廈門石獅世茂國際廣場摩天輪風(fēng)荷載分析

王汝軍 潘鈞俊,2 余少樂 方能榕 陳 華 陳 勇

(1.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200120;2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200011)

1 工程概況

石獅市位于福建省東南沿海，泉州市南部，市域三面臨海，西與晉江市接壤，北距泉州市21km，南離廈門97km，是中國休閑服裝名城、著名僑鄉(xiāng)。石獅自古以來商賈云集，依靠海運(yùn)成為海上重要的貿(mào)易港口，是海上絲綢之路的起點(diǎn)，商業(yè)文明發(fā)達(dá)。石獅市作為全國百強(qiáng)縣，擁有大量知名品牌，海外歸僑眾多，經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)，整體消費(fèi)能力高，但城市缺乏公共活動(dòng)空間及高端商業(yè)，消費(fèi)力外流嚴(yán)重。

石獅世茂國際廣場一期項(xiàng)目位于福建省石獅市石金路鈔坑地塊(圖1)。地塊北面靠近南環(huán)路，緊鄰規(guī)劃路，東面為石金路，石金路往北與城市中心連接，西面臨省道，省道與石金路為主要機(jī)動(dòng)車道，西南面及西北面為規(guī)劃路，南面為規(guī)劃中的世茂SOHO及辦公場所，西北面為規(guī)劃中的世茂高端酒店，東面為規(guī)劃建設(shè)中的世茂高端住宅區(qū)，西側(cè)區(qū)域?yàn)槭{市國際服裝城及服裝城客運(yùn)站、物流倉儲(chǔ)中心，石獅服裝城是亞洲最大專業(yè)服裝市場。

圖1 廈門石獅世茂廣場效果圖

福建石獅市觀覽車是直徑88m新一代大型觀覽車(圖2)，主要有前后塔架、主軸、組合式轉(zhuǎn)盤(支撐梁、滾道梁和鋼纜組成)、座艙、驅(qū)動(dòng)裝置、電氣、燈光及控制系統(tǒng)組成，整個(gè)轉(zhuǎn)盤為一類似圓盤狀的結(jié)構(gòu)。該觀覽車安裝于石獅世茂國際廣場一期項(xiàng)目某建筑物樓頂。

圖2 觀覽車結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)荷載是摩天輪結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。該項(xiàng)目周邊屬B類地貌，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.80kN/m2。由圖2可知，該觀覽車結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，且周邊及其底部建筑的干擾不可忽略，規(guī)范中無相似體系的建筑可供參考，結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建筑所受風(fēng)荷載的取值難以把握。

摩天輪結(jié)構(gòu)的構(gòu)件大部分為長細(xì)構(gòu)件，應(yīng)用實(shí)體風(fēng)洞進(jìn)行常規(guī)的實(shí)驗(yàn)，在制作縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，存在制作困難、縮尺模型失真等問題，而數(shù)值風(fēng)洞模擬技術(shù)不存在該類困難，而且可以1∶1模型模擬。鑒于此，對(duì)該觀覽車進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算，為下一步結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)[1-7]。

2 分析內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)確定風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)采用式(1)：

wk=βzμsμzw0

(1)

式中，w0——基本風(fēng)壓取50年重現(xiàn)期0.80kN/m2；

βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可按《荷載規(guī)范》表8.2.1取值。

該項(xiàng)目計(jì)算主要內(nèi)容：通過數(shù)值風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)計(jì)算，獲取觀覽車結(jié)構(gòu)在8個(gè)風(fēng)向下的表面平均風(fēng)壓(μsμzw0)，通過表面積分，獲取結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載合力。

該項(xiàng)目需要考慮周邊建筑影響，因此，分析模型中包含了周邊方圓500m直徑范圍內(nèi)的建筑群。幾何模型如圖3所示。

圖3 觀覽車及其周邊建筑CFD幾何模型

3 數(shù)值風(fēng)洞邊界條件與網(wǎng)格

數(shù)值模擬計(jì)算，基于大型流體計(jì)算軟件Ansys Fluent 16.0平臺(tái)；壓力和速度耦合，采用SIMPLE算法；控制方程，采用分離式方法(Segregated)求解。

該項(xiàng)目數(shù)值風(fēng)洞采用1∶1的全尺寸模型；同時(shí)，通過對(duì)稱邊界條件有效減少數(shù)值的網(wǎng)格數(shù)量。本次數(shù)值風(fēng)洞長3000 m，寬1000 m，高500 m。數(shù)值風(fēng)洞網(wǎng)格模型如圖4所示，其中，主體建筑及地表邊界層網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總計(jì)860萬。

圖4 摩天輪局部放大CFD網(wǎng)格

數(shù)值風(fēng)洞入口定義來流的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。根據(jù)該工程周邊條件，選B類地面粗糙度類別，基本風(fēng)壓取0.80 kN/m2。

按我國荷載規(guī)范，平均風(fēng)速剖面為：10 m以下，平均風(fēng)速為36.15 m/s；10 m至350 m，平均風(fēng)速為36.15x(z/10)0.15m/s；我國規(guī)范對(duì)湍流強(qiáng)度無規(guī)定，該工程參考國外有關(guān)規(guī)定，5 m以下湍流強(qiáng)度為0.23；5 m至350 m湍流強(qiáng)度為0.1x(z/350)-0.2。計(jì)算采用入口風(fēng)剖面自保持技術(shù)，使數(shù)值模擬精度進(jìn)一步提高。采用壓力出口pressure-out。頂面和側(cè)面采用對(duì)稱邊界條件，symmetry。地面和建筑物壁面采用無滑移壁面wall。

4 風(fēng)向規(guī)定

該工程每隔45°計(jì)算一個(gè)風(fēng)向角計(jì)算，共計(jì)8個(gè)風(fēng)向角，如圖5所示。

圖5 風(fēng)向定義

5 觀覽車風(fēng)荷載合力

通過數(shù)值風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)計(jì)算，獲取觀覽車在各風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓，并通過積分獲取觀覽車的風(fēng)荷載合力。

為了后續(xù)結(jié)構(gòu)分析方便，本報(bào)告中約定風(fēng)荷載集中力為觀覽車主軸中心，0度風(fēng)向方向?yàn)閤正方向，90°風(fēng)向方向?yàn)閥正方向，模型豎向向上為z正方向。具體如圖6所示。

圖6 觀覽車模型坐標(biāo)軸約定示意圖

圖7給出了各風(fēng)向角下的觀覽車風(fēng)荷載合力。

(a)

(b)圖7 各風(fēng)向角下的觀覽車風(fēng)荷載合力

從計(jì)算結(jié)果看，由于周邊建筑的干擾作用，對(duì)觀覽車的風(fēng)荷載值產(chǎn)生了明顯影響。在90°風(fēng)向角時(shí)，來流風(fēng)向與觀覽車面內(nèi)垂直，由于周邊建筑的干擾，觀覽車兩側(cè)風(fēng)荷載分布不對(duì)稱，風(fēng)荷載造成的豎向彎矩Mz達(dá)到最大-9569.43kN·m。詳見圖8給出的90°風(fēng)向角下觀覽車及周邊建筑迎風(fēng)向風(fēng)壓分布云圖；圖9給出90°風(fēng)向角下觀覽車迎風(fēng)向風(fēng)壓分布云圖。

圖8 觀覽車及周邊建筑風(fēng)壓分布云圖(90°)/Pa

圖9 觀覽車迎風(fēng)向風(fēng)壓分布云圖(90°)/Pa

由于周邊建筑的干擾影響不同，在90°與270°風(fēng)向角的風(fēng)荷載合力絕對(duì)值也存在較大差異，風(fēng)荷載合力各方向分力[Fx Fy Fz Mx My Mz]在兩個(gè)風(fēng)向下的值，分別為[-282.50， 1673.12，71.42，9697.56，1559.36，-9569.43]與[56.45，-1367.99，107.70，180.18，-2293.78，5246.21]。其中Fy絕對(duì)值差異305kN，差異比例接近20%；Mx絕對(duì)值差異9517kN·m，差異比例接近99%。

6 摩天輪LOGO風(fēng)荷載合力

摩天輪觀覽車在兩側(cè)懸掛“世茂摩天城”字樣LOGO，字體寬20 m，高8.1 m，厚度為1.2 m，風(fēng)荷載效應(yīng)明顯，且LOGO對(duì)于觀覽車的干擾作用也不可忽略。

表1給出了y軸正向LOGO字體的風(fēng)荷載合力值，其中，x向合力最大值在315°風(fēng)向角，為60.2kN；y向合力最大值在270°風(fēng)向角，為-121.0kN；z向合力最大值在315°風(fēng)向角，為14.1kN。

表1 各風(fēng)向角下的單側(cè)LOGO風(fēng)荷載合力 kN

7 結(jié)語

本文應(yīng)用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，對(duì)廈門石獅世茂國際廣場觀覽車的風(fēng)荷載進(jìn)行了模擬，得到了觀覽車的平均風(fēng)荷載值：

(1)分析得到了觀覽車整體平均風(fēng)荷載值以及摩天輪LOGO的獨(dú)立風(fēng)荷載值，可供設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載取值使用。

(2)由于周邊建筑干擾，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布沿觀覽車幾何對(duì)稱面的對(duì)稱性被破壞,觀覽車風(fēng)荷載分布及總荷載隨風(fēng)向變化的分布差異明顯、空間對(duì)稱性變?nèi)酢?/p>

本文的研究分析方法具有一般通用性，可供同類結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究借鑒，分析方法與分析結(jié)果，可作為類似項(xiàng)目參考。