考慮地形影響的高層建筑風(fēng)荷載特性

周 優(yōu) 文

(重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400712)

0 引言

地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性具有顯著影響，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]對(duì)風(fēng)荷載給出了地形的修正系數(shù)。國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)于地形影響下的風(fēng)場(chǎng)或風(fēng)荷載進(jìn)行了研究，如JACKSON等[2,3]研究了山丘地形對(duì)于邊界層風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)的影響。李正良等[4-7]通過(guò)一系列試驗(yàn)及數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了山地風(fēng)場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)山地地形對(duì)于平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)均存在顯著的加速效應(yīng)。

本文通過(guò)數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了某臨江超高層建筑群的風(fēng)荷載特性，通過(guò)與平地工況進(jìn)行對(duì)比，分析了地形對(duì)于建筑風(fēng)荷載的影響，可為相關(guān)工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 數(shù)值模擬概況

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

建筑模型及地形條件如圖1所示，該建筑位于江邊，為3棟塔樓組成的建筑群體，受江面來(lái)流影響較大，數(shù)值模擬為考慮地形對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響，分別研究了平地與臨江地形下的建筑風(fēng)荷載特性。

數(shù)值模擬計(jì)算域尺寸為2 520 m×1 000 m×450 m(長(zhǎng)寬高)。建筑物位于計(jì)算流域沿風(fēng)流向的前1/3處，流域?qū)挾却笥?B～8B(B為目標(biāo)建筑物寬度)，流域高度約為2H，建筑物群整體阻塞率小于5%，滿足阻塞率要求。以目標(biāo)建筑物所在區(qū)域?yàn)橹行?，中心區(qū)域處采用精細(xì)化網(wǎng)格劃分，復(fù)雜建筑物表面采用三角形和四面體混合的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，遠(yuǎn)離中心的各區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，從而同時(shí)滿足計(jì)算精度和收斂性。數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.2 邊界條件及求解方法

計(jì)算模型需要設(shè)定流域入流和流域出口兩處邊界條件以及流場(chǎng)側(cè)面。計(jì)算流域入流處采用FLUENT中的速度進(jìn)口邊界條件(Velocity-Inlet)。其中各參數(shù)計(jì)算如下：

大氣邊界層風(fēng)速剖面：

(1)

湍流度剖面：

(2)

湍流參數(shù)：

(3)

(4)

其中，Cμ=0.09；l=0.07L為湍流積分尺度；L為建筑物的特征尺寸；K和ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗率。按上述公式可得風(fēng)剖面和湍流度如圖3所示。

流域出口：出口采用完全發(fā)展出流邊界條件(Outflow)。

流域頂部及兩側(cè)：計(jì)算流域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件(Symmetry)。

建筑物表面和地面：采用無(wú)滑移的壁面條件(Wall)。

2 結(jié)果及討論

2.1 流場(chǎng)特性

為考察臨江地形下的建筑周圍流場(chǎng)特性，分別給出速度云圖和矢量場(chǎng)，如圖4,圖5所示。

由圖4，圖5可以看出，江面附近的氣流在越過(guò)江堤后，在堤岸近地面產(chǎn)生加速，在建筑表面中上部存在一氣流駐點(diǎn)，氣流在撞擊建筑物后，分別沿駐點(diǎn)上下側(cè)流動(dòng)，向建筑上側(cè)流動(dòng)的氣流最終越過(guò)建筑頂部，并在頂部附近產(chǎn)生分離渦，受環(huán)渦結(jié)構(gòu)的影響，建筑頂部附近風(fēng)速較大。在建筑后方，尾流分為兩部分，一為建筑附近尾流，其為靠近建筑背后的回流區(qū)，受建筑影響較大，氣流較為紊亂；二為建筑遠(yuǎn)后方尾流，其主要受到大氣邊界層風(fēng)的影響，其流動(dòng)隨與建筑物距離的增大而逐漸與邊界層風(fēng)趨同。

2.2 建筑表面風(fēng)壓分布特性

采用無(wú)量綱形式的壓力系數(shù)表示結(jié)構(gòu)風(fēng)壓值，壓力系數(shù)定義為：

(5)

其中，pi為測(cè)點(diǎn)平均壓力;Pref為參考點(diǎn)靜壓，參考點(diǎn)取建筑物高度處遠(yuǎn)前方點(diǎn)；ρ為空氣密度，取為1.225 kg/m3；Vref為參考點(diǎn)處的平均風(fēng)速。這里取450 m高度處風(fēng)速為43.1 m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)壓1.16 kPa。

如圖6所示為平地地形下的建筑表面風(fēng)壓系數(shù)分布云圖，從圖中可以看出，迎風(fēng)面最大風(fēng)壓系數(shù)為0.6，其出現(xiàn)在塔樓迎風(fēng)面的中上部，在0.8H位置附近。2號(hào)樓受到1號(hào)樓的遮擋，被遮擋區(qū)域風(fēng)壓較小。背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)整體為-0.6左右，其中，1號(hào)樓背面由于受到下風(fēng)向2號(hào)樓的影響，負(fù)風(fēng)壓很小。圖7給出了臨江地形下的建筑表面風(fēng)壓系數(shù)分布，從圖中可以看出，考慮地形影響后，迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)極值有所增大，其最大風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到0.8左右，離江堤較遠(yuǎn)的3號(hào)樓受地形影響較小，其風(fēng)壓分布與平地地形差別較小。2號(hào)樓的背風(fēng)面負(fù)壓相對(duì)較大，1號(hào)樓背風(fēng)面受2號(hào)樓影響，致使負(fù)壓較小?？紤]地形影響后，1號(hào)樓和2號(hào)樓頂面負(fù)壓較大，最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到-1.0左右。

2.3 地形對(duì)體型系數(shù)的影響

將建筑按5 m間隔進(jìn)行分段，根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)分布可分別求出每段的體型系數(shù)，而后對(duì)比考慮臨江地形與平地地形下建筑的層體型系數(shù)，影響系數(shù)為臨江地形的層體型系數(shù)與平地地形層體型系數(shù)之比，X和Y分別表示順江面來(lái)流方向與垂直江面來(lái)流方向。由于塔樓高度不同，限于篇幅，對(duì)每棟塔樓僅給出頂部附近4層和底部4層的影響系數(shù)，見表1。

表1 體型系數(shù)的影響系數(shù)

從表1中可以看出，考慮臨江地形后，與江堤距離較近的1號(hào)樓受地形影響較大。2號(hào)樓由于受到1號(hào)樓的遮擋作用，在1號(hào)樓高度以下部分的體型系數(shù)較小，高出1號(hào)樓的上部樓層體型系數(shù)則有明顯增大。3號(hào)樓距離江堤較遠(yuǎn)，受江面來(lái)流影響較小。

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬研究了考慮臨江地形與平地地形下某塔樓群體建筑的風(fēng)荷載特性，主要結(jié)論如下：

1)考慮臨江地形后，江面來(lái)流在越過(guò)江堤后其風(fēng)速有所增加，進(jìn)而影響到臨江建筑表面的風(fēng)荷載分布。

2)距離江堤較近的1號(hào)樓表面風(fēng)壓分布受地形影響較大，離江堤較遠(yuǎn)的3號(hào)樓表面風(fēng)壓分布受地形影響相對(duì)較小。

3)建筑層體型系數(shù)在考慮地形后有所增大，其中增大最為明顯的位置為靠近江堤的1號(hào)樓中下部。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮地形的不利影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

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

[2] JACKSON P S, HUNT J C R.Turbulent wind flow over a low hill[J].Q. J. Roy.Meteorol.Soc.,1975(101):929-955.

[3] JACKSON P S.The influence of local terrain features on the site selection for wind energy generating systems[R].Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory Internal Report, University of Western Ontario,BLWT-1-1979.

[4] 李正良，徐姝亞，肖正直，等.山地風(fēng)速地形修正系數(shù)沿山坡的詳細(xì)插值分布[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(3):23-31.

[5] 李正良，魏奇科，孫 毅.復(fù)雜山地風(fēng)場(chǎng)幅值特性試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2012(3):184-191.

[6] 孫 毅，李正良，黃漢杰，等.山地風(fēng)場(chǎng)平均及脈動(dòng)風(fēng)速特性試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5):593-599.

[7] 魏奇科，李正良，孫 毅.山地風(fēng)加速效應(yīng)的計(jì)算模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(11):54-58.