戶外大型三面單立柱廣告牌抗風(fēng)性能氣動(dòng)優(yōu)化

楊文偉, 羅進(jìn)財(cái), 杜亞男

(1. 寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2. 寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021)

大型戶外廣告牌具有獨(dú)特的商業(yè)效果而得以廣泛應(yīng)用,通常設(shè)置在建筑物附近和重要交通要道兩旁,這些地點(diǎn)均為人員經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域,這就要求廣告牌具有較高的安全性.這種戶外大型廣告牌支架一般采用鋼結(jié)構(gòu)形式,其立柱橫截面積較小,上部迎風(fēng)面積較大,頭重腳輕,屬于典型的風(fēng)敏感特種結(jié)構(gòu)[1].

1994年,Letchford等[2-3]最先采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)凈空率、高寬比和孔隙率等不同參數(shù)下的單面廣告牌進(jìn)行了研究,得到了廣告牌面板的阻力系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù).據(jù)此,我國(guó)結(jié)合建筑荷載規(guī)范也給出了《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4].2007年,金新陽(yáng)等[5]通過(guò)CFD數(shù)值模擬研究了雙面和三面獨(dú)立柱廣告牌主結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載,得到最大風(fēng)壓系數(shù)和偏心系數(shù).2009年,Warnitchai等[6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)單面板和雙面板廣告牌進(jìn)行了研究,對(duì)比分析了不同風(fēng)向角對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓系數(shù)和偏心距的影響.2010年,徐洪濤等[7]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了透風(fēng)率分別為29.9%和35.4%的蝶形、平板兩類防風(fēng)網(wǎng)的靜力風(fēng)荷載氣動(dòng)特性參數(shù),結(jié)果表明防風(fēng)網(wǎng)的壓力損失系數(shù)、風(fēng)載體型系數(shù)和阻力系數(shù)相互緊密聯(lián)系,具有一致性,防風(fēng)抑塵效果越好,抗風(fēng)安全性越差.2011年,高超[8]通過(guò)改變網(wǎng)殼圍護(hù)結(jié)構(gòu)形狀而改善其表面靜風(fēng)壓力分布.2014年和2015年，韓志惠和顧明等[9-10]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了三面板和雙面板風(fēng)壓分布規(guī)律,并采用時(shí)程分析法對(duì)其風(fēng)振特性進(jìn)行了研究.2016年,顏衛(wèi)亨等[11]針對(duì)風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)折疊網(wǎng)殼存在抗風(fēng)不利區(qū)域和風(fēng)壓梯度變化較大的力學(xué)行為,設(shè)計(jì)了8 種形狀優(yōu)化方案進(jìn)行分析得到其分區(qū)體型系數(shù)和體型系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,對(duì)比結(jié)構(gòu)初始形態(tài)表面風(fēng)壓,最終得到具有良好抗風(fēng)性能的最優(yōu)方案.2017年,汪大海等[12-13]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了風(fēng)向角對(duì)三面板廣告牌結(jié)構(gòu)的水平和扭轉(zhuǎn)風(fēng)力系數(shù)的影響,同時(shí)研究了風(fēng)向角對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)陣響應(yīng)的影響.

以上研究主要針對(duì)平面板廣告牌風(fēng)荷載風(fēng)壓分布規(guī)律、風(fēng)陣響應(yīng)等特征,也有通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行減風(fēng)壓研究的,但缺乏通過(guò)形狀優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)戶外大型單立柱廣告牌減風(fēng)壓方面的研究.本文選取具有代表性的單立柱三面廣告牌結(jié)構(gòu)G3-6×18作為研究對(duì)象,利用基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法,通過(guò)分別改變廣告牌面板形式為“外弧形”和“內(nèi)弧形”,對(duì)其減風(fēng)壓效果進(jìn)行分析,得到最優(yōu)的單立柱廣告牌形式.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 分析模型設(shè)計(jì)

選取具有代表性的單立柱三面型廣告牌G3-6×18作為原型,板面尺寸為b×c=18 m×6 m,總高度為h=21 m,結(jié)構(gòu)立面圖和平面圖如圖1所示；廣告牌面板的布置與來(lái)流的風(fēng)向角取文獻(xiàn)[9]確定的最不利風(fēng)向角(如圖2所示).單立柱廣告牌立柱部分一般為圓形鋼管柱,可以忽略風(fēng)荷載對(duì)其表面的影響,主要對(duì)上部面板風(fēng)荷載作用效應(yīng)進(jìn)行分析.圖3為單立柱三面廣告牌結(jié)構(gòu)原始模型.本次研究主要針對(duì)面板外凸與內(nèi)凹兩種形式下,不同矢跨比面板形狀的抗風(fēng)特征進(jìn)行優(yōu)化分析.為此,設(shè)計(jì)了表1所示的三種矢跨比(S/L)下的六種不同面板形式進(jìn)行抗風(fēng)性能分析.

圖1 三面單立柱廣告牌結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-sided single-column billboard

圖2 風(fēng)向角示意圖Fig.2 Diagram of wind direction angle

圖3 原始模型Fig.3 Original model

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Fluent 19.2軟件進(jìn)行分析,根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究成果，計(jì)算域尺寸取為15b×8b×10c(b=18 m、c=6 m分別為模型的特征長(zhǎng)度和高度),為此,本文將計(jì)算域尺寸取為450 m×300 m×100 m,廣告牌模型置于流體域沿流方向的1/3處,以滿足流體域阻塞率小于3%的要求,計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖4.

圖4 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置(m) Fig.4 Calculation domain and boundary condition settings(m)

采用Creo5.0機(jī)械建模軟件建立廣告牌的實(shí)體幾何模型,其計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖5所示,使用ICEM CFD專業(yè)流體網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,流體域和結(jié)構(gòu)域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在結(jié)構(gòu)域加密網(wǎng)格數(shù)量,并且在流體域的壁面生成5層邊界層網(wǎng)格,以提高模擬精度,總共約為63萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元,計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖6所示.

圖5 廣告牌計(jì)算模型局部網(wǎng)格

圖6 計(jì)算模型整體網(wǎng)格Fig.6 Global grid of computing model

1.3 湍流模型及邊界條件

計(jì)算采用SSTk-ω湍流模型,即剪切應(yīng)力運(yùn)輸k-ω模型,其控制方程為

該模型綜合了k-ω模型在近壁面計(jì)算的優(yōu)勢(shì)和k-ε模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn).

入口邊界條件：采用UDF速度入口,用對(duì)數(shù)律作為來(lái)流平均風(fēng)速廓線：

(3)

式中：u*=0.68 m/s,為摩阻風(fēng)速；k為卡曼常數(shù),取值為0.41；z0為地表面粗糙長(zhǎng)度,取0.025,將地面速度設(shè)為6 m/s,平均風(fēng)速設(shè)置為20 m/s.

出口邊界條件：自由出流.

壁面邊界條件：無(wú)滑移壁面.

其他邊界條件：對(duì)稱邊界條件,邊界面法向速度矢量為0,任意物理量法向梯度為0.

流場(chǎng)求解方法：SIMPLEC算法.

離散格式采用二階迎風(fēng)格式,每一時(shí)間步迭代20次,時(shí)間步長(zhǎng)為0.001s,收斂條件為動(dòng)量方程和湍流方程的殘差小于1×10-5.

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 數(shù)值風(fēng)洞模擬驗(yàn)證

為了便于對(duì)比分析,將無(wú)量綱的平均風(fēng)壓系數(shù)定義為

(4)

式中：Cpi為i測(cè)點(diǎn)位置上的風(fēng)壓系數(shù)；ωi為i測(cè)點(diǎn)位置上的凈風(fēng)壓力值；v為參考高度處的平均風(fēng)速(本文取廣告牌面板中心高度處,即18 m高度處的平均風(fēng)速)；ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3.以文獻(xiàn)[10]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為參考.

比較CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性.同濟(jì)大學(xué)顧明等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)量三面和雙面兩種單立柱廣告牌模型表面風(fēng)壓,分析得到了面板表面平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在不同風(fēng)向角下分布特性及隨風(fēng)向角的變化規(guī)律,以及面板表面典型測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓得頻域特性.本文以面板1為例(如圖7所示)，通過(guò)對(duì)比CFD模擬和文獻(xiàn)中面板1迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)可見(jiàn)：迎風(fēng)面從下邊緣處向面板中心,平均風(fēng)壓系數(shù)從0.2依次增大到0.95,CFD數(shù)值模擬得到的平均風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)在整體上分布規(guī)律基本一致,數(shù)值也十分接近,重復(fù)性良好.

圖7 面板1迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of wind pressure coefficient on the windward side of panel 1

對(duì)比CFD模擬和文獻(xiàn)中面板1背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)(圖8)可見(jiàn)：文獻(xiàn)中面板邊緣處平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.7～-0.8之間,CFD模擬得到的平均風(fēng)壓系數(shù)在文獻(xiàn)中的測(cè)點(diǎn)位置處為-0.78左右,與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合；CFD模擬的結(jié)果給出了更多測(cè)點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)值,并且可以得到自面板邊緣向面板中心平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大的規(guī)律.

圖8 面板1背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Fig.8 Comparison of wind pressure coefficient on lee side of panel 1

綜上,說(shuō)明采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)大型戶外單立柱廣告牌結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化研究是可靠的.

2.2 初始模型風(fēng)壓分布特性

圖9是三面單立柱廣告牌面板在最不利風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓分布等值線圖.從圖中可以看出：迎風(fēng)面面板1外表面的平均風(fēng)壓均為正值,而面板1的內(nèi)表面,面板2及面板3外表面的平均風(fēng)壓均為負(fù)值,內(nèi)表面平均風(fēng)壓有正有負(fù).正壓區(qū)平均風(fēng)壓呈對(duì)稱分布,面板中部靜壓力較大值為198 Pa左右；面板邊緣處平均風(fēng)壓較小,在100 Pa以下,而面板2與面板3的外表面都為負(fù)值,并且關(guān)于來(lái)流風(fēng)方向?qū)ΨQ分布,都在面板中部靠近迎風(fēng)邊緣處取得最大負(fù)壓值-312 Pa,其內(nèi)表面沿來(lái)流方向由負(fù)值-227 Pa到正值198.8 Pa變化.這主要是由面板1的遮擋效應(yīng)造成的.

圖9 平面廣告牌平均風(fēng)壓分布圖(Pa)

初始模型的速度矢量圖如圖10所示.從圖中可以看出面板1和面板2,面板1和面板3的交界處均產(chǎn)生了高速分離,速度達(dá)到了40 m/s,為來(lái)流速度的二倍,流場(chǎng)線也顯示出了很明顯的繞流現(xiàn)象,流場(chǎng)線十分密集；面板2和面板3出現(xiàn)夾縫風(fēng)速疊加效應(yīng),夾縫處尾流速度也達(dá)到了來(lái)流速度的兩倍,由此,本文建議兩點(diǎn)措施來(lái)改善各面板夾縫處的風(fēng)速疊加效應(yīng)：一是加寬各面板交界處的間距；二是將各面板通過(guò)弧形結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)渡連接.

圖10 初始模型速度矢量圖(m/s)

三個(gè)面板的內(nèi)部速度均為10 m/s，是來(lái)流速度的0.5倍,迎風(fēng)面面板外部速度是10 m/s，為來(lái)流速度0.5倍,面板2和面板3外部的速度為20 m/s，和來(lái)流速度相等.

2.3 外弧形與初始模型廣告牌優(yōu)化對(duì)比

圖11為三種不同矢高工況下外弧形廣告牌的風(fēng)壓分布.與平面廣告牌相比,外弧形廣告牌的迎風(fēng)面風(fēng)壓正值有很大的變化,最大值接近1 000 Pa；邊緣處的最大負(fù)風(fēng)壓大幅度降低,由平面廣告牌最大負(fù)風(fēng)壓-2515 Pa降至-1 000 Pa左右.矢跨比S/L=1/12工況下,最大負(fù)風(fēng)壓值在-1 449.98 Pa,較原始模型最大負(fù)風(fēng)壓減少了42.34%,而矢跨比S/L=1/9和S/L=1/6兩種工況減風(fēng)壓效果更加顯著,最大負(fù)風(fēng)壓均在-1 100 Pa左右,較原始模型最大負(fù)風(fēng)壓減少了56.26%,并且所有的最大負(fù)風(fēng)壓都出現(xiàn)在面板的邊緣處.S/L=1/6工況和S/L=1/9工況相比,矢高增加了500 mm,負(fù)值風(fēng)壓無(wú)明顯變化,但正值風(fēng)壓增大了約100 Pa.因此S/L=1/9對(duì)于面板邊緣及面板交界夾縫處的減風(fēng)壓效果最好.

圖11 外弧形廣告牌平均風(fēng)壓分布圖(Pa)Fig.11 Mean wind pressure distribution of outer arc billboard (Pa)

圖12為3個(gè)外弧模型的速度矢量圖.從圖可以得到：整體上,外弧模型也出現(xiàn)了局部風(fēng)速高速分離和風(fēng)速疊加效應(yīng),但是較原始模型最大風(fēng)速均有所降低.矢跨比S/L=1/12時(shí),面板1和面板2的交界處、面板1和面板3的交界處的風(fēng)速最大值均是30 m/s,相比于原始模型這兩個(gè)位置的風(fēng)速減少了25%,尾流區(qū)的速度大小為40 m/s和初始模型此位置處的風(fēng)速相等,面板1內(nèi)外風(fēng)速均為10 m/s，和原始模型相等,而面板2和面板3內(nèi)外風(fēng)速均為20 m/s,面板內(nèi)部風(fēng)速較原始模型增大了1倍.矢跨比S/L=1/9時(shí),各面板交界處的最大風(fēng)速為25 m/s,比原始模型減少了37.5%,面板1外表面附近風(fēng)速為5 m/s,比原始模型降低了一半,面板2和面板3內(nèi)外表面風(fēng)速均為15 m/s,較原始模型面板外表面20 m/s的風(fēng)速有所降低.矢跨比S/L=1/6時(shí),各面板交界處的最大風(fēng)速分別為30、30、25 m/s,面板1內(nèi)外表面附近風(fēng)速接近于0,面板2和面板3內(nèi)外表面風(fēng)速為15 m/s,比較原始模型均有明顯降低.因此,矢跨比S/L=1/9對(duì)于面板邊緣及面板交界夾縫處的減風(fēng)壓效果最好.

圖12 外弧模型的速度矢量圖(m/s)

2.4 內(nèi)弧形與初始模型廣告牌優(yōu)化對(duì)比

圖13為三種不同矢高工況下內(nèi)弧形廣告牌的風(fēng)壓分布圖.與平面廣告牌相比,內(nèi)弧形廣告牌的迎風(fēng)面風(fēng)壓正值因工況不同增加程度各有不同.矢跨比S/L=1/12工況下,邊緣處的最大負(fù)風(fēng)壓略微降低,由平面廣告牌最大負(fù)風(fēng)壓-2 515 Pa降至-2 108.54 Pa,減風(fēng)壓效果不明顯.矢跨比S/L=1/9工況下,最大正風(fēng)壓在474.88 Pa,最大負(fù)風(fēng)壓達(dá)到了-2 730 Pa,較原始模型最大負(fù)風(fēng)壓稍有增加.矢跨比S/L=1/6工況下最大正風(fēng)壓增至2 192 Pa,最大負(fù)風(fēng)壓達(dá)到-3 938.38 Pa,主要是因?yàn)榇蠡《仍煨褪沟妹姘寰植慨a(chǎn)生風(fēng)速放大效應(yīng).同樣的,最大負(fù)風(fēng)壓出現(xiàn)在面板的邊緣處,因此,內(nèi)凹形矢跨比S/L=1/9工況的造型減風(fēng)壓效果相對(duì)其他兩種內(nèi)凹形面板較好.

圖13 內(nèi)弧形廣告牌平均風(fēng)壓分布圖(Pa)

圖14為3個(gè)內(nèi)凹模型的速度矢量圖.從圖可以看出：整體上,內(nèi)凹模型各面板交界處仍存在風(fēng)場(chǎng)高速分離的現(xiàn)象,相比于初始模型減小風(fēng)速的效果不明顯.矢跨比S/L=1/12工況下,面板1和面板2、面板1和面板3交界處的最高風(fēng)速均為30 m/s,較原始模型有所降低,但是尾流夾縫處最大風(fēng)速和原始模型相等，為40 m/s.矢跨比S/L=1/9工況下,各面板交界處最大風(fēng)速分別為35、35、30 m/s,較原始模型最大風(fēng)速降低了5～10 m/s.矢跨比S/L=1/6工況下,各面板交界處最大風(fēng)速分別為40、40、30 m/s,雖然尾流夾縫處的風(fēng)速降低了10 m/s,但是迎風(fēng)面交界處的風(fēng)場(chǎng)分離現(xiàn)象十分明顯,沒(méi)有減小風(fēng)速的效果.

圖14 內(nèi)弧模型的速度矢量圖(m/s)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同面板形式的單立柱三面廣告牌抗風(fēng)性能分析,得出以下主要結(jié)論：

1) 所有面板邊緣處均出現(xiàn)較大的負(fù)風(fēng)壓,說(shuō)明這些位置來(lái)流分離較為劇烈,而文獻(xiàn)中的風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)只布置在面板的正反面上,往往忽略了面板側(cè)面的負(fù)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)毀破壞的貢獻(xiàn),所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)著重考慮該處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性問(wèn)題.

2) 整體來(lái)看,外凸形模型隨著矢跨比的增加,對(duì)廣告牌面板邊緣及面板交界夾縫處有明顯減風(fēng)壓及減風(fēng)速的效果,但是迎風(fēng)面的風(fēng)壓有先減小后增大的趨勢(shì)；而內(nèi)凹形模型出現(xiàn)了加速效應(yīng),不具有減風(fēng)壓的效果.

3) 外弧形矢跨比為S/L=1/9工況下,最大正風(fēng)壓和最大負(fù)風(fēng)壓值均在1 000 Pa左右,各面板交界處風(fēng)場(chǎng)最大風(fēng)速為25 m/s,相比初始模型及其他工況,結(jié)構(gòu)所受的壓力作用和吸力作用比較均衡；相比于傳統(tǒng)的平面廣告牌,很大程度上減少了結(jié)構(gòu)的極值風(fēng)壓,所以外弧形矢跨比S/L=1/9為最優(yōu)工況.

4) 加寬各面板交界處的間距及將各面板通過(guò)弧形結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)渡連接是單立柱廣告牌減風(fēng)壓構(gòu)造的主要措施.