超高層建筑群風(fēng)荷載干擾效應(yīng)數(shù)值模擬

倪 忠 孫 毅

(1.重慶賽迪施工圖審查咨詢有限公司，重慶 400013;2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，超高層建筑不斷在大城市中心出現(xiàn)，不但高度快速刷新，間距也不斷減小，許多省會(huì)、直轄市的金融中心地區(qū)都出現(xiàn)成片的超高層建筑群體。

我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范中，對(duì)于高層和超高層建筑風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)并無(wú)明確規(guī)定，只是建議復(fù)雜干擾效應(yīng)需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行確定，對(duì)于干擾效應(yīng)的具體規(guī)律和計(jì)算方法不可獲知。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，顧明、陳欽豪、黃鵬、樓文娟、謝壯寧、徐有恒、葉倩、陳穎釗等［1-8］學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行了一定程度上的探討，但尚未獲得較為清晰的結(jié)論。

為了考察典型超高層建筑的基本干擾影響因素和特征，本文采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，在商業(yè)軟件FLUENT中建立了若干典型干擾模型，通過各種干擾工況下典型參數(shù)變化的計(jì)算結(jié)果，獲得了一些基礎(chǔ)性的干擾風(fēng)荷載規(guī)律。

1 CFD模型

采用大型Computational Fluid Dynamics(CFD)商業(yè)軟件Fluent6.3進(jìn)行計(jì)算模擬。它是由著名的計(jì)算流體力學(xué)軟件公司Fluent生產(chǎn)，可以用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。Fluent已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于油/氣的生產(chǎn)、熱交換和通風(fēng)、渦輪機(jī)械、材料處理、電子/HVAC行業(yè)、火災(zāi)研究、汽車工業(yè)和航天航空以及建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

Gambit是Fluent公司提供的配套前處理軟件，可以用來(lái)生成研究或者工程問題所需的幾何結(jié)構(gòu)及其計(jì)算域網(wǎng)格，也可以在已知邊界網(wǎng)格條件下借助TGrid生成三角形、四面體或者混合型網(wǎng)格。

1.1 計(jì)算域

計(jì)算域是流體計(jì)算的區(qū)域，其大小決定了計(jì)算機(jī)時(shí)和計(jì)算精度。計(jì)算域過大，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量過多，有可能造成無(wú)法計(jì)算;計(jì)算域過小，會(huì)使所計(jì)算的建筑表面風(fēng)壓受計(jì)算域邊界影響較大，計(jì)算結(jié)果不具備足夠精度和可靠性。

對(duì)于高層建筑，通常的流域確定為:H為高層建筑高度，迎風(fēng)向邊界距離建筑5H，側(cè)風(fēng)向兩邊邊界距離建筑均為5H，背風(fēng)向邊界距離建筑10H，流域高度5H。按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置計(jì)算域，能保證普通流場(chǎng)中的普通高層建筑表面風(fēng)壓計(jì)算準(zhǔn)確。

1.2 邊界條件

來(lái)流邊界條件選用速度來(lái)流邊界條件(velocity-inlet):

大氣邊界層風(fēng)速剖面:

湍流度剖面:

湍流參數(shù):

其中，Cμ=0.09;l為湍流積分尺度，l=0.07L，L 為建筑物的特征尺寸。大氣邊界層風(fēng)速剖面V(z)、湍動(dòng)能k和湍流耗率ε采用Fluent提供的UDF(User-Defined Functions)編程與Fluent作接口實(shí)現(xiàn)。

流域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件(symmetry)，等價(jià)于自由滑移的壁面。

出流面采用壓力出流邊界條件(pressure-outlet)。

建筑表面和地面采用無(wú)滑移的壁面條件(wall)，采用非平衡壁面函數(shù)模擬近壁面流動(dòng)，且在地面引入粗糙壁面修正。

1.3 湍流模型

在本文求解中，選擇了Realizable k-ε模型，此種模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的一種修正，被認(rèn)為是解決邊界層流動(dòng)和帶有分離的流動(dòng)問題的有效模型。

1.4 模型網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格劃分整個(gè)流域。建筑物表面最小網(wǎng)格尺寸5 m，流域邊界最小網(wǎng)格尺寸50 m，整個(gè)流域自由劃分網(wǎng)格。每個(gè)模型單元總數(shù)為100多萬(wàn)個(gè)。

2 單個(gè)建筑干擾隨距離的變化

干擾建筑和受擾建筑截面均為邊長(zhǎng)50 m的正方形，高度均為300 m。干擾距離定義為建筑截面中心之間的距離，如圖1所示。

圖1 單個(gè)建筑干擾距離示意圖

分別考察以下工況:D=100 m，300 m，500 m，750 m，1 000 m，比較干擾距離對(duì)于受擾建筑表面風(fēng)壓的影響。由于受擾建筑受影響主要體現(xiàn)在迎風(fēng)面，因此本文中暫不討論側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的干擾特性。

單個(gè)建筑以及各種干擾距離時(shí)迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖如圖2所示，其中用以計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)的參考點(diǎn)高度為300 m。

從圖2各種工況的計(jì)算結(jié)果中可得到以下結(jié)論:

1)在受擾建筑與干擾建筑距離較近的情況下，由于風(fēng)基本沒有直接作用在受擾建筑的迎風(fēng)面，因此主要為負(fù)壓。特別在D=100 m的工況下，迎風(fēng)面全部為負(fù)壓;隨著D的增大，逐漸在頂部開始出現(xiàn)正壓，隨后正壓區(qū)域之間擴(kuò)大。

圖2 單個(gè)建筑以及各種干擾距離時(shí)迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖

2)當(dāng)干擾距離超過750 m時(shí)，干擾作用逐漸消失，受擾建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓逐漸恢復(fù)到單個(gè)建筑時(shí)的大小和分布情況。

3 兩個(gè)干擾建筑隨干擾距離的變化

干擾建筑和受擾建筑的截面均為邊長(zhǎng)50 m的正方形，其高度均為300 m。干擾距離定義為建筑截面中心之間的距離，如圖3所示。

圖3 兩個(gè)干擾建筑干擾距離示意圖

與單個(gè)建筑干擾相同，考察以下工況:D=100 m，300 m，500 m，750 m，比較干擾距離對(duì)于受擾建筑表面風(fēng)壓的影響。

兩個(gè)干擾建筑各種干擾距離時(shí)迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖如圖4所示，參考點(diǎn)高度為300 m。

從兩個(gè)干擾建筑的計(jì)算結(jié)果可看出:

1)在干擾距離較近時(shí)，如D=100，來(lái)流風(fēng)可直接通過兩個(gè)干擾建筑之間的空間作用在受擾建筑迎風(fēng)面，表面風(fēng)壓系數(shù)和分布均幾乎與單個(gè)建筑時(shí)相同。

圖4 兩個(gè)干擾建筑各種干擾距離時(shí)迎風(fēng)面風(fēng)壓云圖

2)隨著干擾距離的增大，干擾建筑的遮擋作用也逐漸明顯，受擾建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)明顯減小，但是由于存在干擾建筑之間的狹縫，風(fēng)仍然可以直接作用于受擾建筑，因此仍然保持為正風(fēng)壓。

3)D超過750 m后，干擾作用逐漸消失。

4 結(jié)語(yǔ)

以矩形截面超高層建筑為例分析了干擾效應(yīng)的一般規(guī)律，分別討論了單個(gè)干擾、兩個(gè)干擾、干擾數(shù)量這幾種不同的干擾工況參數(shù)對(duì)于受擾建筑表面風(fēng)荷載的影響，其結(jié)果顯示:建筑干擾的影響主要體現(xiàn)在距離較近時(shí)的靜風(fēng)壓遮擋，打亂迎風(fēng)面的正風(fēng)壓規(guī)律性，但干擾距離有限，一般在超過10倍建筑寬度以后，干擾效應(yīng)逐漸消失。

［1］顧 明，周 印，張 鋒，等.用高頻動(dòng)態(tài)天平方法研究金茂大廈的動(dòng)力風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000(4):55-61.

［2］陳欽豪，吳太成.建筑群中建筑物間的相互氣動(dòng)干擾［A］.第五屆全國(guó)風(fēng)工程及工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.1998.

［3］黃 鵬，顧 明，張 鋒.上海金茂大廈靜風(fēng)荷載研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20(6):63-68.

［4］樓文娟，孫炳楠.復(fù)雜體形高層建筑表面風(fēng)壓分布的特征［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1995，6(16):38-44.

［5］謝壯寧，石碧青，倪振華.尾流受擾下復(fù)雜斷面建筑物的風(fēng)壓分布特征［A］.第九屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.1999.

［6］徐有恒.姐妹樓雙塔相互干擾的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程，1998(sup):46-51.

［7］葉 倩，朱 江，方正昌.群體效應(yīng)對(duì)風(fēng)壓分布的影響［A］.第九屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.1999.

［8］陳穎釗，倪振華，石碧青，等.臨近高層建筑對(duì)大跨輕型屋面低矮房屋風(fēng)荷載的影響研究［Z］.1997.