异型开敞屋盖风荷载与风场特性数值模拟研究

康佳鑫

(华东建筑设计研究院有限公司,上海 200011)

超高层、大跨屋盖、大悬挑等建筑结构对风荷载较为敏感。精确计算风荷载是确保建筑安全的重要条件之一。我国相关规范提供了简单造型建筑的风荷载体型系数,对于复杂形体的建筑抗风设计,其相关参数的获取需要依靠风洞试验和数值模拟。数值模拟时间成本相对较低,并可获取复杂建筑形体周边的风速矢量及流线图,有利于分析建筑表面风压分布机理。目前,国内已有较多工程使用Reynolds平均法(RANS)计算建筑的平均风荷载,计算结果能够满足工程使用的精度要求。顾明等[1]采用RSM湍流模型计算了上海铁路南站屋盖结构的平均风荷载。文志彬等[2]采用RNGk-ε湍流模型分析了某水雪综合体的平均风压和流场分布,讨论了屋盖风吸力产生的原因。霍林生等[3]利用RNGk-ε湍流模型分析了不同建筑密度及建筑布置形式下穹顶屋盖受周边建筑的干扰影响。楼文娟等[4]、张四化等[5]采用Realizablek-ε湍流模型分别对不同的悬挑屋盖风荷载进行数值模拟分析,并将结果与风洞试验进行对比,证明了数值模拟结果的有效性。孙芳锦等[6]、姜初伟等[7]采用数值模拟方法分析了不同建筑外形对自身风荷载的影响,并提出了相关建议。

本文以某医院开敞屋盖为研究对象,采用Realizablek-ε湍流模型,通过数值模拟获取了屋盖周边流场以及其表面风荷载,并对比分析了该屋盖及其简化模型的风荷载分布。

1 工程概况

某医院建筑模型如图1所示,其门诊屋盖为异型网壳结构,其中一部分位于门诊顶部,形成封闭空间;另一部分位于主体建筑外,为异型开敞屋盖,主要起雨棚的作用。异型开敞屋盖的平面投影呈弧形,前端有四边形缺口,类似门牙状,主要尺寸如图2所示。在不同风向角下,该异型开敞屋盖的下方气流流通,根据现行规范无法确定其自身风荷载分布以及对后方建筑风环境的影响。本文对该建筑进行建模,通过数值模拟研究异型开敞屋盖的表面风荷载分布,为类似工程项目的结构设计提供依据。文中屋盖均指该异型开敞屋盖。

图1 某医院的三维模型

(a)主视图

(b)俯视图

2 数值模拟方法

2.1 计算模型及网格划分

数值模拟计算域大小为4 500 m×2 000 m×500 m(长×宽×高),计算模型比例为11。采用区域分块技术进行网格划分,建筑周边区域采用加密的非结构化网格,其他区域采用结构化网格,网格数量总计约1 568万,模型堵塞比小于3%,数值风洞网格模型如图3所示。

(a)数值风洞计算域网格

(b)数值风洞局部网格划分

2.2 湍流模型及计算参数

在fluent软件中,使用基于压力的求解器,并采用SIMPLEC算法进行求解。数值模拟选用的Realizablek-ε湍流模型及非平衡壁面函数(Non-equilibrium Wall Functions)中,关于湍动能k和湍动耗散率ε的输运方程[8]为

(1)

(2)

式中:

图4 风向角β定义

计算域入口采用velocity-inlet,使用指数型风速剖面。根据建筑周边环境,确定地貌类型为B类,取该地百年一遇的风压0.7 kN/m2,入口的湍动能和湍动耗散率计算公式为

(3)

(4)

式中:Cμ取0.09;I为湍流强度;l为湍流积分尺度。

计算域出口采用pressure-out,顶面和侧面采用symmetry边界条件。地面和建筑物采用无滑移壁面wall。风向角β定义如图4所示,每间隔15°计算一次,共24个工况。

2.3 数据处理

屋盖受到的总风压用内外表面的压力差表示。风压系数Cp的计算公式为

(5)

式中:Pu为屋盖外表面的风压值;Pd为屋盖内表面的风压值;ρ为空气密度;U为参考点风速(10 m高度处风速)。内、外表面压力方向以指向建筑物为正、离开建筑物为负。由Cp的计算公式可知,净风压方向与外表面压力方向一致。按照建筑结构荷载规范[9],则屋盖的体型系数公式为

(6)

屋盖为双面受风,计算的体型系数为结构两面叠加后的净值。

3 数值模拟结果分析

3.1 风速矢量分布及分析

在0°、45°、90°、180° 4个典型风向角下,屋盖沿流向纵剖面的风速矢量如图5所示。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

当屋盖正面迎风时(见图5(a)),屋盖前端与后方建筑距离相对较近且正面挡风尺寸较大,近似形成了两侧开口的立方体结构,屋盖与后方建筑之间形成回流漩涡,该区域内风速很小,气流出现阻滞对屋盖下表面产生正压。屋盖立面内、外风压相互抵消,使得迎风面所受风荷载较小;屋盖上方气流发生流动分离并产生漩涡;屋盖弧形过渡区风吸力较大;加之屋盖下表面风压累加的风荷载,对屋盖结构会更加不利。

当屋盖与来流风斜交时(见图5(b)),来流风从侧面开口进入屋盖下方,在屋盖后方形成漩涡,由于气流与屋盖存在一定的夹角,可从另一侧开口排出。屋盖下部风和来流风风速相当,而屋盖上方转角处的风速较大。此时屋盖上游到下游的体型系数有明显的梯度变化,由正值变为负值。

当来流风向与屋盖横向平行时(见图5(c)),一部分风顺着屋盖面流过,一部分风从屋盖与后方建筑之间的缝隙穿过。屋盖下方气流畅通,两侧风速相近,此时屋盖表面风荷载相对较小。

当屋盖处于背风侧时(见图5(d)),受后方建筑影响,屋盖处于后方建筑的尾流区,屋盖斜上方迎风。此时屋盖与后方建筑之间仍有漩涡,下方风速较慢,屋盖立面风压很小。由于处于来流风下游,且受到后方建筑的遮挡,此时屋盖表面的风荷载相对较小。

3.2 体型系数分布及分析

屋盖在典型风向角下的体型系数分布如图6所示。由于周边建筑物的干扰及屋盖体型的不对称性,屋盖风压分布呈现明显的风向相关性特点。

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

(d)β=180°

当屋盖正面迎风时(见图6(a)),屋盖前端体型系数很小,大部分在0.1以内。最不利的正体型系数出现在屋盖端部迎风处,为0.76;最不利的负体型系数出现在屋盖转角处,为-2.05。在屋盖的弧形过渡区,气流发生分离再附,形成漩涡,此处受到较大吸力作用,且风压变化梯度较大。转折后的平缓段体型系数较为稳定,约为-0.6。屋盖两侧端部风压比中间大,这与屋盖的造型有关。当β=0°时,屋盖水平段受到风吸力的主要原因是其背面的风压较大。

当屋盖与来流风斜交时(见图6(b)),来流风斜着吹向屋盖,屋盖下方的气流流通。下部漩涡在屋盖背风面产生正压,其值大于屋盖正面所受来流风的直接压力,这导致屋盖前端整体受到较小的风吸力作用。最大的负压出现在正面迎风处的屋盖弧形过渡区,该处的体型系数为-2.38。在屋盖的右下方迎风部分,主要受到风压作用,最不利的正体型系数为1.42。

当来流风向与屋盖横向平行时(见图6(c)),来流风顺着屋盖穿过。屋盖两侧均受到风吸力作用,但部分互相抵消。屋盖的体型系数为0.34～-0.48,大部分区域为-0.2～0.2。从上游到下游,体型系数由正到负。

当屋盖处于背风侧时(见图6(d)),所受风荷载较小,体型系数为0.27～-0.67。由于屋盖处于上游建筑的回流区,两侧风吸力相当,合风压较小,体型系数为0～0.1。在屋盖的立面与水平转折处,受到风吸力作用,由于周边环境的影响,体型系数的分布不对称。

屋盖的最不利正体型系数出现在β=270°,位于屋盖左侧边缘,为3.16,最不利负体型系数出现在β=30°,位于屋盖弧形过渡区,为-2.88。不同风向下屋盖的最不利正、负体型系数分布分别如图7、图8所示。由图7可知,屋盖的大多数区域所受的正压较小,其最不利正体型系数不超过0.4。但需要注意不同风向角下引起屋盖受正压的原因是不同的。由图8可知,屋盖顶面区域始终受负压作用,此区域的最不利负体型系数为-0.9～-1.3。需要注意不同风向角下,屋盖两侧边缘所受的风荷载变化较剧烈,而屋盖前端开口附近所受的风荷载变化相对较小,体型系数为0.8～-0.5。

图7 不同风向下屋盖最不利正体型系数分布云图

图8 不同风向下屋盖最不利负体型系数分布云图

3.3 简化模型模拟分析

当屋盖正面迎风时,所受风压较小,尤其是立面的风荷载几乎为零。为验证此结果的正确性及其产生的原因,从屋盖(后称原模型)中提取了主要特征,并将曲面简化为平面,建立了如图9所示的“门牙”形屋盖(简称简化模型)。这个“门牙”与后方建筑形成近似立方体的空间,数值模拟相关参数参照2.2小节确定,模拟结果如图10所示。

图9 简化模型及相关尺寸

(a)β=0°

(b)β=45°

(c)β=90°

由图10可知:当β=0°时,简化模型的立面风荷载与原模型一致,均较小,体型系数位于0.1以内。此时气流在屋盖直角转折处发生分离,导致风荷载变化明显,屋盖平面受到风吸力作用;当β=45°时,简化模型侧面迎风,仅侧面迎风部分受到风压力作用,其余部分均受到风吸力作用,最大正压出现在迎风边缘处,此处气流变化较为复杂,而最大负压出现在迎风的直角转折处;当β=90°时,屋盖与来流风平行,体型系数大部分为-0.2～0.2,此时风荷载的分布与原模型存在较大差异。体型系数在近风侧出现最不利负值,再逐渐向下游增大,这可能是由于简化模型将屋盖的弧形曲线改为了折线所引起的。

在原模型中,当屋盖正面迎风时,立面的风荷载较小,这不仅是由屋盖前突的弧面造型引起的。当建筑前方结构与其形成两面开敞的形式时,对后方建筑起到了遮挡作用,同时也影响了自身的风荷载。简化模型在正面迎风时,侧面形状对其影响不大,其风荷载分布趋势与原模型类似。由于简化模型不能正确地体现原模型的侧面特征,因此在侧面迎风时,其结果与原模型存在较大差异。

4 结论

以某医院异型开敞屋盖为工程背景,基于计算流体力学进行数值模拟分析,得到以下结论:

(1)屋盖与主体建筑之间存在特殊的位置关系,导致屋盖与后方建筑之间极易产生漩涡。当屋盖正面迎风时,气流受到堵塞,使得屋盖立面风荷载相对较小,体型系数约为0.1。当侧面迎风时,气流更为畅通,屋盖表面风压主要表现为负压。

(2)屋盖的最不利正体型系数出现在β=270°,位于屋盖边缘,为3.16。而最不利负体型系数出现在β=30°,位于屋盖弧形过渡区,为-2.88。

(3)对于处于周边建筑回流区的建筑,其风荷载分布可能与经验值不同。因此,在周边环境复杂的情况下,需要考虑周边建筑对新建建筑的影响,并通过风洞试验或数值模拟获得更准确的结果。

(4)简化模型的模拟结果具有一定的参考价值,在早期方案设计分析阶段较为重要。