考慮風場干擾的喇叭形懸挑鋼結構設計風荷載

王 剛，喬楊鍇，唐明陽

(1.成都高速公路股份有限公司，四川成都 610000；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著城市化建設的快速發(fā)展，城市內(nèi)建筑的風場干擾效應變得日益復雜。大跨度、懸挑鋼結構由于其造型多變，風荷載較為復雜，加之結構較為輕盈，往往屬于風敏感結構，在臨近密集建筑群的干擾影響下，可能容易出現(xiàn)異常風致干擾效應，嚴重時可能影響結構安全性。因此，考慮風場干擾效應進行抗風設計是十分現(xiàn)實和重要的。

自1965年11月英國渡橋電廠發(fā)生冷卻塔倒塌事故[1]以來，風致干擾效應便引起研究人員的高度關注。近些年里，已有研究大都以高層建筑作為研究對象，其中Bailey[2]通過風洞試驗對比分析了兩個高聳建筑之間的動態(tài)干擾效應；Zhang[3]在分析兩建筑之間的干擾效應時考慮了建筑的不同截面外形和相對位置；李正農(nóng)[4]則對比了風場類型及周邊干擾對高層建筑表面風壓的影響。

對低矮建筑，John[5]、Cheng[6-7]等人以TTU模型為基礎研究了低矮建筑群的風場干擾，研究結果顯示，密集低矮建筑群產(chǎn)生的遮擋效應有效降低了屋面風吸力，一定條件下，平均風壓和極值風壓的降低幅度甚至超過80 %。Cheng的研究說明了低矮建筑與高層建筑的風場干擾截然不同，但是Cheng的模型過于規(guī)整，忽略了密集建筑群高低錯落布置的相互影響。余志祥[8]針對看臺干擾下的懸挑鋼結構飄篷的風荷載作了分析，研究了不同風向角下風壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)某些風向角下，由于看臺干擾影響，懸挑結構可能出現(xiàn)與規(guī)范[9]規(guī)則體型不同的正風壓作用，這對懸挑結構受力可能是非常不利的。其他如顧明[10]、沈國輝[11]等人也對體育場飄篷的風場干擾影響進行了研究。

上述研究還表明：隨著計算技術的進步，數(shù)值風洞模擬技術在風荷載研究方面已經(jīng)日趨成熟，成為與風洞試驗并行的研究手段。正如Murakami[12]所說：“使用傳統(tǒng)的方法，在時空上明確求解人居環(huán)境中的三維流場和溫度場幾乎是不可能的”。

據(jù)此，本文擬采用非線性k-ε-EARSM湍流模型，結合準穩(wěn)態(tài)時步逼近求解技術[13]，考慮臨近建筑物風場干擾影響，開展了24組風向角下的數(shù)值風洞模擬，研究了風場干擾下的喇叭形懸挑鋼結構設計風荷載，供鋼結構抗風設計參考。

1 模型建立

1.1 工程概況

該工程為步行商業(yè)街裝飾鋼結構，上部為喇叭形開口，下部近似為圓柱體(圖1)。為便于描述，圖1中分別給出了上部開口的內(nèi)、外表面及下部柱體的A、B側指示。該結構高約27 m，靠前側外懸挑約18 m，采用單層網(wǎng)格薄殼，整體剛度偏小，懸挑段對風荷載較為敏感。該鋼結構前側相對開闊，后側緊鄰商業(yè)建筑，四周50 m范圍外規(guī)劃為密集商業(yè)建筑，風環(huán)境復雜，風場干擾嚴重。結構無封閉空間，內(nèi)外表面均存在風壓(吸)作用。為了給結構抗風設計提高供參考荷載值，考慮周邊臨近建筑的風場干擾，開展了數(shù)值風洞模擬，研究了結構懸挑部分內(nèi)、外側風壓分布以及結構風荷載合力，對工程抗風設計提出了若干建議。

圖1 喇叭形結構示意

1.2 幾何建模及其網(wǎng)格劃分

對喇叭形裝飾結構及其周邊建筑進行整體建模(圖2)，計算流域取為B×H×L=1432×350×2346m3。共考慮24組風向角，風向角間隔15 °(圖3)。

圖2 計算域

圖3 風向角示意

各模型網(wǎng)格總數(shù)約為1.42×106，最小網(wǎng)格尺寸為0.1 m，位于喇叭形裝飾結構表面，周邊建筑表面最大網(wǎng)格尺度為3.5 m，靠近喇叭形結構的部分建筑表面網(wǎng)格尺度為2.5 m，計算流域中最大網(wǎng)格尺度約為69 m，位于流場出口附近，網(wǎng)格劃分見圖4。

1.3 風場模擬控制參數(shù)

大氣邊界層的水平風速由式(1)確定，其中Z為空間高度；Zs為標準高度，取為10 m；α為地面粗糙程度，所在地為B類地貌，α=0.16。

(1)

湍流動能為：

(2)

耗散率為：

(3)

湍流強度為式(4)，其中Zb=5m。

(4)

邊界條件包含有入流邊界、出流邊界、流場側壁、頂部、地面以及建筑表面，入流邊界包括有速度剖面、湍流強度、耗散率以及湍流強度，分別由式(1)～式(4)確定；出流邊界為Outlet，出口處沿流向壓力梯度為0；流場側壁和頂面是光滑壁面(Free slip wall)；地面為No slip wall，考慮0.01 m的地面粗糙度；建筑表面為No slip wall。

(a)建筑整體

(b)喇叭形結構局部網(wǎng)格

計算中采用k-ε-EARSM湍流模型，使用穩(wěn)態(tài)時步逼近算法，對流項為一階迎風格式，計算終止判定條件為場變量殘差低于5×10-6(表1、表2)。

表1 模型邊界條件

表2 計算控制參數(shù)

2 結果分析

2.1 風荷載計算

給出結果為平均壓力系數(shù)，為無量綱量，與體型系數(shù)意義相同，即為建筑表面動壓與來流參考高度(裝飾結構頂部)動壓的比值，即式(5)～式(6)。在結構設計時，取不利風向下的平均壓力系數(shù)，再乘以風壓高度系數(shù)、風振系數(shù)和基本風壓，從而得出風壓標準值，其中風振系數(shù)可先按經(jīng)驗預估，確定結構方案后在依據(jù)公式近似推算。

(5)

(6)

各測點風壓：Wi=βzCpaμzmaxPref

(7)

式中：Pref為參考高度入流風壓；Vref為入流斷面上的參考高度風速，單位m/s；ρ為空氣密度，取值為1.222 5 kg/m3；Pi為屋蓋表面的節(jié)點計算風壓；P為大氣壓；Cpa為模擬節(jié)點風壓系數(shù)，βz為風振系數(shù)，結構初設時，可近似按1.3～1.5考慮。

2.2 結構風壓系數(shù)及干擾分析

計算結果包括有建筑表面的風壓系數(shù)和結構部分及其整體受到的風荷載合力，其中包括兩點基本約定：其一是表面風壓正負號約定，其二是風荷載合力正負號約定。當風壓作用力指向測量表面的為正(壓力)，背離作用表面為負(吸力)，測點最終的凈(合)壓力為外表面和內(nèi)表面壓力之差；合力沿著坐標軸正方向則為正號，否則為負號。

由于計算模型有24個風向角，風向角在0～30 °以及165～195 °之間時，喇叭形裝飾結構處在周邊建筑的尾流區(qū)位置；當風向角在90～135 °和285～345 °之間時，結構在順流方向前后的遮擋物較少。因此受篇幅限制，取四個風向角，分別為30 °、120 °、210 °和300 °。

圖5、圖6分別為四個風向角下結構上部喇叭形開口部分內(nèi)、外表面的風壓系數(shù)。圖7給出了則是下部A側柱體表面的風壓系數(shù)。表3給出了四個風向角下結構局部與整體受到的風荷載合力。

(a)30°

(b )120°

(c)210°

(d)300°

在風向角為30 °時，喇叭形裝飾結構位于其前方建筑的近尾流區(qū)，上部開敞部分內(nèi)外表面風壓均表現(xiàn)為負壓，呈相互抵消趨勢，局部和整體受到的風荷載都較少，但由于結構處在建筑尾流區(qū)，結構附近存在較大旋渦，氣流呈剝離狀態(tài)，湍流現(xiàn)象明顯。風向角為120 °時，來流前方較為開闊，上部結構由于周邊建筑干擾大幅減小，迎風面外側表現(xiàn)為正壓；結構兩側依然存在低矮建筑，風場存在一定程度干擾，上部結構的兩側和背風側內(nèi)外表面均為負壓，且呈現(xiàn)抵消趨勢；而下部柱體受遮擋影響依然處在負壓區(qū)，受風場干擾影響，柱體局部出現(xiàn)一個負壓較大的區(qū)域，風壓系數(shù)達到0.8，從豎向風荷載合力來看，結構處于下壓作用。當風向角為210 °時，結構處于臨近建筑的近尾流區(qū)域，受尾流影響，內(nèi)外表面呈負壓，有相互抵消趨勢；整體風荷載合力相對較小，但建筑處于尾流旋渦，湍流現(xiàn)象比較明顯。風向角為300 °時，結構來流方向的前側開闊，迎風側外表面多表現(xiàn)為正壓，且正壓風壓系數(shù)達到0.8，內(nèi)表面則呈現(xiàn)負壓，結構懸挑部位大部分區(qū)域風壓系數(shù)在2.0左右；同時由于最懸挑部分處于迎風面，升力作用明顯，結構整體受到的豎向升力作用明顯，上部結構所受升力達到350 kN，結構整體升力達到453 kN(表3)。

(a)30°

(b )120°

(c)210°

(d)300°

(a)30°

(b)120°

(c)210°

(d)300°

風向角下部柱體上部開口部分整體結構XYZXYZXYZ30o-9-206-2-121-11-327120o52-5-13444-1596-1-28210o619-1310-10929-11300o85-14103173-15350258-29453

為進一步說明不同風向角下風場干擾對結構受力的影響，取風荷載豎向合力繪制玫瑰圖(圖8)，從圖中可以看出，受結構形態(tài)及周邊建筑遮擋影響，豎向風荷載合力具有明顯的主導風向，其主導風向即為結構的最不利風向角，約為300 °。當風向角在30～210 °范圍內(nèi)，結構處于周邊建筑尾流區(qū)內(nèi)或受建筑影響，風場較為紊亂，且呈現(xiàn)相互抵消趨勢，整體結構受到的升力不大。當風向角為240～360 °時，來流前方較為開闊，兩側建筑遮擋，中間過流斷面急劇減小，致使結構受到的風力作用增強，在設計中需要著重考慮。

(a)下部柱體

(b)上部開口部分

(c)整體結構

3 結論與建議

本文通過計算在不同風向角下喇叭形懸挑鋼結構表面風壓及受力狀態(tài)和周邊流場特征，分析由周邊建筑產(chǎn)生的風場干擾對懸挑鋼結構的影響。本文得出的結論及其相關設計建議如下：

(1)風荷載是喇叭形懸挑鋼裝飾結構表面的主要荷載之一，水平流向產(chǎn)生的風阻力與氣流剝離產(chǎn)生的負壓對結構的氣動影響處于同等量級?？紤]到結構具有輕、高、柔、薄的特征，可能存在明顯的風振作用，建議基于平均風荷載進一步考慮風振影響，位移風振系數(shù)可根據(jù)結構自振特性參照GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》[9]7.4節(jié)進行計算。

(2)鄰近建筑物對喇叭形的風場干擾效應非常明顯，加之喇叭形與相鄰建筑物距離較近，建筑群的鈍體特征總體較為突出，氣流流經(jīng)喇叭形表面時，其尾流較為紊亂，可能難以形成具有周期性質的橫向渦脫。因此，關于結構的橫風向振動，可以依據(jù)經(jīng)驗并結合GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》[9]7.6節(jié)斟酌考慮。