风荷载作用下滨海地区水闸结构受力特性研究

张建 阳佳林 杨杰

摘 要：以广东省珠海市金湾区滨海商务区机场东路东侧主渠水闸为例，针对水闸结构所受风荷载，对比研究中英美日设计规范的计算方法，分析各国方法的差异；基于计算流体动力学数值模拟，对不同风向、规范风压及极端台风天气下水闸结构所受风荷载的分布情况进行研究；采用结构有限元分析不同风荷载工况下，水闸结构的受力特性，为滨海地区水闸结构的抗风设计提供一定的借鉴意义。研究结果表明：中国规范考虑风振系数后的风荷载值与英美日3国规范基本相当；水闸风向系数为0.75～1.03，风荷载可根据水闸朝向与主导风向的夹角乘以一定的风向折减系数；水闸背风面风荷载体型系数大于常规建筑物，建议水闸结构按照风敏感建筑进行风荷载计算；台风极端天气作用下，水闸结构风荷载在考虑风振系数的基础上再乘以一定的放大系数，并适当增加水闸结构的刚度以满足正常使用要求；考虑外海潮位及风暴增水的叠加影响，水闸结构地基承载力建议乘以不小于1.15的安全系数。

关键词：风荷载；台风极端天气；水闸结构；计算流体动力学；受力特性

中图分类号：TV222 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）05-0132-11

Force Characteristics of Sluice Structure in Coastal Area Under Wind Load

ZHANG Jian1，2， YANG Jialin1，2， YANG Jie3，4

（1. Zhuhai Institute of Urban Planning & Design， Zhuhai 519000， China;2. Guangdong Coastal Area Disaster Prevention andMitigation Engineering Technology Research Center， Zhuhai 519000， China;3. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China;4. Nanjing R&D Tech Group Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： This paper takes the sluice of the main channel on the east side of East Airport Road， Jinwan Coastal Business District， Zhuhai City， Guangdong Province as an example. Given the wind load on the sluice structure， the paper compares the calculation methods of the design standards in China， the UK， the US， and Japan and analyzes the differences in calculation methods among the four countries. Based on the numerical simulation of computational fluid dynamics， it studies the distribution of wind load on sluice structure in different wind directions， standard wind pressure， and extreme weather such as typhoon. With the structural finite element method， the force characteristics of sluice structure are analyzed under different wind load conditions， which provide some reference for the wind resistance design of sluice structure in coastal areas. The research results show that the wind load value of the Chinese standard considering the wind vibration coefficient is basically the same as that of the UK， the US， and Japanese standards. The wind direction coefficient of the sluice is between 0.75 and 1.03， and the wind load can be multiplied by a certain wind reduction factor according to the angle between the sluice and the dominant wind direction. The shape factor of wind load on the leeward side of the sluice structure is larger than that of general buildings. It is suggested to define the sluice as wind-sensitive building for wind load calculation. Under extreme weather such as typhoons， the wind load of the sluice structure should be multiplied by a certain amplification coefficient considering the wind vibration coefficient， and the stiffness of the sluice structure should be appropriatelyincreased to satisfy the requirements of normal use. Considering the superimposed effect of offshore tide level and storm surge， it is recommended to multiply the bearing capacity of the sluice structure foundation by a safety factor of not less than 1.15.

Keywords： wind load; typhoon extreme weather; sluice structure; computational fluid dynamics; force characteristics

风荷载是建筑物设计中的重要可变荷载，尤其是东南沿海台风经常肆虐地区的建构筑物，风荷载往往具有控制作用，直接影响结构安全和工程投资。珠海是台风多遇滨海城市，2017年的“天鸽”台风、2018年的“山竹”台风、2020年的“海高斯”台风及2023年的“苏拉”台风都严重影响珠海，造成极大的社会、经济灾害［1］。水闸与常规建筑物有一定差异，下部为闸室，中部为闸板提升预留空间，上部为启闭机房，因此水闸结构属于中间大开孔的异形结构，准确计算水闸结构受到的风荷载，并研究水闸结构在不同风荷载工况下的受力特性，对滨海地区水闸结构设计的可靠性和城市防灾减灾都具有重要的工程价值与现实意义。

结构风工程研究方法主要包括现场实测、风洞实验、理论分析和数值模拟，实际工程应用中基本采用规范计算方法和数值模拟方法计算风荷载［2］。本文以广东省珠海市金湾区滨海商务区机场东路东侧主渠水闸为例，针对水闸结构所受风荷载，对比研究中英美日4国规范风荷载的计算方法，分析各种方法的差异和优劣；基于计算流体动力学的数值模拟，对不同风向、规范风压及极端台风天气下水闸结构所受风荷载进行研究；采用结构有限元分析方法，对不同风荷载工况下水闸结构的受力特性进行了研究。

1工程实例

珠海市金湾区滨海商务区机场东路东侧泵闸工程位于三灶镇白龙河尾滨水区主排洪渠末端出海口，防洪标准为50年一遇，排涝标准为30年一 遇，挡潮标准为100年一遇。主渠水闸具有双向挡水、泄水功能，共10孔，单孔净宽8 m，总净宽80 m，闸室总宽度为100 m，水闸闸室采用两孔一联整体式底板钢筋混凝土结构。水闸闸顶高程5.40 m，闸室底板顶高程为-2.00 m，闸室顺水流方向长22 m，闸室结构立面见图1。

2风荷载计算方法

结构体系在风作用下都会产生振动，将脉动风作为输入，按随机理论对结构直接进行动力响应分析是最准确的方法，但过于繁琐，只对特殊结构形式或对动态风激励敏感的建筑物才采用［3］。工程实际中通常采用规范计算方法计算风荷载，中国及国外主要规范均采用等效静力荷载法，见表1。根据中国、英国、美国及日本规范的计算方法，得到本工程水闸结构的风荷载，见表2。

各国规范对风的随机动力作用均采用等效静力风荷载，对基本风速的定义仅在时距的取值上存在着不同［8］：美国规范取3 s，中国及日本规范取10 min，英国规范取1 h，美国规范取值最大；中美日3国规范均采用风速沿高度指数律变化，按照梯度风速相等原则计算风压高度变化系数，但英国规范中的地形及建筑物系数则考虑了地形地貌和建筑物外形比例等因素影响，与其他3国规范差别较大；对于本工程，中美日3国规范的体型系数一致，迎风面为0.8，背风面为-0.5，英国规范迎风面体型系数为0.85，略大于其他规范；中美日3国规范均采用随机振动理论考虑风速脉动性，中国规范采用惯性力法，美国规范采用基于顶端位移的阵风因子法，日本规范采用基于基底弯矩的阵风因子法［9］，且各国对刚性结构的定义不同，按照中国规范，本工程水闸结构无需考虑风振系数，但按照美国及日本规范则需考虑。

从计算结果中可以看出，各国规范计算的风荷载值存在一定差别，英国规范计算值最大，英美日规范计算值均大于中国规范，为中国规范的1.38～1.72倍；如果本工程水闸考虑风敏感建筑物，风荷载计算时考虑风振系数的影响，则英美日3国规范的计算值为中国规范的0.85～1.05倍，基本相当。

3滨海地区水闸结构受力特性分析

3.1风工程数值模拟

计算流体力学是应用计算机近似模拟流体流动现象进而求得流体作用力的一种技术，本质是将流体的运动用微分方程描述出来，通过对计算区域的离散，进而求解得出流场性质的一种方法。风工程数值模拟是以湍流作用下的钝体绕流为研究对象，将建筑物作为大气流场中的障碍物，通过相应计算求得空气和建筑物相互作用的一门科学［10］。数值风洞可以模拟复杂结构体型及其周围的空气流动，计算出结构表面的风压分布、风荷载体型系数等，克服了风洞试验成本高、周期长的缺点，可以方便地调整参数，研究分析不同参数的影响［11-13］。

3.1.1数值理论的基本原理

大气边界层中气流的流动状态属于湍流，风体运动要受到物理守恒定律的约束［14］。目前，湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟两类。本文计算选用可以适应较高精度要求的剪切流动的 Realizable k -ε模型，壁面函数采用非平衡壁面函数，该模型控制方程如下［15］：

式中 k——湍动能；ε——湍流耗散率；ρ——流体密度；t——时间；μ——动力黏度系数；ui——湍流黏度；σε、σk、C1、C2——经验常数；Gk——由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；μ湍动黏度；v——运动黏度；E——单位质量的总能量。

3.1.2几何建模及网格划分

水闸模型尺寸为100.0 m×22.0 m×21.5 m，计算域取长方体区域，尺寸（长×宽×高）为500 m×300 m×150 m，见图2，计算阻塞率为2.9%（<3%），满足条件，以尽量消除计算域的设置对模型周围流动状态的影响，建筑模型置于整体流域沿流向的1/3位置处。采用结构化网格与非结构化网格混合的方式，将原模型进行网格划分，水闸周围采用非结构化网格加密，网格数为100万左右。

模型中各边界面的边界条件应当反映实际风场的流动特性，计算域的入口边界条件选用速度入口条件，入口风速按照指数规律及等风速布置，指数律风速变化［4］：

V （z ）= V10（ ）α                   （3）

式中 V10——10 m 处高度的风速；z ——高度；α——地貌粗糙度系数，水闸位于滨海区，取值为0.12。

对于湍流强度剖面的湍流动能、湍流动能比耗散率，采用以下公式［16］：

式中 I （z ）——湍流强度；Cμ——经验常数，取0.09；Lu——纵向平均湍流积分尺度。

流域的出口设置为压力出口边界，流域的顶部、两侧采用自由滑移对称边界条件，地面以及建筑物的表面采用无滑移的壁面条件。计算采用三维单精度，基于压力的分离式求解器，采用 SIMPLE 算法来处理速度和压力的耦合，各相关物理量迭代残差的收敛限值设为0.0001。

3.2风向影响

最大风及最大压力系数值可能来自任一方向，具有不确定性，风向系数是考虑这两种因素的发生概率对风荷载的修正系数。英国、美国和日本规范都计及风向修正系数，英国规范风向修正系数根据建筑物的不同角度取值范围为0.73～1.00；美国规范依据结构和场地类型对基本风压取风向修正系数取值范围为0.85～0.95；日本规范则依各地主导风向取0.85～1.00［17］。中国规范中并没有相应的风向修正系数。

根据珠海风向玫瑰图，珠海常年盛兴东北风及东南风，本工程泵闸朝向为北偏西30° ， 珠海主导最大风向与泵闸的角度为73°及142°。为探明风向对泵闸结构所受风荷载的影响，模拟不同角度来风下水闸结构所受的风荷载大小，来风角度取90°、75°、60°、45°及30° ， 不同工况下泵闸所受的风压见图3。根据计算结果，不同风向下水闸结构的风向系数见表3。

从图3及表3中可以发现，随着来风风向与水闸结构相交的角度的减少，正风压呈减少趋势，负风压呈增大趋势，在计算水闸结构迎风面或背风面围护结构时，其风荷载可适当考虑风向系数的影响；总风压风向系数位于0.75～1.03，与英标规范的风向系数基本相似，因此，在水闸结构平面布置确定的情况下，计算风荷载可以根据水闸结构朝向与当地常年主导风向的夹角乘以一定的风向折减系数。

3.3水闸结构风荷载分析

根据统计结果，中国年均7个台风登陆，台风登陆最频繁的广东省年均2.72次台风登陆，占比将近40%。根据实测台风资料（中国台风网 http：//tcdata. typhoon. org. cn），2023年9月，台风“苏拉”登陆珠海金湾区，台风中心点离本项目13 km，台风风速48 m/ s；2020年8月，台风“海高斯”登陆珠海金湾区，台风中心点离本项目8 km，中心最大风力35 m/s；2018年8月，台风“山竹”中心点离本项目55 km；2017年8月，台风“天鸽”在珠海沿海登陆，台风中心点离本项目15 km，实测最大风速51.9 m/s，同时叠加天文大潮影响，沿岸出现海水倒灌。可见，由于珠海地理位置及现在台风极端天气频发，研究不同强度台风登陆时水闸结构的风荷载特性及结构受力具有一定的实际意义，可以为沿海水闸的结构设计提供一定的借鉴及方向。

3.3.1规范风压

基本风压按50年一遇的基本风速计算，珠海设计风压为0.85 kPa，对应10 m 高度处的风速约为36.8 m/s。

规范风压风速作用下，水闸结构迎风面及背风面的风压分布见图4。迎风面风压随着高度变化，水闸高度越高，风压越大，最大值为1.04 kPa，背风面风压随高度变化较小，平均风压约为0.96 kPa。

3.3.2台风极端天气

本工程采用近期在珠海附近登陆的“苏拉”“天鸽”“山竹”及具有代表性的“威马逊”台风的实测风速资料，采用计算流体动力学数值模拟方法，分析不同台风极端天气作用下水闸结构的风荷载特性，不同工况下水闸结构风压分布见图5。

3.3.3计算结果分析

数值模拟结果与规范值计算结果对比见表4。规范风压作用下，迎风面风压数值模拟结果与规范计算值基本一致，但背风面风压荷载与规范值相差较大，可见，由于水闸中间预留较大闸门检修空间，水闸结构体型类似于中间大开孔的异型结构，风通过孔洞后在水闸背面形成较大风吸力，导致水闸结构风荷载体型系数与常规建筑物有一定差别，背风面体型系数较大；对于总体风压，数值模拟风压总荷载大于中国规范计算值，约为其1.2倍。如若水闸结构考虑风振系数，则其规范计算值为模拟风荷载值的1.37倍，具有一定的安全裕度。因 此，对于水闸类异型结构，建议定义为风敏感建筑物，风荷载值考虑风振系数的影响，保证一定的安全裕度，且其风荷载体型系数与常规结构有差别，在计算水闸背风面围护结构的风荷载时，采用规范规定的风荷载体型系数偏于不安全。

台风极端天气作用下，水闸结构所受的风荷载值大于规范设计值，为中国规范计算值的1.63～3.02倍，为考虑风振系数后国标计算值的1.00～1.84倍。因此，对于沿海水闸结构，为满足极端天气下水闸主体结构不破坏，应对风荷载取值在考虑风振系数的基础上再乘以一定的放大系数，以保证水闸结构安全。

3.4水闸结构受力分析

根据上述规范风压及台风极端天气下水闸结构所受风荷载，采用结构有限元分析计算不同工况下水闸结构的受力情况。不同风荷载作用下水闸结构的位移角（风）及柱底弯矩统计见表5，基础地基应力分布见图6。

根据表5计算结果，规范风荷载作用下位移角有较多富余度，但在极端台风工况下，随着台风风速的增大，结构的风位移角已不满足规范要求（1/550），因此，需要适当增加水闸结构的刚度以满足正常使用要求。

根据图6计算结果显示，由于风荷载引起的地基应力在水闸整体应力的占比不大，约为10%，因此，不同台风工况下，地基最大应力增大1.03～1.10倍，最小应力为原来的0.82～0.97倍，地基应力偏心作用增加5%左右，均满足原地基承载力要求。但实际极端天气工况下，外海水位远大于内河水位，如同时叠加天文大潮潮位及风暴增水影响，水闸外海侧会受到较大的水浪压力荷载，见图7。台风“山竹”期间，珠海市三灶附近最大增水值约3.12 m［18］，珠澳人工岛处200年一遇风暴增水值为3.17 m，50年一遇为2.31 m［19］。由于波浪力对水闸结构的作用力学机理比较复杂，因此本文仅考虑水位差压力的作用，选取台风“山竹”及“威马逊”工况，计算考虑内外水位差情况下水闸结构的地基应力分布，其应力结果见图8。

分析计算结果表示，在台风“山竹”及“威马逊”极端天气作用下，叠加考虑内外水位差压力作用影 响，地基最大应力在原先基础上再增大1.14～1.16 倍，最小应力约为原来的0.75～0.85，偏心作用进一 步加大，且最大应力已经大于原地基承载力的1.2 倍，不满足规范要求。因此，极端天气作用下，考虑 外海测潮位及风暴增水的叠加影响，需要适当增大 地基承载力的富裕度方能满足结构安全需求，建议乘以不小于1.15的安全系数。

4结论

以广东珠海金湾区滨海商务区机场东路东侧排洪泵闸工程为例，针对滨海水闸所受的风荷载，对比研究了风荷载计算方法，结合流体动力学及结构有限元进行不同风荷载工况下水闸结构的受力分析，得出以下结论。

a）中英美日4国规范中，英国规范风荷载值最大，且英美日规范值均大于中国规范，为中国规范的1.38～1.72倍，但如果将本工程水闸定义为风敏感建筑物，则英美日3国规范的计算值为中国规范的0.85～1.05倍，基本相当。

b）通过流体动力学数值模拟，水闸结构风向系数为0.75～1.03，可以根据水闸朝向与当地常年主导风向的夹角乘以一定的风向折减系数。

c）规范风压作用下，水闸结构迎风面风压与规范计算值基本一致，但背风面风压与规范值相差较大，在计算背风面围护结构的风荷载时，采用规范的风荷载体型系数偏于不安全；风压总荷载约为中国规范计算值的1.2倍，考虑风振系数的规范计算值为模拟风荷载值的1.37倍。因此，为保证一定的安全裕度，对于水闸类异型结构，建议定义为风敏感建筑物，风荷载考虑风振系数。

d）台风极端天气作用下，水闸结构所受的风荷载值约为考虑风振系数后国标计算值的1.00～1.84倍。因此，对于沿海水闸结构，为满足极端天气下水闸主体结构不破坏，风荷载取值应在考虑风振系数的基础上再乘以一定的放大系数。

e）根据水闸结构不同风荷载工况下的受力分析，极端天气作用下，应适当增加水闸结构的刚度以满足正常使用要求；考虑外海侧潮位及风暴增水的叠加影响，水闸结构的地基承载力建议乘以不小于1.15的安全系数。

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（责任编辑：向 飞）