雙層類橢球冠形大跨屋面的表面風(fēng)壓數(shù)值模擬

鄧長根+梅潔晗+陸平

建筑科學(xué)與工程學(xué)報2014年文章編號：16732049(2014)01013805

收稿日期：20131107

作者簡介：鄧長根（1962），男，江西南城人，教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士

摘要：基于計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法，對擬建雙層類橢球冠形大跨屋面進(jìn)行了表面風(fēng)壓分析，得到了其在不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布情況和速度流場分布趨勢，并進(jìn)一步給出了擬建建筑在最不利工況下的風(fēng)壓系數(shù)分布等值線。結(jié)果表明：雙層類橢球冠形大跨屋面的最大正壓區(qū)出現(xiàn)在迎風(fēng)面的近地處及上下部交界處，而最大負(fù)壓區(qū)則出現(xiàn)在側(cè)面的上下部交界處和頂面；上下部交界處由于形成了凹角，很容易出現(xiàn)最大局部正負(fù)壓區(qū)塊，因此在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計時需要進(jìn)行局部加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：大跨屋面；類橢球冠；數(shù)值模擬；風(fēng)壓系數(shù)；風(fēng)向角

中圖分類號：TU312.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Numerical Simulation of Wind Pressures on Longspan Roof of

Double Hyperellipsoidal CrownsDENG Changgen1, MEI Jiehan1, LU Ping2

（1. Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. Shanghai Tongji Kaiyuan Architectural Design Co., Ltd., Shanghai 200092, China）Abstract: By the method of computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation, the analyses of windinduced surface pressure of the proposed longspan roof of double hyperellipsoidal crowns were conducted. The distributing characteristics of mean wind pressure and velocity flow field in different wind directions were obtained. On that basis, the isolines of wind pressure coefficient distribution of the proposed architecture under the most unfavorable condition were presented. The results show that the maximum positive pressure zone locates on the upwind side near the ground, while the juncture of top and bottom on the upwind side also grows a zone of maximum positive pressure. The maximum negative pressure zone lies on the upwind side close to the top of the roof, while a maximum negative pressure zone appears in the juncture of top and bottom on the side face. Therefore, the juncture of top and bottom forms concave angle, which leads to maximum local positive pressure zones or negative pressure zones, so local reinforcement should be considered in the design of structural windresistance.

Key words: longspan roof; hyperellipsoidal crown; numerical simulation; wind pressure coefficient; wind direction

0引言

作為建筑結(jié)構(gòu)的主要側(cè)向荷載，風(fēng)荷載一直是大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題之一。這主要是由于以下3個原因：①大跨度空間結(jié)構(gòu)的自重較小，柔性偏大，自振頻率低，因此對風(fēng)荷載十分敏感；②隨著跨度的不斷增加、高度的不斷增大，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響不斷增強(qiáng)，已逐步成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制荷載；③由于大跨度空間結(jié)構(gòu)在體型上的靈活性，使得其體型日趨復(fù)雜，各國現(xiàn)行的荷載規(guī)范中無法提供與之對應(yīng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓分布規(guī)律和風(fēng)振系數(shù)，造成了設(shè)計上的難度。

近年來，關(guān)于大跨度曲面結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的分析研究逐漸興起。通過李元齊等［1］對球殼、柱面、鞍面等典型大跨度曲面結(jié)構(gòu)形式的研究可知，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬作為風(fēng)荷載分析的主要手段之一，已擁有較高的精確度和良好的可靠度，因此可以將CFD數(shù)值模擬方法用于研究大跨度曲面結(jié)構(gòu)的氣動特性，為結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計提供一定的參考。

目前，橢球冠及其衍生出的復(fù)雜形式越來越多地出現(xiàn)在大跨度空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)中。中國國家大劇院即為典型的超橢圓形式的大跨度空間結(jié)構(gòu)，楊波等［2］模擬了不同風(fēng)向角下國家大劇院的表面風(fēng)壓及周圍風(fēng)場。從研究結(jié)果可知，橢球冠的風(fēng)壓分布趨勢與球冠較為類似，而與典型的橢球冠形式相比，橢球冠衍生出的復(fù)雜形式結(jié)構(gòu)則擁有更加復(fù)雜的氣動特性，在各國現(xiàn)行的荷載規(guī)范中很難找到與之相近的體型系數(shù)，因此需要進(jìn)行CFD數(shù)值模擬以確定其風(fēng)壓分布，為結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供較為真實的風(fēng)荷載分布情況。呂少琳等［3］對擬建的某國際會議中心進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。該建筑物的總高度約為98 m，上部是一個直徑約為77 m的球體，下部裙房高度約為27 m，裙房表面是近似于橢球面的不規(guī)則曲面且存在一定高差。該建筑物的結(jié)構(gòu)形式為大跨度復(fù)雜屋蓋曲面，尤其是曲殼形式裙房的跨度、高度較大，加之與上部球體的連接處形成內(nèi)凹，因此建筑周圍的流動風(fēng)及表面風(fēng)壓分布情況十分復(fù)雜。研究結(jié)果表明：各風(fēng)向角下球面的最大正壓出現(xiàn)在迎風(fēng)大圓面；最大負(fù)壓出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)(與迎風(fēng)垂直)大圓面。若同時考慮裙房，則側(cè)風(fēng)大圓面與裙房相接區(qū)域為同一風(fēng)向角下整個建筑的最大局部負(fù)壓區(qū)域。下部裙房在迎風(fēng)面出現(xiàn)正壓；背風(fēng)面則主要表現(xiàn)為負(fù)壓，但在順風(fēng)向中心線附近也出現(xiàn)了較小范圍的正壓。對比有無裙房時的表面風(fēng)壓模擬結(jié)果可知：與無裙房時相比，有裙房時球形建筑在不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布均趨于不均勻，正壓區(qū)域有較明顯的縮小，最大正壓值略有降低，最大負(fù)壓絕對值有較大程度的提高，整體風(fēng)荷載趨于增大。模擬結(jié)果還表明，在設(shè)計時需要在球體與橢球殼裙房連接部位適當(dāng)鈍化或在結(jié)構(gòu)和建筑覆面設(shè)計時予以特別加強(qiáng)。

基于此，本文中筆者對中國某雙層類橢球冠形大跨復(fù)雜橢球殼屋蓋曲面進(jìn)行了表面風(fēng)壓分析，得到了具有代表性的風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布情況及風(fēng)壓系數(shù)。

endprint

1工程概況及幾何模型

擬建建筑長軸長度約為172 m，短軸長度約為116 m，總高度約為53 m，由2個類橢球冠形屋面疊放而成，如圖1所示。上下兩部分的水平投影均為四心類橢圓（即四段相切圓弧組成的類橢圓），而立面定位線則由相切的圓弧及直線組成。擬建建筑的幾何模型與文獻(xiàn)［3］中的較為類似，整體造型均為類球殼、類橢球殼上下部疊加，交接部均形成了凹角，因此在風(fēng)壓分布及趨勢方面有較強(qiáng)的可比性。

圖1擬建建筑模型及其控制參數(shù)(單位:m)

Fig.1Model and Its Controlling Parameters of

Proposed Architecture (Unit:m)2網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)定

考慮到擬建建筑物的尺寸，為避免邊界效應(yīng)的產(chǎn)生，將其計算域的尺寸取為2 000 m×1 200 m×400 m，且位于距入流口1/3處。由于建筑物的形體存在凹角，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，更好地捕捉建筑表面的湍流情況，在劃分網(wǎng)格時建筑表面的貼體網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余部分主要采用四邊形、六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。建筑表面的貼體網(wǎng)格面積為4 m2，流域外邊界的網(wǎng)格面積為400 m2，網(wǎng)格增長率為1.09，網(wǎng)格數(shù)量為163萬。擬建建筑及其計算域的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2擬建建筑及其計算域的網(wǎng)格劃分

Fig.2Mesh Divisions of Proposed Architecture and

Its Computational Domain在湍流模型的選擇上，選用RNG kε模型。RNG kε模型能模擬射流撞擊、分離流、二次流和旋流等中等復(fù)雜流動，因此廣泛應(yīng)用于CFD數(shù)值模擬當(dāng)中。計算模式選擇穩(wěn)態(tài)計算，采用的算法為半隱式算法（SIMPLE算法）。

根據(jù)中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）［4］可以確定，擬建建筑的基本風(fēng)壓w0=0.5 kPa，地貌類型為A類地面粗糙度。由此可計算出基本風(fēng)速v0=29.5 m·s-1，將其轉(zhuǎn)化為A類地貌10 m高度處的風(fēng)速v0A=33.43 m·s-1，可以得到A類地貌的風(fēng)速v隨高度z變化的計算公式為

v=v0A(5za)αa=30.76 m·s-1z≤5 m

v0A(zza)αa=33.43(z10)0.125 m＜z≤300 m

v0A(300za)αa=50.28 m·s-1z＞300 m

式中：αa為地面粗糙指數(shù)；za為建筑高度。

入流口處的湍流動能k及湍動能耗散率ε的取值參考日本規(guī)范AIJRLB2004［5］及其計算指南［6］中的建議，計算公式參照FLUENT幫助文檔可得。將以上函數(shù)編譯為C文件，采用FLUENT中的Users Defined Function即可將其設(shè)置為入流口風(fēng)速度場，計算迭代的初始化值選擇入流口進(jìn)行初始化。3模擬結(jié)果分析

擬建建筑屬于單軸對稱形式，因此在風(fēng)向角的工況選擇上需要考慮0°，45°，90°，135°，180°五個風(fēng)向角所對應(yīng)的典型工況。下面筆者將從速度流場分布和平均風(fēng)壓系數(shù)分布2個方面對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1速度流場分布

圖3中給出了0°，90°風(fēng)向角下的z=32.7 m水平剖面及順風(fēng)向中心豎直剖面。

圖30°，90°風(fēng)向角下的風(fēng)速矢量圖（單位：m·s-1）

Fig.3Wind Velocity Vector Distribution Under

0° and 90° Wind Directions (Unit:m·s-1)由圖3(a)，(b)可知：在90°風(fēng)向角下，擬建建筑的側(cè)面出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流分離，從而產(chǎn)生了極大的吸附力；在0°風(fēng)向角下，除迎風(fēng)面產(chǎn)生沖擊外，氣流基本處于繞流狀態(tài)，未產(chǎn)生明顯的氣流分離及渦旋；此外，由于背風(fēng)面的下部突出較為明顯，產(chǎn)生了較為顯著的阻擋效應(yīng)，使得氣流在背風(fēng)面產(chǎn)生了二次撞擊，從而形成了部分正壓區(qū)。

由圖3(c)，(d)可知：在90°風(fēng)向角下，迎風(fēng)面及背風(fēng)面近地處均出現(xiàn)局部渦旋，背風(fēng)面上下部交界處的氣流產(chǎn)生了部分分離和渦旋的現(xiàn)象；相比之下，0°風(fēng)向角下的氣流顯得較為平緩。

3.2平均風(fēng)壓系數(shù)分布

為了提高數(shù)據(jù)的可視性，將計算得到的風(fēng)壓處理為平均風(fēng)壓系數(shù)C=/w0A［1］，其中，為平均風(fēng)壓，w0A為入流口高10 m處的參考風(fēng)壓，w0A=0.642 kPa。圖4為5個不同風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布。

圖45個不同風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布

Fig.4Distributions of Mean Pressure Coefficients Under

Five Different Wind Directions由圖4可知：

（1）各風(fēng)向角下，擬建建筑迎風(fēng)面的近地處均為較大的正壓區(qū)，沿著迎風(fēng)面的高度增大方向正風(fēng)壓逐漸減小，直至迎風(fēng)面的上下部交界處又產(chǎn)生了較大的正壓區(qū)。

（2）各風(fēng)向角下，擬建建筑的頂面均為較大的負(fù)壓區(qū)，側(cè)面的上下部交界處也處于較大的負(fù)壓區(qū)。

（3）各風(fēng)向角下，擬建建筑的背風(fēng)面處于小負(fù)壓區(qū)，并且在近地處產(chǎn)生了較小的正風(fēng)壓，產(chǎn)生正風(fēng)壓的主要原因是氣流在建筑物近地處形成了回流。

（4）各風(fēng)向角下，最大正風(fēng)壓都出現(xiàn)在迎風(fēng)面的近地處及上下部交界處，擬建建筑的頂面均出現(xiàn)較大負(fù)風(fēng)壓區(qū)，這也與已有結(jié)論相吻合。此外，在側(cè)面的上下部交界處還出現(xiàn)了最大局部負(fù)風(fēng)壓。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于交界處是由2個曲面和1個平面相交而成，形成了狹小的夾角區(qū)域及內(nèi)凹區(qū)，在這一區(qū)塊氣流出現(xiàn)了嚴(yán)重的分離和激烈的渦旋，因此產(chǎn)生了高負(fù)壓區(qū)［79］。

由此可知：在0°，45°，90°，135°，180°這5個風(fēng)向角下，最大正風(fēng)壓系數(shù)為1.01，出現(xiàn)在135°風(fēng)向角下的迎風(fēng)面近地處及上下部交界處；在90°風(fēng)向角下頂面的最大負(fù)風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到了-2.20，這主要是因為風(fēng)沿短軸方向時其曲率變化幅度最大，因此在同樣的風(fēng)場環(huán)境下表現(xiàn)出的氣動特性與其他風(fēng)向角有所不同。該工況下的最大局部負(fù)風(fēng)壓系數(shù)為-2.93，出現(xiàn)在上下部交界處，主要原因在于該工況下曲面的曲率變化幅度最大，且上下部交界處由于氣流在此處嚴(yán)重分離且速度梯度較大，容易產(chǎn)生高負(fù)壓區(qū)。背風(fēng)面出現(xiàn)了小范圍正壓區(qū)，主要在順風(fēng)向中心線附近，這是由于氣流沿單軸對稱的上部曲面繞流而對下部曲面的二次撞擊導(dǎo)致的。擬建建筑的風(fēng)壓區(qū)塊分布大致平緩，但在上下部交界處出現(xiàn)了明顯的風(fēng)壓集中效應(yīng)，這是由于擬建建筑具有上下部交界的不光滑曲面，氣流容易在其形成的凹角處出現(xiàn)沖擊和渦旋，因此在設(shè)計中需要對上下部交界這一區(qū)塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟g化或局部的結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)?？傮w來說，擬建建筑模型的正負(fù)壓區(qū)分布趨勢和最大正負(fù)壓區(qū)的位置與文獻(xiàn)［3］中的結(jié)果一致。

綜上所述，90°風(fēng)向角工況的氣動特性較為復(fù)雜，在貼近擬建建筑的附近氣流產(chǎn)生了較為明顯的分離、渦旋現(xiàn)象，整體來說，存在數(shù)值較大的負(fù)壓區(qū)，因此可將其視為最不利工況之一，并開展進(jìn)一步的分析與研究。4結(jié)語

（1）由于擬建建筑的體型較為復(fù)雜，因此貼近建筑表面的流場也存在撞擊、渦旋、分離、環(huán)繞、回流等多種流動情況，總體來說，氣動特性較為復(fù)雜。

（2）各風(fēng)向角下，擬建建筑的正風(fēng)壓區(qū)主要分布在迎風(fēng)面及背風(fēng)面的順風(fēng)向中心線附近，其余部分大多為負(fù)風(fēng)壓區(qū)。最大正風(fēng)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)面的近地處及上下部交界處，正風(fēng)壓系數(shù)為1.01。最大負(fù)風(fēng)壓出現(xiàn)在90°風(fēng)向角下的頂面，負(fù)風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到了-2.20；與此同時，側(cè)面的上部近上下部交界處，最大局部負(fù)風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到了-2.93。最大局部負(fù)風(fēng)壓出現(xiàn)的原因是上部近上下部交界處為2個曲面及1個平面交會處，形成了明顯的內(nèi)凹區(qū)，使氣流產(chǎn)生了激烈的渦旋現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了負(fù)高壓區(qū)。

endprint

（3）擬建建筑的風(fēng)壓系數(shù)分布總體較為平緩均勻，其數(shù)值也在合理范圍之內(nèi)，但在上下部交界處存在凹陷和角點，使得該處的風(fēng)壓系數(shù)會明顯較其他部位大一些，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要對這些交界區(qū)域予以加強(qiáng)，從而降低角部的風(fēng)壓集中效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響。

（4）本文與文獻(xiàn)［3］中相似體型建筑的模擬結(jié)果一致，在證明了本文模擬的可靠度和正確性的同時，也可總結(jié)兩者的模擬結(jié)果，得到該類型雙層復(fù)雜大跨曲殼屋面的表面風(fēng)壓大致分布規(guī)律和趨勢，為今后該類體型建筑的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。參考文獻(xiàn)：

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（3）擬建建筑的風(fēng)壓系數(shù)分布總體較為平緩均勻，其數(shù)值也在合理范圍之內(nèi)，但在上下部交界處存在凹陷和角點，使得該處的風(fēng)壓系數(shù)會明顯較其他部位大一些，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要對這些交界區(qū)域予以加強(qiáng)，從而降低角部的風(fēng)壓集中效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響。

（4）本文與文獻(xiàn)［3］中相似體型建筑的模擬結(jié)果一致，在證明了本文模擬的可靠度和正確性的同時，也可總結(jié)兩者的模擬結(jié)果，得到該類型雙層復(fù)雜大跨曲殼屋面的表面風(fēng)壓大致分布規(guī)律和趨勢，為今后該類體型建筑的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。參考文獻(xiàn)：

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（3）擬建建筑的風(fēng)壓系數(shù)分布總體較為平緩均勻，其數(shù)值也在合理范圍之內(nèi)，但在上下部交界處存在凹陷和角點，使得該處的風(fēng)壓系數(shù)會明顯較其他部位大一些，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要對這些交界區(qū)域予以加強(qiáng)，從而降低角部的風(fēng)壓集中效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響。

（4）本文與文獻(xiàn)［3］中相似體型建筑的模擬結(jié)果一致，在證明了本文模擬的可靠度和正確性的同時，也可總結(jié)兩者的模擬結(jié)果，得到該類型雙層復(fù)雜大跨曲殼屋面的表面風(fēng)壓大致分布規(guī)律和趨勢，為今后該類體型建筑的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。參考文獻(xiàn)：

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