流发生分离和再附着；在迎风面下部产生空气回流；建筑两侧的剪切流在建筑物的背面发生回流现象，并在背风面产生涡流。随着尾流和建筑物之间距离的增加，流场的分布逐渐恢复，新疆大剧院周围流场符合钝体绕流现象。

(2)在180°风向角下，由于内外壳截面变化形成了局部的“狭管效益”，造成局部风荷载体型系数的增加，对类似异型建筑结构设计时应注意这种由于结构外形造成的局部风荷载体型系数的增加。45°、90°和135°风向角下，由于内外壳截面变化造成的局部风荷载体型系数变化分布复杂，形成了“左顶右吸”的对建筑结构不利的叠加效果，对类似异型建筑结构设计时应注意这种由于结构外形造成的局部风荷载体型系数的复杂变化。

(3)在不同的风向角下，新疆大剧院迎风面承受最大正压，屋顶均承受最大负压，因此在类似异型建筑中承受巨大正压和负压的壁面应受到重点关注。取180°时为其最不利的风向角，故以180°风向角为例，参照规范，给出180°风向角下建筑结构外壳和内壳的体型系数的建议取值，为类似异型建筑的风荷载取值和抗风设计提供参考。