多塔高層建筑風(fēng)荷載互擾效應(yīng)研究*

涂佳黃， 梁經(jīng)群， 黃 橙， 石曉東， 楊 雷， 王春磊， 張婷婷

(1. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭 411105;2.湘潭大學(xué) 學(xué)生工作處, 湖南 湘潭 411105;3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100045;4. 北京國(guó)瑞興業(yè)地產(chǎn)股份有限公司, 北京 100050)

多塔高層建筑風(fēng)荷載互擾效應(yīng)研究*

涂佳黃1*， 梁經(jīng)群2， 黃 橙3， 石曉東1， 楊 雷4， 王春磊3， 張婷婷3

(1. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭 411105;2.湘潭大學(xué) 學(xué)生工作處, 湖南 湘潭 411105;3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100045;4. 北京國(guó)瑞興業(yè)地產(chǎn)股份有限公司, 北京 100050)

以鄂爾多斯國(guó)泰商務(wù)廣場(chǎng)工程為背景，基于雷諾平均方法(RANS)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)多塔高層建筑周圍的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)向角下建筑表面風(fēng)載體型系數(shù)．然后，對(duì)串列與并列布置兩種工況下的風(fēng)場(chǎng)分布特性進(jìn)行了分析，且闡明了塔樓之間風(fēng)場(chǎng)的互擾機(jī)理．通過(guò)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明數(shù)值模擬的結(jié)果能較準(zhǔn)確地獲取多塔高層建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布，為此類建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)．

多塔高層建筑;互擾效應(yīng)；體型系數(shù)；風(fēng)荷載

隨著建筑高度和跨度的增加以及形狀的復(fù)雜化，建筑物對(duì)風(fēng)荷載的敏感度日益增大．但是，現(xiàn)行荷載規(guī)范中無(wú)法準(zhǔn)確地提供相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，如風(fēng)載體型系數(shù)、結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布情況以及建筑群之間的互相影響系數(shù)等．近些年，這些問(wèn)題引起了大批工程研究人員的極大興趣，并取得了不少成果[1,2]．

目前，學(xué)者們獲取建筑物風(fēng)荷載主要采用的方法是：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬．李秋勝等人[3]實(shí)測(cè)了臺(tái)風(fēng)“馬莎”和“泰利”對(duì)臺(tái)北101大樓的風(fēng)致響應(yīng)．雷靜雅等人[4]采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)超高層建筑的風(fēng)荷載作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究．馮永偉等人[5]采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)雙塔高層建筑之間的風(fēng)荷載互擾效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)雙塔處于串列布置時(shí)，干擾效應(yīng)影響十分明顯．然而，上述兩種方法費(fèi)用高，難度大，周期長(zhǎng)．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)逐漸被工程技術(shù)人員所接受并運(yùn)用于實(shí)際工程中[6～10]．張敏等人[7]運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)由四棟復(fù)雜形狀高層建筑組成的建筑群進(jìn)行了靜力風(fēng)荷載和風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性．盧春玲等人[8]運(yùn)用大渦模擬技術(shù)建立了深圳平安國(guó)際金融大廈的數(shù)值風(fēng)洞全尺寸模型，并獲取了三種不同風(fēng)場(chǎng)條件下建筑表面平均/脈動(dòng)風(fēng)壓以及風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)據(jù)．

本文基于Fluent軟件平臺(tái)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)多塔高層建筑周圍的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了串列與并列兩種典型布置工況下，高層建筑風(fēng)載體型系數(shù)的分布情況及其互擾效應(yīng)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析．

1 基本理論和參數(shù)選取

1.1 雷諾平均方程(RANS)

雷諾平均方法的主要思想為：將物理量分解成時(shí)均值和脈動(dòng)值兩個(gè)部分，然后將其帶入Navier-Stokes(N-S)方程中，進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到N-S方程時(shí)均形式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

大量研究表明，由于鈍體繞流會(huì)產(chǎn)生分離、再附、沖撞、環(huán)繞、渦等一系列復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，湍流封閉模型是影響其數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵因素之一．k-ε模型屬于兩方程模型范疇，通過(guò)引入湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)輸運(yùn)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理．首先，建立湍動(dòng)粘度μt、湍動(dòng)能k與耗散率ε三者的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(4)

對(duì)于不可壓縮流體的定常問(wèn)題，將輸運(yùn)方程簡(jiǎn)化為：

(5)

(6)

其中Pk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，其表達(dá)式為：

(7)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，k-ε模型常數(shù)的合理取值分別為[11]：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0,σε=1.3．

1.3 參數(shù)選取

本文風(fēng)場(chǎng)邊界條件分別選用：速度入口條件；完全發(fā)展出口條件；風(fēng)場(chǎng)側(cè)面和頂端為對(duì)稱條件，即自由滑移壁面；結(jié)構(gòu)表面和地面為無(wú)滑移壁面條件．?dāng)?shù)值計(jì)算中入口邊界條件的速度剖面應(yīng)盡可能與風(fēng)洞試驗(yàn)一致，以便于進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證本文風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的選?。?/p>

(8)

k=1.5(UZ×I)2,

(9)

ε=0.090.75k1.5/L,

(10)

式中，I和L分別為湍流強(qiáng)度與湍流積分尺度，現(xiàn)階段，這兩個(gè)參數(shù)在我國(guó)規(guī)范中沒(méi)有給出明確的計(jì)算公式，本文借鑒了日本規(guī)范中記載的計(jì)算公式[12]．本文采用的求解方法為SIMPLE算法，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量方程與湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散方程進(jìn)行離散．計(jì)算過(guò)程中的收斂準(zhǔn)則設(shè)定為10-4，且當(dāng)各表面風(fēng)壓系數(shù)基本恒定時(shí)，才認(rèn)為其風(fēng)場(chǎng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)．

2 多塔高層建筑風(fēng)壓分布

2.1 工程概述

鄂爾多斯國(guó)泰商務(wù)廣場(chǎng)項(xiàng)目位于康巴什新區(qū)人工湖南岸D區(qū)，總占地面積為270畝，總投資30億元，總建筑面積近70萬(wàn)平方米，由6座商務(wù)大廈和大面積裙房組成，詳見(jiàn)圖1(a).塔樓的高度變化是從中間向兩邊逐漸降低：中間T3與T4兩座塔樓最高達(dá)到240 m，其次是T2與T5兩座塔樓180 m，最矮的塔樓T1與T6為140 m，裙房高度為23 m.風(fēng)洞試驗(yàn)縮尺模型如圖1(b)所示．

2.2 計(jì)算模型

圖2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分
Fig.2 Computational domain and mesh division

計(jì)算風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的范圍為3 000 m×1 500 m×1 000 m．為了消除風(fēng)場(chǎng)邊界對(duì)建筑物附近風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)的影響，建筑物位于距風(fēng)場(chǎng)入口內(nèi)側(cè)1/3處，同時(shí)風(fēng)場(chǎng)大小設(shè)置滿足阻塞率β<3%的要求．整個(gè)風(fēng)場(chǎng)均采用四面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，且對(duì)建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，如圖2所示，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為1 500萬(wàn)，網(wǎng)格最小尺寸為0.5 m．

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文中主要給出60°和330°兩個(gè)風(fēng)向角的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果的對(duì)比情況，風(fēng)向角與建筑物的相關(guān)關(guān)系詳見(jiàn)圖3.兩個(gè)風(fēng)向角選取的原因是：60°風(fēng)向角工況，即各塔樓大致為串列布置；330°風(fēng)向角工況，即各塔樓為并列布置且上游區(qū)域無(wú)干擾建筑．通過(guò)建筑物表面風(fēng)壓變化以及風(fēng)場(chǎng)分布特性，分析串列與并列布置兩種工況下多塔建筑物風(fēng)荷載互擾效應(yīng)．

圖4分別為240 m塔樓在60°風(fēng)向角工況下(即此塔樓為迎風(fēng)樓)數(shù)值風(fēng)洞與風(fēng)洞試驗(yàn)所得體型系數(shù)的對(duì)比情況．G面、I面和J面分別為側(cè)面和背面，由于氣流的分離作用和回流作用均以負(fù)壓為主，數(shù)值風(fēng)洞和風(fēng)洞試驗(yàn)所得結(jié)果是一致的；迎風(fēng)面上數(shù)值風(fēng)洞和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，由于來(lái)風(fēng)方向存在140 m和180 m兩幢建筑的遮擋作用，導(dǎo)致240 m高層迎風(fēng)面的正壓分布區(qū)域不完整，也就是說(shuō)來(lái)風(fēng)方向的140 m和180 m兩幢建筑削弱了240 m高層迎風(fēng)面的風(fēng)壓力，這點(diǎn)上數(shù)值風(fēng)洞也同樣得出了這個(gè)趨勢(shì)，只是在互擾效應(yīng)的大小上與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果存在一些差異，其正壓的最大值基本一致．

圖4 60°風(fēng)向角時(shí)（迎風(fēng)樓）數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)載體型系數(shù)云圖對(duì)比
Fig.4 Comparison of wind loading shape coefficient nephograms between numerical simulation and wind tunnel test under wind angle 60°

圖5分別為240 m塔樓在240°風(fēng)向角工況下(即此塔樓為背風(fēng)樓)，數(shù)值風(fēng)洞與風(fēng)洞試驗(yàn)所得體型系數(shù)的對(duì)比情況．G面、H面和J面分別為側(cè)面和背面，同其他工況一樣，這三個(gè)面均以負(fù)壓為主，而且數(shù)值上也較為接近；迎風(fēng)面由于來(lái)風(fēng)方向存在相同高度、相同體型建筑的遮擋作用，導(dǎo)致迎風(fēng)面的正壓分布并不完整.由圖可見(jiàn)，數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果所得正壓分布趨勢(shì)是一致的，可是風(fēng)洞試驗(yàn)所得的互擾效應(yīng)較弱，局部豎向分布的正壓強(qiáng)度仍然很大，且高于數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果．

圖6分別為100 m、160 m和210 m高度處，建筑周圍的壓力分布和風(fēng)場(chǎng)流線分布情況，選擇這3個(gè)高度的原因是：100 m高度處可分析6個(gè)塔樓的相互影響，160 m高度處可分析4個(gè)塔樓的相互影響，210 m高度處則分析最高兩個(gè)塔樓的相互影響．

由圖可見(jiàn)，所有建筑沿著風(fēng)向都存在著互擾影響，對(duì)240 m高的兩個(gè)塔樓而言，迎風(fēng)樓由于主要受到前方180 m高層的遮擋，迎風(fēng)面的正壓分布受到影響；240 m背風(fēng)樓由于主要受到前方同高度建筑遮擋，可見(jiàn)背風(fēng)樓的迎風(fēng)面基本處于迎風(fēng)樓尾部的回流區(qū)中，來(lái)流的撞擊作用減弱，正壓也會(huì)變?nèi)?，而且由于背風(fēng)樓的迎風(fēng)區(qū)域主要在回流區(qū)中，風(fēng)速較低，導(dǎo)致背風(fēng)樓側(cè)面的分離作用也會(huì)減弱．

圖5 240°風(fēng)向角時(shí)（背風(fēng)樓）數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)載體型系數(shù)云圖對(duì)比
Fig.5 Comparison of wind loading shape coefficient nephograms between numerical simulation and wind tunnel test under wind angle 240°

圖6 60°風(fēng)向角時(shí)不同高度處風(fēng)壓分布和流線分布
Fig.6 Distribution of wind pressure and streamline at different heights when wind angle 60°

圖7 330°風(fēng)向角時(shí)數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)載體型系數(shù)云圖對(duì)比
Fig.7 Comparison of wind loading shape coefficient nephograms between numerical simulation and wind tunnel test under wind angle 330°

圖7分別為240 m塔樓在330°風(fēng)向角工況下，數(shù)值風(fēng)洞與風(fēng)洞試驗(yàn)所得體形系數(shù)的對(duì)比情況．由圖可見(jiàn)：風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值風(fēng)洞的計(jì)算結(jié)果在數(shù)值大小與變化趨勢(shì)方面都非常接近；H面為迎風(fēng)面，因此以正壓為主，數(shù)值上也非常相近；G和I面為側(cè)面，由于氣流的分離作用，該面以負(fù)壓為主.圖中可見(jiàn)大部分面積上負(fù)壓的數(shù)值與風(fēng)洞試驗(yàn)接近，只是迎風(fēng)面邊緣處的數(shù)值比較高，原因是數(shù)值模擬的計(jì)算點(diǎn)的尺度要比風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的尺度精細(xì)得多，因此風(fēng)洞試驗(yàn)無(wú)法詳細(xì)監(jiān)控局部很強(qiáng)分離作用產(chǎn)生的負(fù)壓，此處雖不會(huì)影響整幢樓的整體受力，但是局部的維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)值得注意．如圖8所示，由于所有建筑物基本都是沿著來(lái)風(fēng)的垂直面水平展開(kāi)的，并沒(méi)有形成相互遮擋的效應(yīng)，因此240 m高度的建筑基本為獨(dú)立的迎風(fēng)表現(xiàn)，即迎風(fēng)面出現(xiàn)正壓，流線撞擊迎風(fēng)面后向兩側(cè)繞流，并從迎風(fēng)角部分離，產(chǎn)生較強(qiáng)負(fù)壓，最終在建筑物尾部形成回流，致使尾部背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)壓．

圖8 330°風(fēng)向角時(shí)不同高度處風(fēng)壓分布和流線分布
Fig.8 Distribution of wind pressure and streamline at different heights when wind angle 330°

3 結(jié) 論

本文基于Fluent 軟件平臺(tái)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)多塔高層建筑周圍的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)載體型系數(shù)的分布情況，同時(shí)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文的數(shù)值模擬方法能較準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布的變化趨勢(shì)，可以為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的參考．

數(shù)值風(fēng)洞模擬重點(diǎn)研究了240 m高的兩個(gè)塔樓在并列和串列兩種典型布置工況下，數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況．研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上大體一致，且數(shù)值上也較為接近；并列布置時(shí)，迎風(fēng)面以正壓為主，側(cè)面和背風(fēng)面以負(fù)壓為主，其中側(cè)面角部強(qiáng)烈的分離作用造成強(qiáng)烈的負(fù)壓區(qū)，局部的維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意；串列布置時(shí)，迎風(fēng)樓的風(fēng)壓分布未受到較大影響，分布特性和數(shù)值大小均與并列工況相似，背風(fēng)樓由于主要受到前方建筑遮擋，迎風(fēng)面處于迎風(fēng)樓尾部的回流區(qū)中，減弱了來(lái)流的撞擊作用，使得正壓變?。煌瑫r(shí)，背風(fēng)樓側(cè)面的分離作用也會(huì)減弱，與并列工況下相比，負(fù)壓也會(huì)變小．

數(shù)值模擬的結(jié)果能較為準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布趨勢(shì)，可提供前期抗風(fēng)設(shè)計(jì)的依據(jù)．雖然，現(xiàn)階段CFD方法還不能完全取代風(fēng)洞試驗(yàn)，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與湍流模型的改進(jìn)，該方法在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究中的作用將會(huì)越來(lái)越大．

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Study on Interference Effects of Wind Loads of a Multi-Tower Tall Building

TUJia-huang1*,LIANGJing-qun2,HUANGCheng3,SHIXiao-dong1,YANGLei4,WANGChun-lei3,ZHANGTing-ting3

(1.College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105;2.Department of Manage Students of Xiangtan University, Xiangtan 411105;3.Beijing Institute of Architectural Design, Beijing 100045;4.Beijing Glory Real Estate Development Co.ltd, Beijing 100050 China)

Based on the project of Ordos Guo Tai Business Plaza, the wind field around the multi-tower tall building is simulated by Reynolds-Averaged Navier-Stokes method and standardk-εturbulent model, while the wind loading shape coefficient distribution of structural surface at different wind angles is obtained. Then, the characteristics of wind field under different arrangement cases are analyzed and the mechanism of interference effects between towers is revealed. Compared with the data obtained from wind tunnel test, it shows that the computational results could accurately obtain the pressure distribution of the multi-tower tall building, providing a reference for wind-resistant design of such building.

multi-tower tall building; interference effect; shape coefficient; wind load

2015-01-16

湘潭大學(xué)科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目(13KZ|KZ08025)

涂佳黃(1982— )，男，湖南 益陽(yáng)人，博士，講師.E-mail:tujiahuang1982@163.com

TU312.1

A

1000-5900(2015)02-0038-07