超高層連體建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)大渦模擬研究

柯世堂+王浩

摘 要：超高層三塔連體建筑的主樓受到裙房及子樓的干擾作用顯著，以某超高層三塔連體建筑為對(duì)象，基于LES（大渦模擬）方法對(duì)其進(jìn)行了24個(gè)方向角下的數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，并將主樓的體型系數(shù)與物理風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，再基于大渦模擬結(jié)果分別從平均和脈動(dòng)風(fēng)壓特性、渦量分布以及干擾機(jī)理等方面探討了超高層多塔連體建筑風(fēng)荷載和干擾效應(yīng).結(jié)果表明：大渦模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；單體工況下主塔表面隨機(jī)渦旋較密集、風(fēng)壓脈動(dòng)較大、且尾流分離區(qū)域較小，當(dāng)子塔處于主塔上游位置時(shí)對(duì)主塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)存在有利的“遮擋效應(yīng)”，此時(shí)來(lái)流湍流對(duì)主塔風(fēng)場(chǎng)分布起主導(dǎo)作用；當(dāng)子塔處于主塔下游位置時(shí)會(huì)對(duì)主塔存在不利的風(fēng)壓放大作用，特征湍流作用更明顯.

關(guān)鍵詞：超高層連體結(jié)構(gòu)；數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)；大渦模擬；風(fēng)荷載；干擾效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU973.213； TU312.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2017）05-0053-10

Abstract：The main building of three-tower ultra high-rise connecting buildings is significantly interfered by the podiums and annexes. Large eddy simulation was adopted for three-tower ultra-high-rise connecting buildings. The shape coefficients of the main building were calculated， and the computational results were compared with the wind tunnel test results. The wind fields， wind pressure coefficients， and the interference effects between tall buildings were discussed. It is found that the large eddy simulation was a feasible way， and the turbulent wind velocity was higher in condition with single building. The field of flow separation is more lasting in condition with three buildings. The interference effect might have beneficial sheltering effect on the wind-induced vibration response of the main building when the main building was in the upstream. On the contrary， the wind pressure of main building might have been magnified when the main building was in the downstream.

Key words：ultra high-rise connecting buildings； numerical wind tunnel simulation；large eddy simulation； wind load； interference effect

現(xiàn)代高層建筑逐漸朝著超高層、形式多樣化發(fā)展，涌現(xiàn)出很多雙塔甚至多塔連體結(jié)構(gòu).超高層多塔連體建筑的風(fēng)荷載和響應(yīng)特征與單體建筑有很大的不同，主要表現(xiàn)為主塔與子塔、以及子塔之間的干擾效應(yīng)[1]，加上裙樓的影響使得整個(gè)多塔連體建筑的風(fēng)荷載和干擾效應(yīng)愈加復(fù)雜[2-4].

歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多起因?yàn)槿后w建筑物間相互干擾導(dǎo)致的風(fēng)毀事件，這類(lèi)事故的發(fā)生表明對(duì)超高層建筑物間的風(fēng)致干擾效應(yīng)開(kāi)展研究非常重要.而我國(guó)荷載規(guī)范對(duì)此類(lèi)三塔連體超高層建筑的風(fēng)荷載沒(méi)有明確的規(guī)定，盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)典型超高層建筑表面風(fēng)壓分布和周?chē)L(fēng)環(huán)境[5]、群體建筑干擾機(jī)理和風(fēng)壓特性[6-7]、雙塔連體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性[8]等進(jìn)行了深入研究，但大多數(shù)是對(duì)兩棟單獨(dú)或雙體建筑的干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究，且數(shù)值風(fēng)洞研究大多拘泥于傳統(tǒng)模擬方法，無(wú)法準(zhǔn)確地揭示流場(chǎng)特征和干擾機(jī)理.隨著國(guó)內(nèi)超高層多塔連體建筑的大量興建，已有的研究成果不能滿(mǎn)足此類(lèi)建筑設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值和抗風(fēng)機(jī)理研究的要求，因此，對(duì)于超高層多塔連體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和干擾效應(yīng)的LES研究具有重要的理論價(jià)值和工程意義.

鑒于此，本文對(duì)某超高層三塔連體建筑進(jìn)行了大渦模擬研究，并通過(guò)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值方法的有效性.再基于大渦模擬結(jié)果分別從渦量分布、干擾機(jī)理以及典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓特性等方面探討了超高層多塔連體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性和干擾效應(yīng)，相關(guān)研究結(jié)論可為此類(lèi)超高層三塔連體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù).

1 工程概況

此超高層三塔連體建筑位于東南沿海地帶，總建筑面積約54.5 萬(wàn)m2，包含商業(yè)、酒店、辦公、公寓等功能；地下建筑分為3層，面積約14.8 萬(wàn)m3.本工程建筑群以鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)為主，主體工程有3棟連體建筑，其中主樓A為65層塔樓外加塔冠，總高度298.7 m.子樓B，C塔樓總高度158.7 m，底部為5層裙房，總高16.1 m，如圖1所示.

參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）相關(guān)條款，確定本工程設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.70 kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，地面粗糙度指數(shù)為0.15.

2 大渦模擬

由于LES方法能夠獲得詳細(xì)的湍流場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息，其已逐漸成為計(jì)算風(fēng)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.大渦模擬法采用濾波函數(shù)，將流場(chǎng)中的渦分為大尺度渦以及小尺度渦，對(duì)大尺度渦進(jìn)行直接求解，而小尺度渦則采用亞格子模型進(jìn)行模擬.基于大渦模擬的數(shù)值計(jì)算能夠很好地模擬流場(chǎng)以及風(fēng)荷載的動(dòng)力特性，并且可以模擬流場(chǎng)以及荷載特性在時(shí)間歷程上的變化.本文通過(guò)模擬非穩(wěn)態(tài)邊界層湍流風(fēng)場(chǎng)，采用大渦模擬方法獲得此類(lèi)建筑主塔表面的風(fēng)荷載時(shí)程和周?chē)鲌?chǎng)分布.

2.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

為保證流動(dòng)能夠充分發(fā)展，三塔連體結(jié)構(gòu)主體建筑底層外輪廓約為140 m×180 m×300 m（長(zhǎng)×寬×高），計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，X=3 000 m，Y=1 800 m，Z=800 m，其中X為順風(fēng)向，Y為橫風(fēng)向，Z為高度方向，建筑物置于距離計(jì)算域入口3H處，從而保證尾流的充分發(fā)展.圖2為三塔連體建筑的網(wǎng)格劃分方式，為了更好地兼顧計(jì)算效率與精度，將計(jì)算域劃分為局部加密區(qū)域以及外圍區(qū)域.外圍區(qū)域形狀規(guī)整，可以用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分；局部加密區(qū)域包含建筑模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分.核心區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為0.5 m，總網(wǎng)格數(shù)量約520萬(wàn).

2.2 邊界條件及數(shù)值計(jì)算設(shè)置

運(yùn)用FLUENT流體軟件進(jìn)行大渦數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算域入口采用速度入口，設(shè)置大氣邊界層指數(shù)風(fēng)速剖面和湍流度剖面，其中風(fēng)速剖面中地面粗糙指數(shù)為0.15，參考高度取Zref=10 m，取10 m高50年一遇基本風(fēng)速作為參考風(fēng)速Vref=33.8 m/s，通過(guò)UDF文件定義上述脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)（見(jiàn)圖3）；計(jì)算域頂部和側(cè)面采用等效于自由滑移壁面的對(duì)稱(chēng)邊界條件；計(jì)算域出口采用壓力出口邊界；地面以及建筑物表面采用無(wú)滑移壁面邊界.

空氣風(fēng)場(chǎng)選用不可壓縮流場(chǎng)，亞格子模型采用Smagorinsky-Lilly模型，同時(shí)采用SIMPLEC方法進(jìn)行離散方程組的求解，該方法收斂性好且適合時(shí)間步長(zhǎng)較小的大渦模擬計(jì)算[9]，設(shè)置了網(wǎng)格傾斜校正以提高混合網(wǎng)格計(jì)算效率.在進(jìn)行非定常計(jì)算之前先進(jìn)行RANS的定常計(jì)算，通過(guò)瞬態(tài)化處理使LES初始流場(chǎng)達(dá)到具有合理統(tǒng)計(jì)特征的狀態(tài).LES計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為0.05 s.

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證

對(duì)超高層連體建筑進(jìn)行了干擾和單體工況下的測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn).模型縮尺比為1∶300，在主塔表面沿高度布置18層，共340個(gè)同步測(cè)點(diǎn)，每個(gè)面85個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別以A，B，C和D表示.試驗(yàn)中模擬風(fēng)向角范圍在0°～360°，角度間隔為15°，共24個(gè)試驗(yàn)風(fēng)向角.圖4給出了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图帮L(fēng)向角示意圖.

將主樓數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，圖5給出了0°風(fēng)向角80 m和160 m截面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，圖中測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)建筑物正迎風(fēng)面中點(diǎn)，之后的測(cè)點(diǎn)按逆時(shí)針?lè)较蚺帕?可以發(fā)現(xiàn)，大渦模擬的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)較接近且總體趨勢(shì)十分吻合.模擬結(jié)果在建筑物的背面、側(cè)面以及棱角處吻合較好，這些區(qū)域正是漩渦脫落和流動(dòng)分離比較明顯的地方[10].風(fēng)洞試驗(yàn)1∶300的幾何縮尺模型在屋頂和棱角處的測(cè)點(diǎn)無(wú)法足夠密集，采用大渦模擬方法對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)進(jìn)行研究具有可行性和科學(xué)性[11].

3.2 群塔流場(chǎng)干擾效應(yīng)

圖6和圖7給出了30°風(fēng)向角下兩種工況在不同高度處的風(fēng)速等值線(xiàn)圖.

對(duì)比可知：1）兩種工況下主樓的正前方風(fēng)速有明顯差異，干擾工況下主樓正前方風(fēng)速小于單體工況下的風(fēng)速，說(shuō)明干擾建筑對(duì)主樓存在一定的“遮擋效應(yīng)”；2）干擾工況下狹縫處的風(fēng)速較單體工況下風(fēng)速小，與普通的并列布置不同，由于施擾建筑（子樓，下同）高度相對(duì)受擾建筑（主樓，下同）并不大，“峽谷效應(yīng)”并不強(qiáng)烈；且由于受擾建筑兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置了干擾建筑，使得受擾建筑兩側(cè)流動(dòng)分離相對(duì)對(duì)稱(chēng)，抵消了一部分“峽谷效應(yīng)”和渦激振動(dòng)[12]；同時(shí)子塔對(duì)主塔存在的“遮擋效應(yīng)”也是狹縫處風(fēng)速減小的原因之一；3）在不同高度處B，C塔對(duì)主塔都存在干擾影響且規(guī)律接近，說(shuō)明干擾塔對(duì)受擾塔的干擾在其高度以上（Z≥150 m）仍然存在，此超高層三塔連體建筑在靜力干擾方面呈現(xiàn)明顯的三維效應(yīng).

兩種工況下建筑周?chē)娘L(fēng)速云圖和流線(xiàn)圖如圖8和圖9所示.由圖可知，LES方法很好地還原了流場(chǎng)分布以及流線(xiàn)的不規(guī)則性和復(fù)雜性，風(fēng)場(chǎng)在建筑物頂部和建筑迎風(fēng)面棱角處發(fā)生流動(dòng)分離，出現(xiàn)加速效應(yīng).氣流在建筑物的側(cè)面和頂部由于發(fā)生流動(dòng)分離出現(xiàn)了漩渦脫落的現(xiàn)象，在背風(fēng)面和側(cè)面形成尾流渦旋以及回流，這些渦旋作用于建筑物背風(fēng)面和側(cè)面，是形成吸力的原因之一.主塔建筑采用了棱角處內(nèi)收的設(shè)計(jì)方案，一定程度上減小了建筑物側(cè)面的流動(dòng)分離現(xiàn)象.

圖10～12給出了0°風(fēng)向角下從Z=150 m高度處的流線(xiàn)尾跡圖和渦量圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：1）單體工況主樓后方的近尾流區(qū)域渦旋扁平，遠(yuǎn)尾流的影響距離也較短；建筑物表面尾流渦旋較多，渦旋尺度更細(xì)碎，導(dǎo)致渦旋強(qiáng)度較大.干擾工況下，施擾建筑的存在導(dǎo)致尾流分布呈現(xiàn)出明顯的三維特征，尾流渦旋較少，再附著現(xiàn)象并不明顯，近尾流區(qū)域的湍流特征將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的減小（圖17，18）；2）子樓的存在導(dǎo)致超高層三塔連體建筑下游區(qū)域產(chǎn)生更長(zhǎng)的尾流渦旋區(qū)，與單體工況形成的尾流差異很大，不能忽視子樓對(duì)周邊建筑造成的影響.

180°風(fēng)向角下Z=150 m高度處X-Y平面流線(xiàn)尾跡圖和渦量圖如圖13，14所示，由圖可知：1）在建筑物兩側(cè)產(chǎn)生明顯的流動(dòng)分離，在分離泡形成離散的渦旋，并脫落到建筑下方的尾流.同時(shí)上游建筑尾流邊界受到施擾建筑干擾，導(dǎo)致漩渦中存在較大的逆壓梯度，在氣流分離處會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓影響；2）180°風(fēng)向角下，子樓的存在對(duì)主樓的來(lái)流湍流不大，而特征湍流差異明顯，導(dǎo)致主樓周?chē)L(fēng)速、渦量及風(fēng)壓的增大.

3.3 風(fēng)壓分布特性

圖15給出了0°風(fēng)向角下主樓正迎風(fēng)面部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線(xiàn)，其中C63，C48和C33測(cè)點(diǎn)分別位于正迎風(fēng)面100，160和220 m高度處中點(diǎn)位置.由圖可知：1）干擾工況下主樓受到明顯的遮擋效應(yīng)影響，測(cè)點(diǎn)所受風(fēng)壓較單體工況?。?）在施擾建筑高度（Z=150）以下，遮擋效應(yīng)較為明顯，兩種工況主樓風(fēng)壓系數(shù)相差較大；施擾建筑高度處，仍有明顯的干擾且會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)壓脈動(dòng)；主體結(jié)構(gòu)在施擾建筑高度以上，受上升氣流的影響（圖10）遮擋效應(yīng)明顯減弱.

180°風(fēng)向角下主樓部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程曲線(xiàn)如圖16所示，其中A48和C48點(diǎn)分別位于迎風(fēng)面和背風(fēng)面160 m高度處中點(diǎn)位置.分析可知：1）當(dāng)施擾建筑處于受擾建筑的下游時(shí)，施擾建筑對(duì)于風(fēng)壓系數(shù)均值和根方差仍有不可忽略的影響，原因是上游建筑尾流邊界受到施擾建筑干擾（圖12）[13]；2）下游施擾建筑物對(duì)上游高層建筑會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓放大的干擾影響.

圖17，圖18分別給出了0°風(fēng)向角下表面平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓分布.由圖可知：1）兩種工況下建筑物表面的平均風(fēng)壓分布規(guī)律比較一致，子塔的存在對(duì)主樓平均風(fēng)壓起到有利的“遮擋作用”；2）對(duì)比單體和干擾工況下正迎風(fēng)面的脈動(dòng)風(fēng)壓，在100～220 m高度范圍內(nèi)，干擾工況由于子塔的尾流影響導(dǎo)致主樓的脈動(dòng)風(fēng)壓明顯大于單體工況；3）由于建筑物屋頂采用階梯型造型和裙樓的影響使得塔樓頂部和下部存在劇烈的流動(dòng)分離和頻繁的漩渦脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致此處脈動(dòng)風(fēng)壓較大，需引起重視；4）來(lái)流風(fēng)在建筑物的兩側(cè)產(chǎn)生較強(qiáng)的流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物角部負(fù)壓明顯且變化較快.

180°風(fēng)向角下超高層三塔連體建筑表面的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓分布如圖19，圖20所示.干擾工況下，主樓表面平均風(fēng)壓大于單體工況；主樓在150 m高度（施擾建筑高度）附近會(huì)產(chǎn)生劇烈的橫風(fēng)向共振效應(yīng)，這種氣動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象是由施擾建筑塔頂處存在的交替變化的回流所致，由此可見(jiàn)即使當(dāng)施擾建筑處于受擾建筑物下游時(shí)仍需重視其對(duì)受擾建筑的風(fēng)壓干擾，尤其在施擾建筑總高度附近.

4 結(jié) 論

1）基于LES方法對(duì)超高層三塔連體建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性.

2）施擾建筑處于受擾建筑上游時(shí)，兩種工況下超高層三塔連體建筑主塔周?chē)L(fēng)場(chǎng)存在較大差別，干擾工況下風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)分離區(qū)域較長(zhǎng)，單體工況下隨機(jī)渦旋較密集，風(fēng)壓脈動(dòng)較大；施擾建筑的存在導(dǎo)致尾流分布呈現(xiàn)出明顯的三維特征.結(jié)果表明此超高層三塔連體建筑的多塔干擾對(duì)主塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)存在有利的“遮擋效應(yīng)”，此時(shí)來(lái)流湍流相比特征湍流起主導(dǎo)作用.

3）施擾建筑處于受擾建筑下游時(shí)，特征湍流的作用明顯，下游建筑對(duì)上游高層建筑會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓放大作用，不能忽視下游建筑造成的“峽谷效應(yīng)”和尾流干擾效應(yīng).

4）由于施擾建筑的存在將導(dǎo)致建筑物下游區(qū)域存在更長(zhǎng)的尾流渦旋區(qū).由此提出在密集大型商業(yè)圈的超高層多塔連體結(jié)構(gòu)旁新建其他超高層建筑時(shí)，在滿(mǎn)足其他技術(shù)條件的情況下仍需考慮超高層多塔連體結(jié)構(gòu)尾流的不利影響，間距不能太小.

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