風(fēng)致內(nèi)外壓下圓弧形落地大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性

劉向斌+聶少鋒+毛路+曹正霖+孫玉金

摘要：對某墻面開洞的圓弧形落地大跨鋼屋蓋機(jī)場航站樓風(fēng)荷載特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究；基于計算流體力學(xué)軟件FIUENT 6.3，采用RNG κε湍流模型對墻面開洞屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布、分區(qū)凈體型系數(shù)、風(fēng)速矢量以及風(fēng)場流跡線等風(fēng)荷載特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：數(shù)值模擬的凈體型系數(shù)和平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律與試驗結(jié)果吻合良好；墻面洞口全開的情況下，由于迎風(fēng)洞口與背風(fēng)洞口處壓力差的作用，屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓均表現(xiàn)為風(fēng)吸力，風(fēng)壓分布亦受到洞口的影響；墻面洞口對屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布影響較?。晃萆w迎風(fēng)挑檐區(qū)域受到風(fēng)荷載下頂上吸的疊加作用，最大凈體型系數(shù)達(dá)-2.83。

關(guān)鍵詞：圓弧形落地大跨屋蓋；風(fēng)荷載特性；局部開洞；風(fēng)洞試驗；風(fēng)壓系數(shù)；體型系數(shù)

中圖分類號：TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Wind tunnel test study on wind load characteristic of circulararc largespan floor roof with local opening of an airport terminal structure was carried out. Based on computational fluid dynamics software FLUENT 6.3， the mean wind pressure coefficient distribution of internal and external surfaces， net shape coefficient of local partition， velocity vector and wind field streamline were systematically studied by numerical simulation with RNG κε model. Then， the numerical simulation results and wind tunnel test results were compared and analyzed. The results show that the net shape coefficient and distribution of mean wind pressure coefficient obtained from numerical simulation agree well with the test results. When wall openings are fully open， there is a pressure difference between windward and leeward opening， so that wind pressure of internal surface is suction and distribution of wind pressure is influenced. Local opening has little effect on mean wind pressure coefficient of upper surface. Because of the combined action of pressure on lower surface and suction on upper surface， the maximum net shape coefficient of windward roof is -2.83.

Key words： circulararc largespan floor roof； wind load characteristic； local opening； wind tunnel test； wind pressure coefficient； shape coefficient

0引言

建筑物在風(fēng)荷載作用下易產(chǎn)生破壞，尤其是大跨帶懸挑的復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)。各國研究發(fā)現(xiàn)，大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞很大程度上是由內(nèi)外壓共同作用所致，因此對其在墻面開洞狀態(tài)下的風(fēng)荷載特性進(jìn)行深入研究對于實際工程尤為重要[15]。

Vickery等[6]對索托體育場屋蓋風(fēng)性質(zhì)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，試驗表明大部分荷載呈動態(tài)性質(zhì)，這是由于屋蓋上部結(jié)構(gòu)形成漩渦使得力在向下部傳遞時產(chǎn)生豎向波動。Woods等[7]對單面和雙面開洞的立方體模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，研究了不同風(fēng)向角下單墻面開洞以及前后墻面不同開洞狀態(tài)對墻面內(nèi)表面風(fēng)壓分布的影響。Sharma等[8]研究了迎風(fēng)墻面開2個不同孔洞時屋面的凈風(fēng)壓變化，發(fā)現(xiàn)在±50°風(fēng)向角內(nèi)，屋蓋的最大凈風(fēng)壓系數(shù)相對于外風(fēng)壓系數(shù)明顯增大。樓文娟等[9]對復(fù)雜體型懸挑屋蓋進(jìn)行風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，懸挑局部開洞的做法可以有效降低懸挑部分的最大風(fēng)壓和所受到的向上升力，使屋蓋整體受力趨于均勻。張明亮等[1011]對幕墻開孔的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，分析了屋蓋表面風(fēng)壓分布特性，結(jié)果表明幕墻開孔時的屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)比規(guī)范規(guī)定封閉下的體型系數(shù)偏大。李祝攀[12]通過風(fēng)洞試驗研究了來流風(fēng)速和來流湍流度等因素對建筑內(nèi)外壓分布及大小的影響，結(jié)果表明在不同開口位置及開口面積下，開孔前后模型外表面壓力系數(shù)基本無變化。聶少鋒等[1316]對低層雙坡及四坡屋面房屋的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬。顏衛(wèi)亨等[17]采用數(shù)值方法研究了風(fēng)速、風(fēng)向角、開洞位置及大小等因素對局部開洞折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布的影響。戴益民等[18]對低矮房屋屋面開洞時的平均內(nèi)外風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，開洞位置不同時其湍流度將會對平均內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生不同影響。余先鋒等[19]對均勻風(fēng)場中內(nèi)外壓作用下的平屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，研究了開洞面積、背景孔隙、風(fēng)向角及阻尼比對屋蓋豎向位移的影響。

開孔大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)致內(nèi)外壓效應(yīng)對屋蓋風(fēng)荷載的影響非常復(fù)雜，但現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[20]中的相關(guān)規(guī)定不能滿足復(fù)雜體型開孔大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計。因此，本文采用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對風(fēng)致內(nèi)外壓下圓弧形落地大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性進(jìn)行研究，為該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

1風(fēng)洞試驗概況

1.1試驗?zāi)Ｐ秃蜏y點布置

航站樓為長懸挑圓弧形大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，其所處位置海拔較高，受風(fēng)荷載影響較大。該航站樓主體長86.8 m，寬36 m，檐口高度為13.8 m，鋼屋蓋以圓弧形式覆蓋于結(jié)構(gòu)，左、右、前三面懸挑，后方接地，屋蓋前挑檐長達(dá)5.2 m，并開有孔洞，后方設(shè)有封閉天窗。航站樓建筑尺寸見圖1。

2試驗結(jié)果

2.1屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)等值線

部分風(fēng)向角下屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)等值線見圖5。將屋蓋風(fēng)壓系數(shù)等值線以屋蓋的俯視和后視兩部分表示，以風(fēng)吸力為負(fù)值，風(fēng)壓力為正值。屋蓋凈壓為上表面風(fēng)壓系數(shù)與下表面風(fēng)壓系數(shù)的差值。

由圖5可知，結(jié)構(gòu)在前墻面有2個洞口，落地屋蓋后墻面有多個洞口，不同風(fēng)向角下，前后墻面洞口處具有壓力差，此時風(fēng)由迎風(fēng)墻面流入，背風(fēng)墻面流出，即在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成“穿堂風(fēng)”。在0°風(fēng)向角下，屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)沿結(jié)構(gòu)中線呈對稱分布，絕對值最大負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在左上角和右上角，數(shù)值為-1.3，此后逐漸向中后方減小。屋蓋內(nèi)壓主要表現(xiàn)為負(fù)壓。屋蓋凈平均風(fēng)壓系數(shù)分布同樣趨于左右對稱，屋蓋迎風(fēng)前檐處承受絕對值較大的負(fù)平均風(fēng)壓，中間區(qū)域分布較均勻，左右兩側(cè)凈平均風(fēng)壓系數(shù)減小為-0.21。45°風(fēng)向角下，屋蓋上表面絕對值最大負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在靠近來流方向的右側(cè)挑檐部分，而在屋蓋中間區(qū)域由前挑檐向后逐漸減小。內(nèi)壓表現(xiàn)為風(fēng)吸力，凈平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律與上表面分布規(guī)律相似。90°風(fēng)向角下，屋蓋負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值向遠(yuǎn)離來流方向呈階梯狀逐漸遞減，從-1.3減小到-0.32。屋蓋右側(cè)靠近來流部分遞減梯度大，左半部分分布較均勻。凈平均風(fēng)壓系數(shù)沿著來流方向由右向左遞減。

同時，將圖5中全開洞模型上表面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線與文獻(xiàn)[21]中全封閉情況下模型外表面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線對比分析可知，墻面洞口對屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)影響較小。

2.2脈動風(fēng)壓系數(shù)等值線

4.2屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)等值線

圖10為部分風(fēng)向角下屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)等值線數(shù)值模擬結(jié)果。與圖5試驗結(jié)果對比分析可以看出：兩者平均風(fēng)壓系數(shù)等值線的分布規(guī)律相似，吻合良好，數(shù)值模擬能準(zhǔn)確反映試驗情況。

4.3數(shù)值模擬凈體型系數(shù)

全開洞模型風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬分區(qū)凈體型系數(shù)對比曲線見圖11。由圖11可知：0°風(fēng)向角下，試驗和模擬的風(fēng)荷載體型系數(shù)分布規(guī)律基本一致，屋蓋前挑檐正面迎風(fēng)，上表面風(fēng)吸力與下表面風(fēng)壓力疊加，危險性增大，氣流在2～4區(qū)到達(dá)墻面時回旋形成漩渦。由于前挑檐開有密集洞口，回旋的部分氣流從孔洞流出，使得危險性有所降低。整個屋蓋最大凈體型系數(shù)為-1.88，出現(xiàn)在4區(qū)。45°風(fēng)向角下，前挑檐（1～5區(qū)）靠近氣流來流方向凈壓影響逐漸增大，凈體型系數(shù)在5區(qū)達(dá)到-2.32；屋蓋區(qū)凈體型系數(shù)分布具有相同的規(guī)律，無孔洞側(cè)挑檐中部10區(qū)凈壓影響比有孔洞的2～4區(qū)明顯，其值達(dá)到-2.95。90°風(fēng)向角下，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合良好，迎風(fēng)側(cè)挑檐（5，10，15，20區(qū)）上吸下頂?shù)膬魤鹤饔妹黠@，危險性極大。最大負(fù)壓值出現(xiàn)在10區(qū)，凈體型系數(shù)為-2.71。135°風(fēng)向角下，氣流來自于建筑物的右后方，11～14區(qū)、16～19區(qū)體型系數(shù)靠近來流方向逐漸增大，而對于迎風(fēng)側(cè)挑檐區(qū)，除20區(qū)受正壓影響以外，其他區(qū)（5，10，15區(qū)）均受負(fù)壓影響。180°風(fēng)向角下，屋蓋后部落地區(qū)（17～19區(qū)）相當(dāng)于迎風(fēng)墻面，受正壓作用。

4.4風(fēng)速矢量分布

不同風(fēng)向角下模型豎向剖面和橫截面的風(fēng)速矢量分布見圖12。由圖12（a）可知：0°風(fēng)向角下，迎風(fēng)面上部有挑檐，使得迎風(fēng)墻面形成明顯的駐渦區(qū)，漩渦較大。氣流從挑檐孔洞流出，使整體挑檐風(fēng)壓減小。氣流通過挑檐在屋蓋上方分離，在結(jié)構(gòu)后方紊流復(fù)雜形成較大的漩渦區(qū)。結(jié)構(gòu)內(nèi)部大部分區(qū)域風(fēng)速較小，兩洞口之間區(qū)域和洞口附近氣體流速較大。從洞口流出的氣體同樣對背風(fēng)區(qū)流場分布產(chǎn)生較大影響，使流場復(fù)雜化。圖12（d）中建筑物三面開洞，由于迎風(fēng)和背風(fēng)墻面的壓力差，氣流通過正面洞口進(jìn)入室內(nèi)，一部分直接由背風(fēng)洞口流出，在出口外風(fēng)速明顯增大，另一部分氣流在建筑內(nèi)部分離、再附著，沿著內(nèi)表面形成較大的漩渦。氣流進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部速度明顯降低。從結(jié)構(gòu)背面洞口流出的氣體打破了來自側(cè)面和頂面氣流形成的背面紊流現(xiàn)象，同時由于流出的氣流速度較大，帶動紊流區(qū)域流動，使流場更加復(fù)雜。45°風(fēng)向角下，氣流在迎風(fēng)開洞的墻面附近沒有形成駐渦現(xiàn)象，上部氣流到達(dá)墻面從挑檐上的洞口流出與屋蓋上方氣流匯合，向前流動，下部氣流從洞口流入建筑內(nèi)部從背風(fēng)面洞口流出，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成漩渦，結(jié)構(gòu)內(nèi)部下方洞口貫通區(qū)域風(fēng)速較大，上部風(fēng)速均勻且較小。

5結(jié)語

（1）圓弧形大跨屋蓋結(jié)構(gòu)在墻面開洞時受到迎風(fēng)洞口與背風(fēng)洞口處壓力差的作用，屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓均表現(xiàn)為風(fēng)吸力，風(fēng)壓分布亦受到洞口的影響，但總體分布較為均勻。屋蓋凈風(fēng)壓系數(shù)受到外壓和內(nèi)壓共同作用，分布更為復(fù)雜。

（2）屋蓋各挑檐受上下表面下頂上吸風(fēng)壓的作用明顯，最大凈體型系數(shù)試驗值達(dá)-2.83，對結(jié)構(gòu)極為不利。

（3）在斜向迎風(fēng)來流（如45°風(fēng)向角）條件下，挑檐上的孔洞可有效減小風(fēng)荷載影響。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果總體上吻合良好，數(shù)值模擬可以直觀呈現(xiàn)建筑物周圍和內(nèi)部的風(fēng)場及風(fēng)速流動，直觀分析研究風(fēng)致內(nèi)外壓作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，彌補風(fēng)洞試驗的不足。

參考文獻(xiàn)：

References：

[1]日本建筑學(xué)會.建筑風(fēng)荷載流體計算指南[M].孫瑛，孫曉穎，曹曙陽，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Architectural Institute of Japan.Guide for Numerical Prediction of Wind Loads on Buildings[M].Translated by SUN Ying，SUN Xiaoying，CAO Shuyang.Beijing：China Architecture & Building Press，2010.

[2]武岳，陳波，沈世釗.大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2005，22（4）：2731，39.

WU Yue，CHEN Bo，SHEN Shizhao.Research on Equivalent Static Wind Loadings of Largespan Roof Structures[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2005，22（4）：2731，39.

[3]余世策，孫炳楠，樓文娟.風(fēng)致內(nèi)壓對大跨屋蓋風(fēng)振響應(yīng)的影響[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2005，23（2）：210216.

YU Shice，SUN Bingnan，LOU Wenjuan.Influence of Windinduced Internal Pressure on Windinduced Response of Longspan Roof[J].Acta Aerodynamica Sinica，2005，23（2）：210216.

[4]董欣，葉繼紅.大跨度平屋蓋表面風(fēng)荷載體型系數(shù)研究[J].土木工程學(xué)報，2012，45（4）：2942.

DONG Xin，YE Jihong.Study of Shape Factors for Largespan Flat Roofs[J].China Civil Engineering Journal，2012，45（4）：2942.

[5]李玉學(xué)，楊慶山，田玉基，等.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致背景響應(yīng)和共振響應(yīng)實用組合方法[J].振動與沖擊，2014，33（19）：199205，217.

LI Yuxue，YANG Qingshan，TIAN Yuji，et al.Practical Combination Method for Windinduced Background Response and Resonant Response of Largespan Roofs[J].Journal of Vibration and Shock，2014，33（19）：199205，217.

[6]VICKERY B J，MAJOWIECKI M.Wind Induced Response of a Cable Supported Stadium Roof[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992，42（1/2/3）：14471458.

[7]WOODS A R，BLACKMORE P A.The Effect of Dominant Openings and Porosity on Internal Pressures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，57（2/3）：167177.

[8]SHARMA R N，RICHARDS P J.Net Pressures on the Roof of a Lowrise Building with Wall Openings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2005，93（4）：267291.

[9]樓文娟，孫斌，盧旦，等.復(fù)雜型體懸挑屋蓋風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28（1）：107112，118.

LOU Wenjuan，SUN Bin，LU Dan，et al.Wind Tunnel Test and Numerical Simulation of Wind Loads on Complex Cantilevered Roofs[J].Journal of Building Structures，2007，28（1）：107112，118.

[10]張明亮.考慮幕墻開孔的屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗及理論分析研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

ZHANG Mingliang.Experimental Study of Wind Load Characteristics on Roof Structure with Wall Opening by Wind Tunnel Test and Theoretical Analysis[D].Changsha：Hunan University，2013.

[11]張明亮，李秋勝，陳伏彬，等.復(fù)雜體型大跨屋蓋表面風(fēng)壓分布的試驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，38（10）：16.

ZHANG Mingliang，LI Qiusheng，CHEN Fubin，et al.Experimental Study of Wind Pressure Distributions on a Longspan Complex Roof Structure[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011，38（10）：16.

[12]李祝攀.開孔結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓試驗及數(shù)值模擬研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

LI Zhupan.Experiment Study and Computational Fluid Dynamics Simulation of Structure with Openings[D].Chongqing：Chongqing University，2010.

[13]聶少鋒，周緒紅，石宇，等.低層坡屋面房屋風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（3）：118125.

NIE Shaofeng，ZHOU Xuhong，SHI Yu，et al.Wind Tunnel Test on Wind Load Characteristic of Lowrise Sloping Roof Buildings[J].Journal of Building Structures，2012，33（3）：118125.

[14]聶少鋒，周緒紅，石宇，等.低層四坡屋面房屋風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013，30（3）：3949.

NIE Shaofeng，ZHOU Xuhong，SHI Yu，et al.Wind Tunnel Test and Numerical Simulation of Wind Loads on Lowrise Hip Roof Buildings[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2013，30（3）：3949.

[15]周緒紅，聶少鋒，周天華，等.低層雙坡屋面建筑三維定常風(fēng)場的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2010，27（3）：1929.

ZHOU Xuhong，NIE Shaofeng，ZHOU Tianhua，et al.Numerical Simulation of 3D Steady Atmospheric Flow Around Lowrise Gable Roof Building[J].Engineering Mechanics，2010，27（3）：1929.

[16]聶少鋒，周緒紅，陶瑩，等.平面T形低矮房屋風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗與數(shù)值分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2016，33（2）：3140.

NIE Shaofeng，ZHOU Xuhong，TAO Ying，et al.Wind Tunnel Test and Numerical Analysis on Wind Load Characteristic of Plan Tshaped Lowrise Buildings[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2016，33（2）：3140.

[17]顏衛(wèi)亨，王劍，吳東紅，等.局部開洞的折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布研究[J].工程力學(xué)，2013，30（10）：184191.

YAN Weiheng，WANG Jian，WU Donghong，et al.Surface Wind Pressure Distribution of Folded Reticulated Shell Structures with Local Opening[J].Engineering Mechanics，2013，30（10）：184191.

[18]戴益民，王相軍，劉也.開洞低矮房屋屋面平均內(nèi)外風(fēng)壓數(shù)值模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45（2）：9599，88.

DAI Yimin，WANG Xiangjun，LIU Ye.Numerical Simulation on Mean External and Internal Pressures of Lowrise Building Roof with Openings[J].Building Structure，2015，45（2）：9599，88.

[19]余先鋒，顧明，謝壯寧.內(nèi)外壓作用下平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)影響參數(shù)分析[J].振動與沖擊，2015，34（16）：176182.

YU Xianfeng，GU Ming，XIE Zhuangning.Parameters Analyses on Windinduced Responses of Plate Type Truss Structures Under the Action of Internal and External Pressures[J].Journal of Vibration and Shock，2015，34（16）：176182.

[20]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

GB 50009—2012，Load Code for the Design of Building Structures[S].

[21]AIJ 2004，Recommendations for Loads on Buildings[S].