山體環(huán)境對建筑屋面風(fēng)壓影響的數(shù)值模擬

高志飛,彭興黔,崔利民,珠海

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州 362021)

山體環(huán)境對建筑屋面風(fēng)壓影響的數(shù)值模擬

高志飛,彭興黔,崔利民,珠海

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州 362021)

基于計(jì)算流體動力學(xué)軟件ANSYSCFX,采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω湍流物理模型和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對山體環(huán)境下低矮民房中較為典型的二層雙坡屋面房屋進(jìn)行數(shù)值模擬.在山體環(huán)境影響下,分析房屋表面風(fēng)壓隨山體高度變化、不同坐落位置和各風(fēng)向角下的分布規(guī)律.結(jié)果表明,山體對房屋的影響,屋面的體型系數(shù)與平坦地區(qū)差異較明顯,且與山體高度、山坡度和建筑的坐落位置有關(guān).山體高度的變化對屋蓋結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的影響較小,而房屋的坐落位置影響最為明顯.

山體;低矮民房;風(fēng)壓;數(shù)值模擬;體形系數(shù)

氣流經(jīng)過山地丘陵地區(qū)時,復(fù)雜的地形、地貌將顯著改變近地流動風(fēng)速、風(fēng)壓和湍流結(jié)構(gòu),使得這些地區(qū)的風(fēng)流場呈現(xiàn)與平坦地區(qū)較明顯的差異[1].即風(fēng)速和風(fēng)壓的分布很不規(guī)則,且由于山體的相互影響,山上建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布更為復(fù)雜.對于山區(qū)建筑,GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》在考慮地形影響的風(fēng)壓增大系數(shù)時,采用山體或山坡模型相關(guān)公式并用線性插值法對風(fēng)壓進(jìn)行修正;但是,對于山地建筑體形系數(shù)的相關(guān)規(guī)定,也僅有建筑坐落于山腳時,在一定范圍內(nèi)的體形系數(shù)的規(guī)定[2].然而,這些規(guī)定很不完善,當(dāng)氣流沿山坡運(yùn)動時,隨著建筑坐落于山上不同高度處,其體形系數(shù)也出現(xiàn)復(fù)雜多變.近年來,通過對多次臺風(fēng)災(zāi)害的調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn),山地丘陵地區(qū)建筑的受災(zāi)害程度與其所處的地理位置直接相關(guān).主要原因是,在一些特殊地形和風(fēng)向的情況下,會形成局部風(fēng)力增強(qiáng)的效應(yīng),進(jìn)而增大臺風(fēng)對低矮房屋的破壞力.本文采用數(shù)值模擬的方法,對山體工況下的建筑實(shí)體模型的表面風(fēng)荷載體型系數(shù)變化進(jìn)行分析.

1 計(jì)算域的設(shè)置及網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算域的設(shè)置

對于山體地形,數(shù)值風(fēng)洞模型復(fù)雜且體形比較大,阻塞率對其計(jì)算結(jié)果影響較大.因此,設(shè)置一個較大計(jì)算域,如圖1所示.圖1中:L1為計(jì)算域上游長度(0°風(fēng)向角下流域入口到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離);L2為計(jì)算域下游長度(0°風(fēng)向角下流域出口到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離);B為計(jì)算域?qū)挾?Hm為計(jì)算域高度.坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0)設(shè)置在山丘模型中心,L1取8L,L2取14L,B取28L,Hm取8L.其中:L為山的截面參數(shù)(m).所有數(shù)值風(fēng)洞設(shè)置均滿足阻塞度小于5%的要求[3].

1.2 網(wǎng)格的劃分

為適應(yīng)低矮建筑的體型要求,采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX模擬區(qū)域內(nèi)風(fēng)的流動特性,并通過對實(shí)體(地面或建筑物)表面加密網(wǎng)格的方法來得到較精密的網(wǎng)格,如圖2所示.由圖2可看出,模型附近的網(wǎng)格尺寸小,網(wǎng)格最小尺寸為2 m,分布密集;而遠(yuǎn)離模型的地方網(wǎng)格較大,最大尺寸為60 m,分布較疏.采用具有良好適應(yīng)性的四面體網(wǎng)格離散單元,每種工況產(chǎn)生220萬左右的四面體單元.

圖1 計(jì)算域構(gòu)成平面Fig.1 Plane of Computational domains

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division

為了最大程度地與實(shí)際情況相符,采用1∶1足尺寸模擬,將建房處的山局部削平,并在其上建房.山體位置Z由正弦曲線式控制[4],有

式(1)中:H為山體的高度;L為山的截面參數(shù).設(shè)置H/L參數(shù)為1/2,房屋分別坐落在0.1H～1.0H處,以Z=0.1H表示.

選取低矮民房中較為典型的二層雙坡屋面房屋作為房屋模型,其長度方向?yàn)?2 m,寬度方向?yàn)? m,檐口高為7 m,屋面坡度為30°.山模型、房屋與山的相對位置及房屋尺寸,如圖3,4所示.

圖3 山體上房屋相對位置Fig.3 Relative position of the house on the mountain

圖4 房屋幾何尺寸(單位:m)Fig.4 Size of the house(unit:m)

2 控制方程的選擇和邊界條件

2.1 控制方程的選擇

采用由湍流模型封閉控制方程進(jìn)行求解的時均模擬方法,其氣流流動控制方程[5]的通用形式為

式(2)中:各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng);ρ為空氣的質(zhì)量密度;u為速度矢量;φ為通用變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng).湍流模型采用目前被業(yè)界廣泛認(rèn)同的剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型(SSTk-ω模型)[6].

2.2 邊界條件的選擇

選用入口邊界條件,取=×(Z/Zb)α.當(dāng)?shù)孛娲植诙戎笖?shù)α為0.16時,=6.97 m·s-1, Zb=1 m.入口湍流剖面按湍動能k(Z)和耗散率ε(Z)的形式輸入的表達(dá)式[7]為

式(3)中:系數(shù)Cμ=0.09;γ=1.2;β=1;K=0.4;按文獻(xiàn)[8]的經(jīng)驗(yàn)式,湍流積分尺度Lu=100(Z/30)0.5;按文獻(xiàn)[9]的經(jīng)驗(yàn)式,湍流強(qiáng)度I(Z)=0.1×(Z/ZG)-α-0.05.底面采用非滑移壁面,其他側(cè)面采用自由滑移壁面,出口采用開放式的壓力出口.

為保持入口處的邊界條件,在內(nèi)部無擾動的空風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn).入口處的邊界條件對風(fēng)場模擬的影響很大[10],距入口一段距離后,未受擾動新位置的平均風(fēng)速和湍流剖面不一定與入口保持一致.在數(shù)值風(fēng)洞模擬的穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,對建筑物表面平均壓力起主要作用的是平均風(fēng)剖面,通過修改式(3)的參數(shù)γ和β來修正湍流風(fēng)剖面,重點(diǎn)保證平均風(fēng)剖面在流場中不變.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

風(fēng)荷載體型系數(shù)(μs)是,將各計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)Cp,i按該點(diǎn)所屬面積A i作加權(quán)平均后得到的,其計(jì)算式為

屋蓋是低矮房屋的薄弱部位.在不同山體高度下,以A,B兩屋蓋面為研究對象,分析其表面風(fēng)壓隨房屋坐落于山體不同位置各風(fēng)向角下的分布規(guī)律,其計(jì)算結(jié)果如圖5所示.

圖5 屋面體型系數(shù)隨坐落位置的變化曲線Fig.5 Curve of shape coefficient versus hours location

由圖5可見,當(dāng)H固定時,屋面A,B體型系數(shù)均隨坐落位置Z的升高而降低,在山頂處受負(fù)壓最大.在0°風(fēng)向角下,屋面A為迎風(fēng)面,屋面B為背風(fēng)面.屋面A,B體型系數(shù)隨Z升高而降低,由風(fēng)壓力漸變?yōu)轱L(fēng)吸力.

山體的高度隨坐落位置不同,其各風(fēng)向角下流場如圖6所示.圖6中:H=150 m;箭頭方向代表風(fēng)流向;箭頭大小代表風(fēng)速大小.

從圖6(a)可知,在Z″=0.1H～0.5H范圍內(nèi),由于山坡度較為平緩,且屋面A,B均受過山風(fēng)場影響,風(fēng)壓隨坐落高度變化不明顯,體型系數(shù)變化較為緩慢,體型系數(shù)相差不大且隨山體高度變化不大,幾條線幾乎重合.在靠近山腳處,由于受到山體的影響,氣流在屋面A上沒有附著,而屋面B由于受屋檐前方渦流的影響,屋面A,B均受正壓,屋面A體形系數(shù)大約為屋面B體形系數(shù)的2倍.

從圖6(b)可知,在Z=0.5H到Z=1.0H范圍內(nèi),隨著Z的升高,山坡度增加,風(fēng)速變大,體型系數(shù)變化較大,且隨山體高度H增加,幾條線分離.由于屋面A前方渦流逐漸減弱,氣流在屋面A處的屋檐處分離,屋面A,B由受正壓漸變?yōu)槭茇?fù)壓,且屋面B前方渦流逐漸減弱變化較明顯,屋面B受到的影響漸漸超過屋面A.

從圖6(c)可知,靠近山頂處,山坡度變化趨于平緩而風(fēng)速變化增加,山頂處風(fēng)速最大,氣流在屋面A的屋檐處分離更為明顯,屋面A前方渦流強(qiáng)度最弱,屋面A,B體型系數(shù)絕對值最大,大約為山腳處體型系數(shù)絕對值4～5倍.

從圖6(d)可知,在180°風(fēng)向角下,屋面A,B體型系數(shù)變化情況與0°風(fēng)向角下類似.此時,屋面A, B受到的不是過山風(fēng)場,風(fēng)速較小.所以,屋面A,B體型系數(shù)較0°下較小些,且主要受到風(fēng)壓隨高度變化的影響,其體型系數(shù)變化接近為直線.

從圖6(e)可知,在90°風(fēng)向角下,房屋建于山脊上,屋面A,B為側(cè)風(fēng)面,氣流在屋檐處分離.由于平均風(fēng)速剖面的影響,在接近房屋的另一端處再次附著,在屋面上形成漩渦,屋面A,B類似,均受負(fù)壓.由于其主要也是受風(fēng)壓隨高度變化的影響,其體型系數(shù)變化近為直線.

從圖6(f)可知,最大值出現(xiàn)在0.9H處而不是山頂.這是因?yàn)樵谏巾斕?由于受山體的影響,氣流僅僅在屋檐處分離,沒有出現(xiàn)再附著,顯現(xiàn)體型系數(shù)較0.9H處小些.最小體型系數(shù)絕對值大約為山腳處體型系數(shù)絕對值的2倍,變化趨勢較為明顯.

由圖6可見,在0°及180°風(fēng)向角下,屋面A,B體型系數(shù)在靠近山腳處隨山體高度H增加,體型系數(shù)絕對值均有所增加,但增加不大;而在靠近山頂處,隨著H的增加,體型系數(shù)絕對值增加較山腳明顯,屋面受的風(fēng)吸力增加.90°風(fēng)向角下的變化最明顯,是因?yàn)槲菝鍭,B為側(cè)風(fēng)面,主要受風(fēng)壓隨高度變化及山坡度的影響.

4 結(jié)論

以位于三維正弦山體地形下的二層雙坡屋面低矮房屋為研究對象,數(shù)值模擬屋蓋結(jié)構(gòu)體型系數(shù).研究結(jié)果表明,由于山體對房屋的影響,屋面的體型系數(shù)與平坦地區(qū)差異較明顯,且與山的高度,山坡度和建筑的坐落位置有關(guān)系.

山體高度的變化對屋蓋結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的影響較小,而房屋的坐落位置影響最為明顯.特別是在山頂處,房屋處于山頂負(fù)壓區(qū),且體型系數(shù)變化很大,對抗風(fēng)很不利,山體對低矮建筑風(fēng)荷載的影響不容忽視.研究成果能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)人員提供相關(guān)參考,具有很強(qiáng)的實(shí)用價值.

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(責(zé)任編輯:錢筠英文審校:方德平)

Numerical Simulation of W ind Pressure on the Building Roof in the Mountain Environment

GAO Zhi-fei,PENG Xing-qian, CU ILi-ming,ZHU Hai
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Based on computational fluid dynamics(CFD)software CFX,the shear stress transport(SST)k-ωturbulence physical model and unstructured grids,the numerical simulation is carried out for the typical low-rise two-story houses with double-sloping roof in the mountain environment.Under the influence of the mountain environment,the distribution of the roof pressure with different height of the hill,different houses locations and different w ind direction is analyzed.The results show that the roof shape coefficients are obviously different to the one in the flat region,and are relevant to the height of the hill,slope degree,houses locations.The hill height influences little the roof shape coefficients,and the location of house influences most significantly the coefficient.

mountain;low-rise houses;wind pressure;numerical simulation;shape coefficient

TU 312+.1

A

1000-5013(2011)02-0207-05

2010-03-08

彭興黔(1959-),男,教授,主要從事鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗火的研究.E-mail:pxq@hqu.edu.cn.

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2010Y0037);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009J01255);風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2009-01)