基于數(shù)值風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型與風(fēng)荷載計(jì)算

潘鈞俊

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

基于數(shù)值風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型與風(fēng)荷載計(jì)算

潘鈞俊

(上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

數(shù)值風(fēng)洞模擬相對(duì)于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)具有計(jì)算周期短、實(shí)施成本低的特點(diǎn)，并且對(duì)結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載的模擬具有較高的精度、計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更完備。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)的以上優(yōu)點(diǎn)使其非常適用于建筑結(jié)構(gòu)前期的氣動(dòng)選型與優(yōu)化。本文以撫順生命之環(huán)為例，展示了數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)在結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型方面的特點(diǎn)，并給出了最終方案的風(fēng)荷載結(jié)果。

數(shù)值風(fēng)洞;氣動(dòng)選型;風(fēng)荷載;抗風(fēng)設(shè)計(jì)

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流模型的發(fā)展，數(shù)值風(fēng)洞模擬已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究中［1-5］，并成為除了風(fēng)洞試驗(yàn)這一傳統(tǒng)手段之外的另一種可靠的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析手段。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，在定常計(jì)算方面，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、效率高等方面優(yōu)點(diǎn);并且數(shù)值模擬不受模型尺度的影響，可進(jìn)行全尺度模擬，在一定程度上可以克服試驗(yàn)中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難;并且可以方便地變化各種參數(shù)，以研究不同參數(shù)的影響。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速提高，這一方法將越來越顯示其優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究極具前景的途徑。

而建筑結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)選型，通常需要進(jìn)行多種體型的分析對(duì)比，應(yīng)用傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，需要頻繁的更改試驗(yàn)?zāi)Ｐ停浜馁M(fèi)極大，并且試驗(yàn)周期無法保證。綜合數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)的上述特點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型研究方面，其具有獨(dú)特、突出的優(yōu)點(diǎn)。

本文結(jié)合數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)對(duì)撫順經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的生命之環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以及氣動(dòng)參數(shù)對(duì)比，給出方案的對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)最終結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬，給出最終方案的計(jì)算結(jié)果。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目選址位于遼寧省沈陽市與撫順市之間的沈撫新城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。本項(xiàng)目由上部空間鋼結(jié)構(gòu)圓環(huán)及下部鋼筋混凝土基座構(gòu)成(如圖1所示)，結(jié)構(gòu)坐落于人工湖面上的觀光景觀建筑。本工程為變截面的鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架，管桁架底部與鋼筋混凝土底座為鉸接連接(如圖2所示)。

生命環(huán)項(xiàng)目以四種截面形式作為備選方案，分別為三角形截面、扭轉(zhuǎn)三角型截面、四邊形截面以及扭轉(zhuǎn)四邊形截面。擬通過數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)對(duì)四種截面的風(fēng)荷載特性進(jìn)行對(duì)比分析，獲取最佳方案，并為最終的設(shè)計(jì)方案參考。具體截面形式如圖3所示。

3 數(shù)值風(fēng)洞模型

數(shù)值風(fēng)洞模型應(yīng)合理地對(duì)大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，并考慮周邊建筑物及周邊大面積人工湖的影響，模型應(yīng)包括附近半徑為500m范圍的其它建筑物。生命之環(huán)周邊建筑分布情況如圖4所示。

圖4 生命之環(huán)周邊建筑分布圖

本項(xiàng)目數(shù)值風(fēng)洞長(zhǎng)6 000m，寬300m，高400m。數(shù)值風(fēng)洞網(wǎng)格模型如圖所示，圖中對(duì)設(shè)計(jì)關(guān)注的生命環(huán)以及生命環(huán)周邊湖面、地面進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。

本文選擇Realizablek－ε模型進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，Realizablek－ε模型模擬精度好，特別是對(duì)尖銳棱角的頂部復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域，湍動(dòng)能的模擬與試驗(yàn)更接近［5］。RSM雷諾應(yīng)力模型放棄了渦粘性系數(shù)假設(shè)，直接采用微分形式的輸運(yùn)方程計(jì)算雷諾應(yīng)力，計(jì)算量大，也使收斂較困難，而Realizablek－ε模型計(jì)算量則相對(duì)小很多，收斂性和計(jì)算精度也較好。

數(shù)值風(fēng)洞的入口、出口、側(cè)面和地面，各自的邊界條件如下:

1、入口

入口定義來流的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。根據(jù)本工程周邊條件，選為B類地面粗糙度類別，按100年重現(xiàn)期，取基本風(fēng)壓取0.6 kN/m2。按我國(guó)荷載規(guī)范［6］，平均風(fēng)速剖面為:10 m以下，平均風(fēng)速為31.30 m/s;10 ～350 m，平均風(fēng)速為 31.30 × (z/10)0.16m/s;我國(guó)規(guī)范對(duì)湍流強(qiáng)度無規(guī)定，本工程參考國(guó)外有關(guān)規(guī)定，5 m以下湍流強(qiáng)度為0.23;5～350 m湍流強(qiáng)度為 0.1 × (z/350)－0.20。

2、出口采用壓力出口pressure-out。

3、頂面和側(cè)面采用對(duì)稱邊界條件symmetry。

4、地面和建筑物壁面采用無滑移壁面wall。

數(shù)值風(fēng)洞模擬的風(fēng)向角如下所示。在四種截面對(duì)比時(shí)，分別考慮 0°、90°、180°以及 270°等 4 個(gè)風(fēng)向角。

圖6 風(fēng)向定義示意圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 四種截面對(duì)比分析

通過數(shù)值計(jì)算，獲得了生命之環(huán)的四種截面在4個(gè)風(fēng)向角下的合力(矩)，見表1－4。

從計(jì)算結(jié)果比較可以得到，在不同風(fēng)向角下不扭轉(zhuǎn)四邊形截面的X向、Y向絕對(duì)值最大合力、合力矩分別為 2.98e6N、4.44e6N、3.47e8 N.m、1.98e8N.m，除Y向合力矩比不扭轉(zhuǎn)三角形截面大0.5%外，其它值均為四類截面生命環(huán)中受力最小。因此，從平均受力角度看，不扭轉(zhuǎn)四邊形截面生命環(huán)的氣動(dòng)外形受力最優(yōu)。

表1 不扭轉(zhuǎn)三角形截面平均風(fēng)荷載合力(矩)

表2 扭轉(zhuǎn)三角形截面平均風(fēng)荷載合力(矩)

表3 不扭轉(zhuǎn)四邊形截面平均風(fēng)荷載合力(矩)

表4 扭轉(zhuǎn)四邊形截面平均風(fēng)荷載合力(矩)

分析以上結(jié)果可以得到，以氣動(dòng)最優(yōu)的不扭轉(zhuǎn)四邊形截面生命環(huán)作為對(duì)比，不扭轉(zhuǎn)三角形截面順風(fēng)向風(fēng)荷載合力與不扭轉(zhuǎn)四邊形截面的風(fēng)荷載合力在 0°、180°風(fēng)向角時(shí)約為 1，在 90°、270°風(fēng)向角時(shí)分別為1.1與1.06;而扭轉(zhuǎn)三角形截面以及扭轉(zhuǎn)四邊形截面與不扭轉(zhuǎn)四邊形截面的計(jì)算結(jié)果比值分別為 1.09、1.04、1.18、1.33 與 1.04、1.06、1.25、1.37。因此，就氣動(dòng)特性來說，不扭轉(zhuǎn)三角形截面僅次于不扭轉(zhuǎn)四邊形截面。就合力矩對(duì)比結(jié)果，仍然是不扭轉(zhuǎn)四邊形截面，不扭轉(zhuǎn)三角形截面次之。

根據(jù)以上四種對(duì)比結(jié)果，總體而言，不扭轉(zhuǎn)四邊形截面最優(yōu)，不扭轉(zhuǎn)三角形截面與其差異較小。建筑師根據(jù)本次數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算結(jié)果，并綜合其他考慮，選擇不扭轉(zhuǎn)三角形截面作為撫順生命之環(huán)的最終截面形式。并對(duì)其進(jìn)行了尺寸修改，增大了生命環(huán)內(nèi)徑，生命環(huán)截面尺寸相應(yīng)減小，生命環(huán)迎風(fēng)面積減小約5%。減小結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積，可有效降低結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載合力。

4.2 最終方案的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)最終截面方案，通過數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算，給出了0°～360°間間隔45°的8個(gè)風(fēng)向角下的生命環(huán)風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果。以下表5給出了生命環(huán)在平均風(fēng)荷載作用下的基底風(fēng)荷載合力(矩)。

從計(jì)算結(jié)果比較可以得到:

生命環(huán)X向基底剪力Fx及其基底彎矩My在0°風(fēng)向角時(shí)最大，分別為 2.79E6N、1.71E8N.m，略高于180°風(fēng)向角時(shí)的計(jì)算值。

生命環(huán)Y向基底剪力Fy及其基底彎矩Mx在90°風(fēng)向角時(shí)最大，分別為4.28E6N、3.49E8N.m，剪力與彎矩分別時(shí)270°風(fēng)向角時(shí)的2倍與1.4倍，生命環(huán)北側(cè)建筑物的干擾與遮擋效應(yīng)明顯，其影響不容忽略。

生命環(huán)的Z向最大向下風(fēng)荷載合力為270°風(fēng)向角時(shí)的1.13E6N、最大向上風(fēng)荷載合力為180°風(fēng)向角時(shí)的1.49E5N。

生命環(huán)水平扭矩在 45°風(fēng)向角時(shí)最大，為8.92E7N.m。

最終方案在順風(fēng)向風(fēng)荷載合力與不扭轉(zhuǎn)四邊形截面的風(fēng)荷載合力在0°、180°風(fēng)向角時(shí)分別為0.94與 0.9，在 90°、270°風(fēng)向角時(shí)分別為0.96與0.95，有效地降低了結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性。

表5 生命環(huán)基底風(fēng)荷載合力(矩)

表6 生命環(huán)左右柱底風(fēng)荷載合力

表7 生命環(huán)分塊體型系數(shù)極值

圖7 生命環(huán)分塊體型系數(shù)

數(shù)值風(fēng)洞風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算，得到了生命環(huán)環(huán)底左右兩側(cè)柱腳的風(fēng)荷載合力。生命環(huán)方向約定以90°風(fēng)向角為正視方向，并以此定義生命環(huán)左右側(cè)以及前后側(cè)。

表6給出了生命環(huán)左右柱底風(fēng)荷載的合力。

生命環(huán)的平均風(fēng)荷載以結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)的形式給出，共468個(gè)分塊。

表7給出了生命環(huán)最大分塊體型系數(shù)與最小分塊體型系數(shù)。圖7給出了90°、270°2個(gè)方向角下生命環(huán)分塊體型系數(shù)圖。由以下結(jié)果可見，結(jié)構(gòu)表面負(fù)壓為主，為風(fēng)吸力作用。

5 結(jié)論

應(yīng)用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，對(duì)撫順生命之環(huán)四種備選截面形式進(jìn)行了對(duì)比分析，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)各截面進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比分析。并對(duì)最終設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了分析。分析考慮了生命之環(huán)周邊建筑以及湖面對(duì)計(jì)算的影響。得到以下結(jié)論:

1)數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型與優(yōu)化分析。本次數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算結(jié)果有效的支持了撫順生命之環(huán)的選型與最終定型。

2)生命之環(huán)的四種備選截面中，不扭轉(zhuǎn)四邊形截面氣動(dòng)特性最優(yōu)，不扭轉(zhuǎn)三角形次之。

3)最終改進(jìn)后的不扭轉(zhuǎn)三角形截面方案，通過減小有效迎風(fēng)面積，其氣動(dòng)得到了改善，并優(yōu)于原方案中的不扭轉(zhuǎn)四邊形截面方案。

數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)在結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載計(jì)算方面的高精度以及其高效的計(jì)算效率可以很好的勝任結(jié)構(gòu)氣動(dòng)優(yōu)化分析。本次撫順生命之環(huán)氣動(dòng)選型的實(shí)踐對(duì)其他建筑結(jié)構(gòu)氣動(dòng)選型具有一定的參考價(jià)值。

［1］鄭德乾，顧明，周晅毅等，世博軸膜面平均風(fēng)壓的數(shù)值模擬研究［J］，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(5):212 －219.

［2］楊偉，顧明高層建筑三維定常風(fēng)場(chǎng)值模擬 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) 2003，6:649-651.

［3］ Meroney R N.Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth，rough and dual domes immersed in a boundary layer［J］.Wind and Structures，2002，5(224):347-358.

［4］陸鋒，樓文娟，孫炳楠.大跨度平屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，12:87-94.

［5］楊偉，顧明.高層建筑三維定常風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(6):647-651.

［6］GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］(GB50009—2001).

Numerical Simulation Researches on the Wind Loads and Optimization of Building Structures

Pan Junjun

(Shanghai Xiandai Architectural Design(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

Compare with the wind tunnel experiment，the virtual wind-tunnel simulation has many advantages，such as no experiment model，less design time and less implementation cost.In addition，the virtual wind-tunnel simulation has high accuracy in building's mean wind load and more detail than wind tunnel experiment.The advantages above make wind tunnel technology ideal for pre-selection and optimization of building structure.Taking the life ring of fushun as an example，this paper introduces the advantages of wind tunnel technology in structures'aerodynamic shape and shows results of wind load.

Numerical Wind Tunnel;Aerodynamic Design Optimization;Wind Load;Wind Resistant Design

TU312.1

A

1674－7461(2011)01－0067－06

潘鈞俊(1977－)，男，工學(xué)博士，工程師。主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。E-mail:junjun_pan@xd-ad.com.cn