风车形屋面风荷载特性分析

摘要：以成都某大型展览中心为项目背景，针对其大跨风车形屋盖结构的风荷载特性，考虑其周边地形影响，采用FLENT软件，基于RNG k-e湍流模型进行了数值风洞试验，分析了36个风向角下屋面风压系数分布和体型系数特性。结果表明：来流方向对屋盖风压分布影响较大，屋盖在风荷载作用下风吸为主，特定风向角下体型系数较大；结构檐口、屋脊等处具有强分离作用，风压梯度较大，在设计时应重点关注。

关键词：大跨屋盖； 数值风洞； 风压系数； 体形系数

中图分类号：TU312+.1文献标志码：A

0引言

由于经济文化的发展，人们对建筑的外观和室内功能要求日渐提高，建筑物的规模和跨度越来越大，大跨结构广泛地应用于如剧院、体育场馆、会议展览中心和厂房等工、民用建筑中［1］。大跨结构为了满足在其跨度下的结构强度和稳定性要求，通常使用质量轻，且强度高的材料，导致这类结构质量轻、柔性大，加之多数建筑几何形状复杂，因此对风荷载非常敏感。

目前，针对大跨结构风荷载的研究已经较为成熟，得益于计算流体力学（CFD）的飞速发展，数值风洞现已广泛应用于对建筑风荷载的研究，通过建立建筑物和周边环境的足尺计算模型模拟真实的建筑风场，能有效地缩短试验周期，节约研究成本，现已经成为相关行业的重要研究手段。

近年来，国内外学者对各种大跨建筑结构开展了数值风洞相关研究。陈肖笑［2］使用ANSYS CFX软件，基于SST k-ω湍流模型，对马鞍形索大跨结构在风荷载作用下的风压分布规律和不同风向角下风压系数的变化规律进行了研究；王世方［3］基于实际工程，使用FLUENT软件对复杂空间网架结构进行了数值模拟，得到了结构在不同风向角下不同分区的风压体型系数。李银龙［4］以实际工程三国演艺中心为背景，结合风洞试验和数值模拟，对大跨屋盖结构在不同风向角下的风压系数，并分析了平均风压系数随几何参数的变化，得到当建筑长宽比为定值时，结构的矢跨比对屋盖风压系数的影响。

本文以成都市某展览中心为背景，使用FLENT软件，基于RNG k-e湍流模型对展览中心风车状复杂空间曲面屋盖的风荷载特性进行分析。

1计算模型

1.1几何模型

拟建的大型展览中心总建筑面积3 385 m2，建筑总高度22.4 m，几何模型如图1所示。建筑外形为风车状，为复杂空间曲面造型，其平面、立面都极其不规则，并存在大空间、大悬挑、大角度斜向受力构件等多种结构不利因素，造成整体结构和节点在风荷载作用下受力极其复杂。

1.2湍流模型

数值计算采用RNG k-e湍流模型对流场湍流进行模型，边界条件入口需给定对应的湍动能k、湍动能耗散率ε和指定耗散率ω， 其表达式分别为式（1）～式（3）。

k（z）=1.5×［u（z）×I（z）］2（1）

ε（z）=（u3*）κ×（z+zs）（2）

ω（z）=ε（z）Cu×k（z）（3）

式中：κ为冯卡门常数，取值为0.41;zs 为气动粗糙高度，对于B类地貌其取值为0.05 m;u为地表摩擦风速，其取值为2.7 m/s;Cu为常数，一般为0.09；I（z）为高度z处的湍流强度，可按日本规范（AJI）取见式（4）。

I（z）=c（z10）-d（4）

式中：c和d为地面粗糙度相关的经验常数，c取0.204，d取0.2。

1.3计算流域及网格划分

根据模型几何特征，将计算流域从内之外划分为两个个流域，并设置不同的网格尺度，各流域之间数据传递通过设置interface面来实现。整个计算域尺寸见图2，其大小为1 360 m（x）×1 760 m（y）×350 m（z）。

采用ICEM和FLUENT MESHING对整个计算流域进行网格划分。采用不同的网格尺度对各流域进行空间离散，对于内流域，设定最大网格尺度为1.0 m，建筑表面最大尺度为0.02 m，其中屋面风压是重点关注区域，设定其最大网格尺度为0.02 m，网格从密向疏转化的尺度膨胀因子为1.2。外流域指定的最小网格尺度分别为1 m，最大网格尺度分别为5 m，网格图示见图2。

1.4边界条件设置

边界条件对计算结果起控制作用，A. G. Davenport［5］提出平均风速沿高度变化的规律可用指数函数描述，即式（5）。

（z）b=zzbα（5）

式中：zb，b为标准参考高度和标准参考高度处的50年重现期平均风速；z，（z）为任一高度和任一高度处的平均风速；α为地面粗糙度指数；

参照我国建筑结构荷载规范［6］对流域的各个边界进行指定，参照项目实际坐落位置，地面粗糙度类别为B类，α=0.16，参考高度10 m处风速取为22 m/s。

其余边界条件设置：流域出口采用压力出口，总压0 Pa，参考压力为1个标准大气压。两侧及上部边界面采用对称边界。建筑表面及地面采用无滑移粗糙壁面。

1.5风向角及工况设置

主体建筑俯视图呈风车状，根据几何特征，将其先划分为A，B，C、D四个部分，如图3所示。為体现建筑在不同方向来流下的荷载变化状况，在0～360°的区间内，每隔10°划分风向角，并提取模型表面的风压系数和建筑体型系数。0°风向角在计算坐标系中为+y方向，风向角绕z轴沿逆时针旋转。

风荷载风压系数是常用的用于衡量建筑结构所受风荷载的参数，定义为式（6）。

Cpi=pi－pH12ρV2H（6）

式中：VH为屋盖顶部高度处的平均风速；pH为该高度处参考静压；pi为给定点处的风压；ρ为空气密度。

体型系数是风压系数S在建筑表面区域内的加权平均值，由式（7）确定。

S=∑NiCPiAi∑NiAi（7）

式中：Ai表示编号为i的单元面积，N表示该分区面积上所包含的所有单元数。

2计算结果与分析

计算结果表明，对于A分区，迎风面最不利局部体型系数约为-2.7。对B分区，迎风面最不利体型系数约为-3.29。对C分区，迎风面最不利局部体型系数约为-2.32。结构中部的迎风侧以正压为主，其局部体型系数超过+1.0；背风侧则以负压为主，其体型系数普遍在-0.2～-1.1之间，特殊风向角下存在小于-1.7的情况。

为了全面了解屋盖表面总体风压分布特点，给出了几个典型风向角下屋盖的风压系数分布图，以0°、70°、100°风向角为例。

在0°风向角下，风压系数分布如图4所示。屋盖整体呈现负压状态，负压主要出现在屋盖边缘分离处、背风面屋盖处以及处于湍流漩涡下处的屋盖区域，最不利位置出现在屋盖迎风边缘处，但需要注意的是，由于主体结构几何较为复杂，因此负压区的分布较为复杂，需要根据不同风向角具体位置具体分析。正压则主要出现在迎面屋盖位置。

在70°风向角下，风压系数分布如图5所示。屋盖背风面整体为负压；A区迎风面中部和靠近A、B区分界线位置以正压为主，边缘位置出现负压；B区屋盖整体呈现负压状态，迎风面处由于几何较为复杂，B区屋盖边缘和A、B区分界棱边处分离现象很强，负压较大，最不利位置出现在屋盖迎风边缘处。

在100°风向角下，风压系数分布图如图6所示。屋盖整体呈现负压状态；A、B区迎风面边缘分离现象较强，呈现出较大的负压；屋盖D区几何形状较为复杂，在来流作用下形成空腔，因此，D区背风面呈现了较大的负压，最不利位置出现在屋盖迎风边缘处。

在350°风向角下，风压系数分布如图7所示。屋盖整体呈现负压状态，A、C区迎风面边缘呈现出较大的负压，背风面整体呈现负压，最不利位置出现在A、C区边缘。

3结论

展览中心整体结构设计取值可参考屋面局部风压系数的极值分布，在各风向角下，综合屋盖表面风压系数，各个屋盖以风吸力作用为主，个别屋盖在特殊风向角下存在较大的负压作用，尤其在风向角为0°，70°～100°和350°工况下，体型系数取值较大，在进行结构设计时应当注意。同时，屋盖部分迎风面的气流在屋盖翘曲的边缘处出现了较强的分离现象，风压梯度较大，需注意强分离点的负压取值。

参考文献

［1］沈世钊.大跨空间结构的发展——回顾与展望［J］.土木工程学报，1998（3）：5-14.

［2］陈肖笑.马鞍形索网屋盖的风荷载特性分析［J］.四川建筑，2019，39（2）：235-237+242.

［3］王世方. 复杂空间网架结构数值风洞分析研究［D］. 北京：北京建筑大学，2022.

［4］李银龙. 大跨屋盖结构风荷载数值模拟与风洞试验研究［D］.西安：长安大学，2020.

［5］DAVENPORT A F. The relationship of wind structure to wind loading［C］//Proc. Conf. on Wind Effects on Buildings & Structures， HMSO. 1965， 54

［6］中國建筑科学研究院主编. 中华人民共和国国家标准， 建筑结构荷载规范： GB 50009－2019［S］. 2019 版. 北京：中国建筑工业出版社，2019.

［作者简介］谢济阳（1996—），男，硕士，研究方向为结构工程。