建筑物對塔機(jī)順風(fēng)向風(fēng)力干擾效應(yīng)研究

林其濤

(中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

塔機(jī)相較于單體狀況下塔機(jī)的風(fēng)力可能會發(fā)生很大變化。塔機(jī)作為桁架結(jié)構(gòu)，它的尺度相對于建筑物尺度非常小，不同風(fēng)向角下，建筑物對塔機(jī)的風(fēng)載荷影響會很大[1]。而關(guān)于塔機(jī)結(jié)構(gòu)干擾效應(yīng)的國內(nèi)外規(guī)范中，也僅僅給出了通過結(jié)構(gòu)充實率和間隔比來計算塔機(jī)局部相同結(jié)構(gòu)0°風(fēng)向角下干擾因子的方法[2-3]。

針對干擾效應(yīng)的研究手段主要分為風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值仿真[4]。李正良等[5]基于高頻動態(tài)天平風(fēng)洞試驗，得到了格構(gòu)式塔架在不同遮擋間距、不同風(fēng)速工況下的橫風(fēng)向、順風(fēng)向、基底彎矩功率譜和扭轉(zhuǎn)向基底力。楊風(fēng)利等[6]設(shè)計了多種輸電塔塔身模型并進(jìn)行風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值仿真，獲得了不同模型背風(fēng)面風(fēng)荷載降低系數(shù)(干擾因子)隨高寬比的變化規(guī)律。Martin等[7]運(yùn)用風(fēng)洞試驗建立了碟形天線對通信塔塔身基底力的干擾因子計算方法。以整體基底力和基底彎矩來定義干擾因子往往比較宏觀，不能進(jìn)一步了解干擾規(guī)律在結(jié)構(gòu)上的分布特征[8]?；谥車ㄖ锶后w不同布置密度，Quan等[9]通過測壓風(fēng)洞試驗研究并分析了低矮房屋屋頂風(fēng)壓分布特征。Yu等[10]和Yan等[11]分別基于測壓試驗得到了方形截面和多邊形截面的高層建筑物迎風(fēng)面、背風(fēng)面和側(cè)面在不同橫向和縱向間距比下干擾因子分布規(guī)律。余文林等[12]基于CFD方法對冷卻塔在不同風(fēng)向角下的干擾效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

研究建筑物對塔機(jī)局部結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷干擾因子，對于更清晰地認(rèn)識干擾機(jī)理和指導(dǎo)塔機(jī)抗風(fēng)設(shè)計具有重要意義。本文通過建立不同風(fēng)向角和不同橫向、縱向間距比下的塔機(jī)和建筑物CFD數(shù)值計算模型，得到了塔機(jī)局部結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力系數(shù)，系統(tǒng)研究了塔機(jī)局部結(jié)構(gòu)在不同建筑物位置和不同風(fēng)向角下的順風(fēng)向風(fēng)力干擾效應(yīng)，得到了塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和起重臂臂節(jié)的干擾因子分布規(guī)律。

2 CFD數(shù)值模擬方法

將塔機(jī)沿高度方向和水平方向進(jìn)行分區(qū)，以不同分區(qū)的風(fēng)載荷特性來表征塔機(jī)局部風(fēng)載荷特征，從而建立塔機(jī)局部結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷特性。共劃分成35個分區(qū)，圖1為塔機(jī)模型分區(qū)圖。

圖1 QTZ125塔機(jī)模型分區(qū)

塔機(jī)總高度為H＝55 m，建筑物簡化為30 m×30 m×40 m的方柱。為滿足塔機(jī)回轉(zhuǎn)、變幅和起升等作業(yè)要求，建立建筑物與塔機(jī)位置。B為塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的寬度，X為塔身中心與建筑物的橫向距離，Y為塔身中心與建筑物的縱向間距。

2.1 計算域與邊界條件

2.1.1 計算域及其網(wǎng)格

計算域設(shè)置為內(nèi)切圓直徑800 m，高度200 m的正十二面棱柱，改變?nèi)肓髅婧统隽髅娴奈恢脤崿F(xiàn)不同的風(fēng)向角，計算域如圖2所示。計算網(wǎng)格采用六面體和四面體混合網(wǎng)格，中間通過金字塔單元過渡連接。在塔機(jī)和建筑物表面生成邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度分別為0.001 8 m和0.002 8 m。本文基于y+值和網(wǎng)格無關(guān)性驗證得到網(wǎng)格總數(shù)量3 500萬左右。

圖2 模型計算域

2.1.2 邊界條件

湍流模型選取Realizable k-ε?；诖髿膺吔鐚犹匦詠矶x入口邊界條件的平均風(fēng)速剖面、湍動能k和耗散率ε，其中以標(biāo)準(zhǔn)B類地貌、10 m高度處的風(fēng)速13.3 m/s來定義風(fēng)速剖面。出口邊界條件為自由出流。塔機(jī)表面、建筑物表面和計算域地面為非滑移壁面，采用非平衡壁面函數(shù)，其余面為對稱面。采用SIMPLE算法對速度壓力耦合方程進(jìn)行求解，離散格式為二階迎風(fēng)格式。

2.2 風(fēng)力系數(shù)定義

圖3為塔機(jī)風(fēng)向角示意圖。根據(jù)坐標(biāo)系，定義塔機(jī)風(fēng)力系數(shù)為:

圖3 塔機(jī)風(fēng)力方向

式中，CD、CL為塔機(jī)沿坐標(biāo)系方向上的風(fēng)力系數(shù)；Fx、Fy為塔機(jī)沿坐標(biāo)系方向承受的風(fēng)載荷；ρ為空氣密度(kg/m3)；Uref為參考高度處的風(fēng)速(m/s)；A為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面面積(m2)。

不同風(fēng)向角下，風(fēng)力系數(shù)均是基于塔機(jī)體軸坐標(biāo)系。為了建立沿著風(fēng)向角下的風(fēng)力系數(shù)，需對坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在風(fēng)軸坐標(biāo)系下，風(fēng)向角為θ時，塔機(jī)順風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)CDθ為:

2.3 干擾效應(yīng)量化

為分析建筑物對塔機(jī)風(fēng)力干擾效應(yīng)程度的大小，采用干擾因子IF來量化。干擾因子定義為:

式中，CDθ，I為有建筑物存在時，塔機(jī)順風(fēng)向平均風(fēng)力系數(shù)；CDθ，P為塔機(jī)單體情況下順風(fēng)向平均風(fēng)力系數(shù)。

當(dāng)IF＝1時，建筑物對塔機(jī)風(fēng)力沒有干擾；當(dāng)｜IF｜＜1時，建筑物遮擋效應(yīng)占主導(dǎo)作用，IF值越小則遮擋效應(yīng)越明顯；當(dāng)｜IF｜＞1時，建筑物對塔機(jī)風(fēng)力表現(xiàn)為放大效應(yīng)，IF值越大則放大效應(yīng)越明顯。其中，當(dāng)出現(xiàn)IF＜0時，說明建筑物的存在使得塔機(jī)順風(fēng)向風(fēng)力方向偏轉(zhuǎn)180°。

3 風(fēng)力干擾研究

為驗證本文數(shù)值計算的可靠性，將計算得到的邊界條件和建筑物迎風(fēng)面風(fēng)壓分布特征分別與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行對比得出，無建筑物遮擋時數(shù)值模擬風(fēng)場的入口及距離塔機(jī)前10 m處的風(fēng)速剖面u/u10(u為某高度處的風(fēng)速，u10為10 m高度處的風(fēng)速)及湍流強(qiáng)度Ⅰ與理論風(fēng)場值保持良好的一致性，且說明風(fēng)場具有較好的自保持性。風(fēng)場中有建筑物遮擋時，在180°風(fēng)向角下建筑物處于塔機(jī)的上游，其迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)CP＝p/(ρu2/2)(p為迎風(fēng)面上的風(fēng)壓)分布特征不受塔機(jī)的影響，建筑物迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)分布特征與規(guī)范較好的吻合。

3.1 建筑物不同位置的影響

建筑物位置是影響干擾效應(yīng)的一個主要原因。在滿足塔機(jī)現(xiàn)場作業(yè)要求的前提下，本文將塔機(jī)沿建筑物縱向和橫向布置，共分為5種位置。對5種位置下的干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究。

3.1.1 塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子分析

塔身由15節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，隨著高度的變化，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的干擾因子呈現(xiàn)多種變化特征。在210°和240°風(fēng)向角下，5種位置下的塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均被建筑物完全遮擋，即干擾因子均接近于0；在300°和330°風(fēng)向角下，由于建筑物的截面是正方形，即干擾因子的表現(xiàn)特征分別類似于60°和30°風(fēng)向角下，所以本文以0°到180°和270°風(fēng)向角來對塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的干擾因子進(jìn)行分析。圖4為不同位置下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度分布情況，其中z/H為塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中心高度與塔機(jī)總高度的比值。

圖4 塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度分布

0°風(fēng)向角下，5種位置下的干擾因子均小于1，遮擋效應(yīng)占主導(dǎo)作用。隨著橫向間距比的縮小，干擾因子逐漸減小。這是因為風(fēng)吹過塔機(jī)，在塔機(jī)上游形成高壓區(qū)，在其下游形成低壓區(qū)。同時，由于塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的空間格構(gòu)形式，風(fēng)經(jīng)塔機(jī)繼續(xù)向下游的建筑物流動，在建筑物迎風(fēng)面前端形成高壓區(qū)。塔機(jī)越靠近建筑物，即其越靠近建筑物迎風(fēng)面前端的高壓區(qū)，從而使得塔機(jī)的壓差阻力越小即風(fēng)力系數(shù)越小，導(dǎo)致干擾因子隨著減小。隨著縱向間距比的縮小，干擾效應(yīng)也逐漸減小。這是因為風(fēng)流經(jīng)建筑物，在其迎風(fēng)面中間位置會形成駐點(diǎn)區(qū)域，在駐點(diǎn)兩側(cè)形成流動方向相反的氣流，并在建筑物拐角處發(fā)生氣動分離，越靠近拐角，氣流速度越大，使得塔機(jī)風(fēng)力系數(shù)增大，進(jìn)而干擾效應(yīng)減小。30°和60°方向角，5種位置下的干擾因子表現(xiàn)出相同的特征。其中，在z＝0.6H附近區(qū)域時，出現(xiàn)風(fēng)力干擾因子增大拐點(diǎn)，建議在此位置處安裝扶墻，增強(qiáng)塔機(jī)的抗風(fēng)性能。

0°、30°和60°風(fēng)向角下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度分布呈現(xiàn)三次函數(shù)變化特征。對其進(jìn)行非線性擬合，表達(dá)式為:

式中，α、b、c、d為擬合參數(shù)；z/H為相對高度。

采用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果與計算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均大于95%，表明塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子與相對高度具有很好的三次函數(shù)關(guān)系。

90°風(fēng)向角下，橫向間距比為X/B＝2.25和X/B＝2.75時，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子隨橫向間距比的增大而變化不明顯，但在橫向間距比為X/B＝3.75時，干擾因子隨橫向間距比的再次增大而明顯變化，說明橫向間距比超過了臨界值，使得干擾因子發(fā)生較大的變化。隨著縱向間距比的增大，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子隨之逐步增大，但當(dāng)塔機(jī)處于建筑物邊沿時，建筑物對塔身的干擾效應(yīng)由遮擋效應(yīng)轉(zhuǎn)變成放大效應(yīng)，這是因為此風(fēng)向角下，來流風(fēng)在建筑物邊沿區(qū)域形成風(fēng)加速區(qū)，使得塔機(jī)承受的風(fēng)載荷大于單體情況下。270°風(fēng)向角下，不同橫向間距比下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度的分布情況與90°風(fēng)向角下保持一致，但是縱向間距比下發(fā)生了較大的變化，這是因為此時塔身處在了建筑物風(fēng)場的更下游，使得縱向間距比的變化對干擾因子的影響較90°風(fēng)向角下的小。

120°風(fēng)向角下，縱向間距比為Y/B＝6.25時，塔機(jī)位于建筑物的邊沿處，氣流在建筑物拐角處分離，形成加速氣流作用在塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，從而使得其干擾因子大于0，而在其他間距比下，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)完全被建筑物遮擋，使得干擾因子近乎為0。同樣，在150°和180°風(fēng)向角下，由于建筑物的遮擋，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的干擾因子也為0。

3.1.2 起重臂臂節(jié)干擾因子分析

圖5為起重臂不同橫向和縱向間距比下的風(fēng)力干擾因子分布。0°、30°和60°風(fēng)向角下，起重臂臂節(jié)干擾因子接近于1，說明橫向間距比和縱向間距比對塔機(jī)起重臂臂節(jié)的干擾效應(yīng)影響較小。這是因為建筑物處于塔機(jī)的下游，且起重臂高于建筑物，從而使得間距比對起重臂的干擾很小。90°風(fēng)向角下，由于起重臂遠(yuǎn)端處于風(fēng)場的下游，受到建筑物的影響使得遠(yuǎn)端處的起重臂臂節(jié)的干擾因子小于1，表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)；而在270°風(fēng)向角下，起重臂遠(yuǎn)端處于風(fēng)場的上游，建筑物干擾很小，因此干擾因子接近于1。在這兩種風(fēng)向角下，起重臂近端均受到建筑物的干擾，干擾因子均大于1，表現(xiàn)為放大效應(yīng)，其中在90°風(fēng)向角下，隨著橫向間距比和縱向間距比的增大，干擾因子增大，在270°風(fēng)向角下，隨著橫向間距比的增大，干擾因子縮小，而隨著縱向間距比的增大，干擾因子增大。

圖5 起重臂臂節(jié)干擾因子分布

3.2 不同風(fēng)向角的影響

建筑物對塔機(jī)風(fēng)力干擾效應(yīng)的研究中，風(fēng)向角也是一個主要影響因素?；谙嗤瑱M向或者縱向間距比，本文對0°到330°共12個風(fēng)向角下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和起重臂臂節(jié)干擾因子進(jìn)行了分析。

圖6為12個風(fēng)向角下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度的分布規(guī)律。從圖中可以看出，橫向間距比X/B＝2.25，X/B＝2.75和X/B＝3.75下，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子均小于1，建筑物表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，其中60°和300°風(fēng)向角下的干擾因子最大，IF值在 0.6 附近波動；120°、150°及對應(yīng)的 210°、240°風(fēng)向角下，由于建筑物的遮擋占主導(dǎo)作用使得干擾因子始終最小，IF值接近于0。風(fēng)向角從0°到60°變化中，塔身干擾因子隨之增大。90°至270°風(fēng)向角下的干擾因子因為建筑物的遮擋效應(yīng)占主導(dǎo)地位使其IF值很小，但是在X/B＝3.75時，因建筑物遮擋效應(yīng)減弱，使得塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子增大。

圖6 12個風(fēng)向角下塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子

風(fēng)向角從0°到60°變化中，隨著縱向間距比的逐漸增大，60°風(fēng)向角下塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子始終最大，但是30°風(fēng)向角下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子在縱向間距比Y/B＝0時大于0°風(fēng)向角下，在Y/B＝3.75時而與0°風(fēng)向角下相同，在Y/B＝6.25時而小于0°風(fēng)向角。在縱向間距比Y/B＝3.75時，60°和300°風(fēng)向角下干擾因子最大，IF值在0.6附近波動。由于建筑物的遮擋，120°至240°風(fēng)向角下的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子沿高度的增加變化不大；在Y/B＝6.25時，最大干擾因子出現(xiàn)在90°風(fēng)向角下，這是最不利的風(fēng)向，應(yīng)當(dāng)引起格外關(guān)注。

圖7為起重臂臂節(jié)干擾因子隨風(fēng)向角的變化圖。從圖中可以看出，在不同的橫向或者縱向間距比下，起重臂臂節(jié)的干擾因子IF值在1附近波動，但是在 90°、120°、150°和 270°風(fēng)向角下的變化尤為突出，表明起重臂臂節(jié)對上述風(fēng)向角比較敏感，其中在120°和150°風(fēng)向角下，起重臂臂節(jié)干擾因子表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，而在90°和270°風(fēng)向角下，近端起重臂臂節(jié)干擾因子始終表現(xiàn)為放大效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。由于建筑物對末端起重臂臂節(jié)的影響逐漸減弱，12個風(fēng)向角下的起重臂臂節(jié)干擾因子波動逐漸減小，IF值逼近于1。

圖7 12個風(fēng)向角下起重臂臂節(jié)干擾因子

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了塔機(jī)與建筑物在不同的橫向和縱向間距比下及不同風(fēng)向角的塔機(jī)風(fēng)力干擾因子分布規(guī)律，得到了如下結(jié)論:

(1)不同的橫向或者縱向間距比及在不同的風(fēng)向角下，建筑物對塔機(jī)的干擾效應(yīng)主要表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)。

(2)0°、30°和 60°風(fēng)向角下，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)風(fēng)力干擾因子隨著橫向間距比和縱向間距的增大而增大，并且干擾因子沿高度的分布規(guī)律符合三次函數(shù)特征；同時在這三種風(fēng)向角下，不同的橫向間距比和縱向間距比對起重臂臂節(jié)干擾因子的影響很小，可以忽略，但是在120°和150°風(fēng)向角下，起重臂臂節(jié)在不同的橫向或者縱向間距比下干擾因子分布規(guī)律符合二次函數(shù)特征，中間段臂節(jié)遮擋效應(yīng)最為明顯，干擾因子接近于0。

(3)不同的橫向間距比下，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)干擾因子在60°或者300°風(fēng)向角下最大且值在0.6附近，但在縱向間距比Y/B＝6.25時，90°風(fēng)向角下的干擾因子最大且大于1，表現(xiàn)為放大效應(yīng)。

(4)在不同的橫向或者縱向間距比下，起重臂臂節(jié)干擾因子IF值在1附近波動，且起重臂臂節(jié)對90°、120°、150°和 270°風(fēng)向角比較敏感。在 120°和150°風(fēng)向角下，起重臂臂節(jié)干擾因子表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，而在90°和270°風(fēng)向角下，近端起重臂臂節(jié)干擾因子始終表現(xiàn)為放大效應(yīng)。