高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的數(shù)值模擬

林 寅

(中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司東莞分公司,廣東 東莞 523112)

隨著計算機科技的發(fā)展，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)成為了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的重要研究手段[1]。采用CFD模擬，可以較為準確地獲得建筑結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載及進行相關(guān)的分析。本文通過采用CFD計算方法，對某建筑在干擾條件下的風(fēng)荷載進行數(shù)值模擬，得到建筑表面各部分的風(fēng)荷載分布模式，并分析其體型系數(shù)的特點，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)，并為相似條件建筑的風(fēng)荷載取值提供有益的參考。

1 工程概況

某商業(yè)建筑由具有筍狀外形的A座三角形塔樓和長寬比達到2.43的B座長方形塔樓組成，如圖1所示。該建筑西北側(cè)毗鄰某商務(wù)綜合體(如圖2所示)，兩者形成的窄長氣流通道將可能產(chǎn)生明顯的氣動干擾效應(yīng)。我國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對氣動干擾效應(yīng)影響下的高層建筑風(fēng)荷載取值缺少較為準確的資料，因此有必要對這類建筑的風(fēng)荷載進行研究，以獲得建筑表面的風(fēng)荷載。

2 風(fēng)荷載的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)工程設(shè)計方案建立數(shù)值模型，并考慮了對模擬結(jié)果可能產(chǎn)生顯著影響的構(gòu)造細節(jié)，見圖3。按阻塞比小于3%的要求，取計算流域的尺度為3 000 m(長度)×2 000 m(寬度)×1 000 m(高度)，建筑模型距離入口約1/3流域長度。采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格進行流域離散，對建筑模型表面的網(wǎng)格進行加密，并采用size function控制網(wǎng)格尺寸由建筑模型表面向外逐步增大。幾何建模和網(wǎng)格劃分在Fluent的前處理軟件Gambit里完成。

2.2 湍流模型和近壁面處理

采用具有較高精度的湍流模型——可實現(xiàn)的k-ε模型(realizable k-ε)來模擬一般計算域的流動，對于模型表面附近區(qū)域，由于流動受壁面影響顯著，不能采用k-ε模型進行計算，需要進行特殊處理，采用非平衡的壁面函數(shù)法來模擬[2]。

2.3 邊界條件及其他參數(shù)選取

流域入口邊界條件選用速度入口(velocity-inlet)，風(fēng)速隨高度的變化服從指數(shù)規(guī)律：

本工程所在地貌類型為B類，地貌粗糙度系數(shù)α=0.16，梯度風(fēng)高度H=350 m，基本風(fēng)速按100年一遇的基本風(fēng)壓進行換算，得到10 m高度處的風(fēng)速為28.28 m/s。

流域的出口邊界條件選用壓力出口(pressure-outlet)；流域的頂面和側(cè)面采用對稱邊界(symmetry)；地面和建筑物表面采用無滑移的壁面邊界條件(wall)。

計算采用三維單精度、基于壓力的分離式求解器，空氣模型選用理想氣體(ideal-gas)，采用精度較高的2階迎風(fēng)格式對流項進行離散，采用SIMPLEC算法來處理速度和壓力的耦合。

2.4 模擬工況

風(fēng)洞試驗時，在0°～360°范圍內(nèi)每隔15°取一個風(fēng)向角，總計有24個風(fēng)向角工況。0°風(fēng)向角定義為從建筑群下部正交于B座塔樓建筑表面方向向上，并按逆時針遞增各工況的風(fēng)向角，如圖4所示。

3 結(jié)果分析及探討

對于A座塔樓，其最大風(fēng)荷載出現(xiàn)在15°風(fēng)向角，如圖5所示。從圖5中可以看出，在迎風(fēng)面，體型系數(shù)由中間向兩翼遞減，正壓體型系數(shù)略大于正常情況下的體型系數(shù)；在背風(fēng)面，左右兩側(cè)的體型系數(shù)絕對值均由下部向上部遞減，在數(shù)值上也略大于正常情況，最大體型系數(shù)絕對值出現(xiàn)在背風(fēng)面兩側(cè)的交匯夾角，可見此處的氣流抽離十分劇烈。其他風(fēng)向角下A座塔樓風(fēng)荷載體型系數(shù)的增大程度略有降低，但分布規(guī)律具有類似的特點?？梢姡捎贏座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數(shù)有別于傳統(tǒng)的矩形截面，加上各塔樓之間的相互氣動干擾作用，A座塔樓的風(fēng)荷載總體上呈現(xiàn)出增大特點，需在設(shè)計中予以考慮。

對于B座塔樓，其最大風(fēng)荷載出現(xiàn)在0°風(fēng)向角附近，如圖6所示。從圖6中可以看出，在迎風(fēng)面，體型系數(shù)在中下部的變化梯度相對較大，上部的體型系數(shù)相對穩(wěn)定；在背風(fēng)面，體型系數(shù)絕對值的較大值出現(xiàn)在中下部，最小值出現(xiàn)在中上部偏左?？傮w上，體型系數(shù)均表現(xiàn)出隨高度增大而減小的趨勢。其中，合力體型系數(shù)在H/Hmax=0.35處接近峰值，且比正常情況下的風(fēng)荷載體型系數(shù)增大超過50%，其他位置的合力體型系數(shù)也均有不同程度的增大，這說明B座塔樓由于各塔樓之間的相互氣動干擾作用，特別B座塔樓西北側(cè)的商務(wù)綜合體形成窄長氣流通道，使得具有規(guī)則矩形外形的B座塔樓的體型系數(shù)也明顯大于規(guī)范所規(guī)定的單體矩形建筑，在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中，需引起足夠的重視。

4 結(jié)語

本文通過采用CFD計算方法，對某建筑在干擾條件下的風(fēng)荷載進行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1)A座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數(shù)有別于傳統(tǒng)的矩形截面，且因各塔樓之間的相互氣動干擾作用，A座塔樓的風(fēng)荷載總體上呈現(xiàn)出增大特點。

2)由于各塔樓之間的相互氣動干擾作用，特別是B座塔樓與毗鄰的西北側(cè)的商務(wù)綜合體形成窄長氣流通道，使得具有規(guī)則矩形外形的B座塔樓的體型系數(shù)也明顯大于規(guī)范所規(guī)定的單體矩形建筑。

3)本文獲得的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)可為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)，并為相似條件建筑的風(fēng)荷載取值提供參考。

[1] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] Fluent Inc.,“FLUENT 6.3 User’s Guide”.Fluent Inc.,2006.

[3] Standard of Japan,“Recommendations for loads on buildings”,Architectural Institute of Japan,Tokyo,1996.