土木工程结构风载荷数值模拟研究

摘 要：为了探究风载荷对土木工程结构的影响，本文以国内某超高层建筑为分析对象，分别运用风洞试验和流体数值模拟方法获取风压、建筑基础平均剪切力、建筑基础平均弯矩作用力，将两种模拟方案的结果作为对照，利用相关数据判断风压在建筑结构表面的分布特征，同时判断建筑物基底的剪切载荷、弯矩载荷在不同风向角下的变化趋势。结果显示，迎风面基本是正压区，侧面和背面大多为负压区。当风向角为40°～80°时，X轴方向的平均剪切力和平均弯矩都较小，Y方向的平均弯矩较小，平均剪切力略大。这些试验结果能够为建筑结构优化设计提供思路。风载荷作用在建筑物表面，增加了剪切作用力和弯矩，是建筑土木工程结构设计阶段必须考虑的因素。这类载荷具有较大的灵活性和随机性，并且与建筑结构形式、风向角、风速等密切相关，在工程实践中主要采用数值模拟的方法对其进行分析，研究相关的模拟方法具有重要的应用价值。

关键词：土木工程结构；风载荷；数值模拟

中图分类号：TU 312 " " " 文献标志码：A

1 土木工程结构概况

某建筑群落涵盖商业办公、酒店、住宅等功能分区，整体可分为商业地块和住宅地块，占地面积分别为12万㎡和17.8万㎡。其中包括一座超高层建筑，楼层共计116层，总高度达到了594m。在建筑土木工程结构设计中，必须考虑风载荷对结构稳定性、承载力和安全性的影响，相关的技术规范为《建筑结构载荷规范》（GB 50009—2012）。因此采用风洞试验和数值模拟方法对该建筑的土木工程结构进行风载荷数值模拟。

2 风洞试验及数值模拟方案

2.1 风洞试验方案

2.1.1 风洞试验装置

在风载荷的数值模拟中，根据国内某高等院校的风洞实验室，利用风洞装置建立仿真模型。该风洞属于低速风洞，能够满足自然环境下的风速要求，整体结构为全钢制造，由两个串联的试验段组成。主试验段的设计规格为20m×3m×2m（长×宽×高），试验风速最高可达到50m/s，支持风速持续调节功能，在试验空间形成了良好的流场。

2.1.2 测压系统

在试验过程中，需要实时测量风压，以便计算风载荷的数值，该实验室采用电子扫描阀测压系统。在风洞试验中使用电子压力扫描阀，该设备具有64个通道，每通道标准采样频率为850Hz，其中有16个通道的最大采样频率达到了2500Hz，系统采样精度为±0.15%FS。在风洞试验中需要测量结构物表面的压力分布，测压孔的数量可达到数千个，电子压力扫描阀能够适用该场景。

2.1.3 建筑物土木工程结构模型

为了保证模拟效果，在风洞场内建造了高层建筑的实体模型，该模型与建筑物的比例尺为1∶600，因此模型高度为594/600=0.99m。建筑模型的制造材料为有机玻璃，形成了刚性结构。另外，在高层建筑周围还存在其他建筑物，其对建筑物下部的风载荷也具有一定的影响，建造实物模型时按照相同的比例，同步建造了周边建筑物的模型。在场地中设计有一个圆形的转盘，可用于调整模型的方向，模拟不同的风向。以高层建筑物为中心，在360°的环形范围内，若每10°取一个风向角，则风向角的总数量达到36个。将地貌粗糙度系数记为α，根据现场的实测结果，α为0.16。

2.2 数值模型及边界条件设计

2.2.1 仿真建模及网格设计

2.2.1.1 建模方法

将数值模拟作为风洞试验的对照组，建筑物的整体结构较为规则，对建模要求相对较低，建模使用的软件为ICEM（一种专业的流体动力学仿真软件）。当建立模型时，基础部分对气流的影响最突出，因此优先保证还原建筑基础，其他影响较小的部位可进行适当简化。以超高层建筑为中心，建立涵盖X、Y、Z方向的流域，3个方向模拟的空间范围分别是7km、1.5km、1.2km。为了便于对比，数值模型和风洞试验的坐标系应保持一致。

2.2.1.2 网格设置

设置网格是建模的关键步骤，设计重点包括网格的数量、网格形式以及网格在局部位置的加密。建模时采用四面体网格，其优点是较为灵活，便于进行局部调节，正常的网格尺度为0.5m，在土木结构的边角位置，存在较为复杂的结构，此时可适当缩小网格尺度（例如缩小至0.2m）[1]。网格数量不宜过多，否则会造成计算开销过大，该模型将网格总数控制在190万个。

2.2.2 基本理论

2.2.2.1 平均风剖面

在梯度风模型中，当气流高度低于梯度风时，地面上的建筑物对气流运动具有较大的影响，可产生明显的摩擦力，在这种情况下，随着气流高度的降低，其受到的摩擦力持续变大，风速也因此下降。用风速剖面描述平均风速随高度的变化情况，平均风剖面的数学模型如公式（1）所示。

U（z）=Us（Z/Zs）α " （1）

式中：z为任意一点的高度数值；U（z）为该点的平均风速；将参考高度记为Zs；当离地高度为Zs时，相应的风速记为Us；α为地面粗糙度系数[2]。α的取值在风速计算中非常关键，在技术规范中，其取值方法见表1。

2.2.2.2 湍流度剖面

当气流受到土木工程结构的阻碍时，会产生湍流现象，将湍流度记为符号I，其计算结果与高度z密切相关，计算方法如公式（2）所示。

I（z）=σ（z）/Uavg（z） （2）

式中：I（z）为高度z处对应的湍流度；σ（z）为同一高度处的脉动风速标准差；Uavg（z）为高度z处的平均风速。根据现有的研究成果，随着高度的增加，湍流度呈下降趋势，将顺风向的湍流度记为Iu（z）。在国内载荷规范中，Iu（z）=0.1136×351.8（α-0.16）×（z/10）-α。

2.2.2.3 质量守恒方程

在风洞试验和数值模拟中，当流体从控制面A1到达控制面A2时，气流应满足质量守恒方程。按照这一原理，将A1到A2所形成的空间称为控制体，流入该控制体的气流减去流出控制体的气流就等于控制体内部的气流增量，由此可推导流体流动连续方程的积分形式，其数学表达式如公式（3）所示。

（3）

式中：V为控制体的体积；A为控制面的面积；ρ为风流的气体密度；v为风流的速度；n为风流流过的单位长度的数量。

2.2.3 设置边界条件

在数值模拟中，利用公式（1）所示的指数函数建立平均风剖面模型，湍流度剖面模型采用公式（4）。

（4）

在风流的入口位置，需要设置一系列边界条件，包括湍流耗散率、湍动能等，其中湍流耗散率ε的计算方法如公式（5）所示。

ε=0.090.75·k1.5/l （5）

式中：l为湍流尺度；k和ε分别满足k-ε湍流模型中的k方程、ε方程，可通过CFX软件中的CEL函数确定k和ε的取值[3]。给定湍动能参数k的计算方法如公式（6）所示。

（6）

式中：u为湍流的平均速度。

3 风载荷数值模拟结果分析

3.1 表面风压模拟结果分析

3.1.1 表面风压系数

建筑物表面的风压分布具有一定的规律性，可通过风压系数来表征风压的分布特点，将表面风压系数记为Cpi，该参数的计算方法如公式（7）所示。

（7）

式中：Pi为将建筑物表面i处的压力；P为参考点处的静压力；Uref为将参考高度处的风速；ρ为将空气的密度。根据高层建筑所在地区的气象资料，基本风压为0.5kN/㎡，建筑物顶部的风速可达到49.96m/s。空气密度ρ的计算取值为1.25kg/m³。

建筑物表面的风压系数存在正负之分，如果该参数的计算结果大于0，就表明风压为正，此时风载荷向建筑物产生压力；如果该参数的计算结果小于0，就表明风压为负，此时风载荷向建筑物产生吸力[4]。

3.1.2 风压分布的数值模拟结果

风洞试验过程存在36个风向角，以0°风向角为例，当超高层建筑受到风力载荷时，具有迎风面和背风面之分，按照结构物从上到下的顺序，迎风面的风压分别为0.996kPa、0.764kPa、0.523kPa、0.300kPa、0.068kPa、-0.164kPa、-0.394kPa、-0.624kPa、-0.861kPa、-1.093kPa、-1.325kPa、-1.558kPa、-1.790kPa、-2.022kPa、-2.254kPa、-2.248kPa、-2.719kPa、-2.951kPa、-3.183kPa、-3.415kPa。从迎风面、侧面以及背风面的模拟结果来看，可得出以下几个结论。1）迎风面风压分布特点：在迎风面的中上部，风压从0.996kPa逐步降至0.068kPa，全部为压力，在200m至地面的区段，风压全部转为负压，吸力从中上部（200m高度处）到地面逐渐变大，当靠近地面时达到峰值。2）侧面风压分布特点：在超高层建筑的侧面，风压基本为负压。由于风流受到迎风面的阻挡，因此流向发生了变化，在建筑物侧面靠近迎风面的位置形成了明显的负压区，风压最高可达到-3.5kPa，呈现明显的梯度变化，在靠近背风面的位置趋于稳定。3）背风面风压分布特点：在超高层建筑的背风面，风压全部为负，按照从基础到建筑顶部的空间顺序，风压呈增长趋势，在靠近建筑上端的位置达到最大值，此处的风压为-1.2kPa。

3.1.3 数值模拟结果与风洞试验结果对比

3.1.3.1 测点布置方案

该建筑总高度为594m，在其265m处设置36个风压测点，如图1所示。其中A→B均匀布置测点27～19，B→C均匀布置测点18～9，C→D均匀布置测点8～1，D→A均匀布置测点36～28。

3.1.3.2 风压分布结果对比

分别利用风洞试验和数值模拟获取图1中各测点的风压分布，结果见表2。对比风洞试验的风压数据和数值模拟的风压数据，从中可知，测点1、2、3、20、24、25、26、34、36存在较为明显的差异，而其他测点的风压数据则高度接近。整体来说，风洞试验和数值模拟在迎风面、背风面的风压分布基本一致，验证了两种试验方案的有效性。

3.2 建筑基地风载荷分析

3.2.1 风载荷作用下建筑基底平均剪切力模拟结果

该建筑物具有对称性，因此当分析载荷数据时只须考虑对称结构的一半。在具体分析过程中，将基底在载荷作用下的剪切力和弯矩作为重点。表3是风向角从0°～90°时，建筑基地在风洞试验和数值模拟中的平均剪切作用。从数据可知，数值模拟结果的变化趋势与风洞试验结果的变化趋势基本相同。在平均弯矩方面，两种技术方案获取的数据也表现出较高的一致性[5]。另外，当风向角在0°～90°变化时，基底平均剪切作用力为50°～60°时达到峰值。

3.2.2 风载荷作用下建筑基底平均弯矩模拟结果

在风载荷作用下，检测建筑物基底沿着X方向和Y方向的平均弯矩，具体数据见表4。对比数值模拟的结果和风洞试验的结果，当风向角在10°～90°发生变化时，对应平均弯矩呈现相同的变化趋势，并且在同一风向角的情况下，两种方法获取的平均弯矩数值差异较小，尤其是风向角变大后，数据差异快速变小。另外，在X方向，建筑基底的平均弯矩先减少后增加。在Y方向，建筑基底的平均弯矩先增加再减少，之后再次增加。

3.3 建筑土木结构风压分布形成机理分析

风压的分布特点与建筑物的土木工程结构存在密切的联系，当风流受到建筑物的阻滞作用时，可在其表面形成正压区和负压区，风流绕过建筑物后，有可能在其侧面及后方形成涡流，土木工程结构的几何特征在以上过程中发挥重要作用。在高层建筑中选取一个截面（高度为530m），利用数值模拟软件模拟风流的流场。当风向角为0°时，风向与建筑物正面垂直，建筑物正面对风流形成阻滞作用，因此在建筑物的正面形成了正压力。随后风流沿着两侧分离，在棱角处脱离建筑表面，因此在建筑物侧面形成负压区，与此同时，建筑物背面缺乏风流补充，同样为负压区，风压分布的形成机理如图2所示。按照这种方法，可分析其他风向角下的风压分布形成机理。

4 结语

为了评价风载荷对某超高层建筑的影响，研究人员根据专业的风洞实验室，按照1∶600的比例尺建立了建筑物的实物模型，对其进行风载荷试验，同时利用流体力学软件进行数值模拟，使二者互为对照组。风压分布数据显示，两种风载荷分析方法的结果基本一致，建筑物的背风面均为负压，迎风面中上部为正压，并且随着高度下降而变小，随后转化为负压，建筑结构的侧面大多为负压。在建筑基础平均剪切力和平均弯矩分析中，以0°～90°风向角为例，风洞试验的数据和数值模拟的数据变化趋势一致。

参考文献

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