某高層建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)數(shù)值模擬分析

吳華英，李 婷，江 濤，黃 宏

（1.江西杭蕭鋼構(gòu)有限公司，江西 南昌330013；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人口數(shù)量的增加，各地高層建筑物愈來愈多，當(dāng)高層建筑群的間距較近時，由于漩渦的相互干擾，建筑物局部風(fēng)壓會顯著增大?，F(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡稱《荷規(guī)》）只給出了較為規(guī)則建筑物的風(fēng)載體型系數(shù)，而對于體型復(fù)雜的建筑物以及建筑群，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值模擬以確定其風(fēng)載體型系數(shù)［1］。與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，采用數(shù)值模擬分析進(jìn)行抗風(fēng)研究具有耗費(fèi)時間少，模型的形狀和尺寸不受限制，成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

目前已有學(xué)者對群體建筑物風(fēng)荷載影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，楊偉［2］對兩棟方形高層建筑模型在串列、并列和偏置狀態(tài)下的靜態(tài)三維流場和風(fēng)荷載進(jìn)行了計(jì)算。沈祺［3］對上海市某住宅小區(qū)風(fēng)場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，討論了街區(qū)群樓間間距及建筑布局等因素改變時對風(fēng)場和風(fēng)荷載的影響。張敏［4］對由4棟高層建筑組成的建筑群風(fēng)荷載和風(fēng)場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。鄭朝榮［5］對某發(fā)電廠景觀煙囪的風(fēng)載體型系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。曲文超［6］對兩個相鄰建筑物風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的靜、動力風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。吳劍鋒［7］對正方形平面封閉式房屋的風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。趙鵬摶［8］對通信塔風(fēng)壓體型系數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算。

1 工程概況

南昌“云中城”項(xiàng)目位于南昌市高新區(qū)艾溪湖大橋東，地塊西臨艾溪湖、南臨紫陽大道。該項(xiàng)目包括2棟51層223.5 m 高的塔樓、1棟3層23.75 m 高的裙樓和1棟2層13.45 m 高的商業(yè)建筑。其中2棟塔樓總建筑面積318 738 m2（包括地上、地下），地上總建筑面積216 293 m2，地下3 層（局部4 層）主要為車庫和設(shè)備用房。裙樓總建筑面積8 321 m2，商業(yè)建筑總建筑面積1 556 m2，項(xiàng)目效果圖如圖1。2棟塔樓地下4層為型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，地上結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱［9］+鋼梁框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。

圖1 項(xiàng)目效果圖Fig.1 The project renderings

圖2 辦公樓平面布置圖Fig.2 Plane layout of the project

項(xiàng)目中2棟塔樓高度為223.5 m，為超高層建筑。該類建筑結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載的作用極為敏感，且2座塔樓的間距僅50 m。預(yù)計(jì)流經(jīng)這個垂直方向狹窄通風(fēng)道的氣流有別于簡單塔狀建筑物的周圍氣流，雙塔間漩渦的相互干擾效應(yīng)將使建筑物的某些部位局部風(fēng)壓顯著增大，群體效應(yīng)對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害。為保證辦公塔樓結(jié)構(gòu)和幕墻設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，同時按照國家建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的建議，有必要對其結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓和體型系數(shù)進(jìn)行測定。綜合多方面因素考慮，將采用數(shù)值模擬方法對辦公塔樓的表面風(fēng)壓進(jìn)行分析研究。

在上述學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，以下將采用軟件FLUENT14.0對項(xiàng)目中建筑物風(fēng)荷載作用進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖3 風(fēng)向角示意圖Fig.3 The wind azimuths

2 數(shù)值模擬

項(xiàng)目中建筑物風(fēng)荷載數(shù)值模擬的主要技術(shù)參數(shù)為：根據(jù)《荷規(guī)》，50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN·m-2，項(xiàng)目所在地的地面粗糙度為B類，地貌粗糙指數(shù)α=0.16。計(jì)算時在0°～360°范圍內(nèi)每隔30°取一個風(fēng)向角，共有12個風(fēng)向角工況，風(fēng)向角如圖3。

2.1 模型建立

采用ICEM CFD14.0作為前處理軟件，塔樓和裙樓按原型尺寸建立幾何模型，可以避免尺寸效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時考慮周圍建筑物對風(fēng)場的影響。模擬中采用的流域大?。ㄩL×寬×高）為3 600 m×2 500 m×800 m，在長度方向模型置于流場1/3處，阻塞率小于2%。由于分析結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格劃分方法，在靠近辦公塔樓表面采用加密的網(wǎng)格形式。網(wǎng)格尺寸由內(nèi)向外逐漸增大，在靠近建筑物表面區(qū)域，使用過渡的棱柱體網(wǎng)絡(luò)（6 層），整個流域總的網(wǎng)格數(shù)約為430萬個，網(wǎng)格示意圖如圖4、圖5。

圖4 0°整體網(wǎng)格示意圖Fig.4 The whole mesh scheme of 0°

圖5 辦公塔樓局部網(wǎng)格示意圖Fig.5 Local mesh scheme of building

模擬中采用CFD常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型配合非平衡壁面函數(shù)法進(jìn)行模擬計(jì)算，該方法可以較為精確的模擬鈍體繞流問題。因可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型一般只適用于湍流的核心區(qū)域，而在近壁面，湍流流動受到顯著影響，故模型采用非平衡壁面函數(shù)法來處理近壁面的湍流狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型控制方程為［10］：

非平衡壁面函數(shù)法對黏性底層不進(jìn)行求解，而是使用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算k、ε和切向速度，將其和完全發(fā)展的湍流區(qū)域聯(lián)系起來，進(jìn)而求解出整個流域。

模型計(jì)算的邊界條件與文獻(xiàn)［4］中的相同。

2.2 測點(diǎn)布置

為了得出辦公塔樓表面各點(diǎn)在不同方向風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓，在模擬過程中兩塔樓共布置120 個測點(diǎn)，測點(diǎn)的具體布置情況如圖6。測點(diǎn)的命名由塔樓號、高度號和點(diǎn)號共同確定，如IA1表示塔樓I，A高度處（即標(biāo)高為50 m）1 位置處的點(diǎn)。同時，為了后面求解平均風(fēng)壓，對結(jié)構(gòu)的各面進(jìn)行了命名，分別為F1～F4。

圖6 測點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of pressure points

2.3 各測點(diǎn)風(fēng)壓

采用上述方法進(jìn)行模擬計(jì)算得出各測點(diǎn)的風(fēng)壓值。在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，若考慮當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向，此時必須兼顧各風(fēng)向角下的最大風(fēng)壓值。由于各風(fēng)向角下平均風(fēng)壓的最大正、負(fù)值起著控制作用，故表1和表2分別給出了塔樓Ⅰ和塔樓Ⅱ在12個風(fēng)向角下各測點(diǎn)出現(xiàn)的平均風(fēng)壓最大正、負(fù)值（風(fēng)壓值單位為kN·m-2）。表1和表2中風(fēng)壓的最大正值為負(fù)時，表示該測點(diǎn)在任何風(fēng)向角下都只出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓；風(fēng)壓的最大負(fù)值為正時，表示該測點(diǎn)在任何風(fēng)向角下都只出現(xiàn)正風(fēng)壓，此值為絕對值最小正風(fēng)壓。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，可采用表1和表2中的風(fēng)壓值通過式（4）和式（5）可以得出個測點(diǎn)對應(yīng)的局部體型系數(shù)。

表2 塔樓Ⅱ各測點(diǎn)風(fēng)壓的最大正、負(fù)值Tab.2 The maximum positive and negative pressure of Building Ⅱ

2.4 結(jié)構(gòu)體型系數(shù)計(jì)算

塔樓各立面的平均體型系數(shù)可以通過式（3）、式（4）和式（5）的計(jì)算得出。

式中：為各面在各個風(fēng)向角下的平均體型系數(shù)；將塔樓結(jié)構(gòu)分為0～50 m，50～100 m，100～150 m，150～200 m，200～220 m這5個區(qū)段，An即為各區(qū)段的面積；msi為各測點(diǎn)對應(yīng)的局部體型系數(shù)；zr=223.5 m，zi=10 m；Cpi為建筑物表面某測點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)；Pi是測點(diǎn)i的風(fēng)壓值；r為空氣密度，其值為1.25 kg·m-3；Vr是參考點(diǎn)的風(fēng)速，南昌地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN·m-2，相當(dāng)于離地面10 m高度處10分鐘的平均最大風(fēng)速為26.83 m·s-1，故參考點(diǎn)223.5 m處的風(fēng)速Vr=44.11 m·s-1.

為了解結(jié)構(gòu)各面體型系數(shù)的變化，將各測點(diǎn)的高度和模擬計(jì)算所得的風(fēng)壓值Pi，結(jié)合式（3）、式（4）和式（5）得出各個風(fēng)向角下的各面平均體型系數(shù)，如表3所示。由于結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果基本對稱，故下文結(jié)果均只給出0°～150°范圍內(nèi)的6個結(jié)果，180°～330°范圍內(nèi)的結(jié)果可以參考對應(yīng)的角度結(jié)果得到。

表3 各面平均體型系數(shù)Tab.3 The average shape coefficient of each facade

結(jié)合以上各面平均體型系數(shù)，利用式（6）、式（7）可得塔樓整體體型系數(shù)，結(jié)構(gòu)整體體型系數(shù)可以用于承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

其中μFi為Fi面的體型系數(shù)，x軸和y軸由圖2確定。由于兩辦公塔樓具有較大的對稱性，所以在塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)x和y方向體型系數(shù)絕對值的最大值是主要關(guān)心的參數(shù)。表4中給出了0°～150°范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)x和y方向體型系數(shù)絕對值的最大值。從表4可以看出，對于x方向，0°和30°較為不利；對于y方向，60°和90°較為不利；塔樓Ⅰ和Ⅱ結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)最大絕對值分別為1.58和1.66，為塔樓的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)構(gòu)件的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。由《荷規(guī)》可知，本項(xiàng)目中塔樓Ⅰ、Ⅱ作為單體建筑時的風(fēng)荷載體型系數(shù)最大絕對值均為1.4，與表4中最大絕對值對比可知，建筑間距對建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)影響較大。

表4 結(jié)構(gòu)x方向和y方向體型系數(shù)絕對值Tab.4 Shape coefficient absolute value of the structure X direction and Y direction

3 結(jié)論

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：

1）模型中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型配合非平衡壁面函數(shù)法對塔樓Ⅰ和Ⅱ結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，可以較為精確的模擬鈍體繞流問題；

2）塔樓Ⅰ和Ⅱ結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)最大絕對值出現(xiàn)在以下風(fēng)向角：0°和30°（x方向），以及60°和90°（y方向），數(shù)值模擬得出的塔樓Ⅰ和Ⅱ結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)為塔樓的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)構(gòu)件的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)；

3）高層建筑群由于群樓產(chǎn)生的湍流效應(yīng)對高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)影響不可忽視，同時還受到建筑物間距的影響。

[1]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[S].中國人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),2012.

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