某高層多塔連體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)研究*

楊曉華 張金明 蔡建國 陸 波 李仲毅 葉霄鵬 宋朋曉

(1.中國鐵建投資集團(tuán)有限公司, 廣東珠海 519000; 2.珠海鐵建大廈置業(yè)有限公司, 廣東珠海 519030;3.東南大學(xué)國家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)研究中心, 南京 210096)

0 引 言

近年來,隨著建筑技術(shù)水平的不斷提高,建筑功能及造型等方面的多樣化需求得以滿足。其中,高層連體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑間的連通,加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度,且造型優(yōu)美獨(dú)特,因而其建筑形式得到廣泛應(yīng)用。高層建筑是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載之一[1],而高層多塔連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)又因各塔之間的互相干擾而愈加復(fù)雜[2-3]。針對造型復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)體系,獲得結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)的常用手段為物理風(fēng)洞試驗與數(shù)值風(fēng)洞模擬方法。傳統(tǒng)物理風(fēng)洞試驗測得的建筑表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)理論上都可通過數(shù)值風(fēng)洞模擬方法獲得[4]。由于物理風(fēng)洞試驗成本較高、耗時長,因此在結(jié)構(gòu)方案或初步設(shè)計階段,對高層多塔連體結(jié)構(gòu)開展數(shù)值風(fēng)洞模擬能夠迅速迭代設(shè)計,更為經(jīng)濟(jì)、便捷。另外,物理風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ褪芟抻陲L(fēng)洞尺寸,往往采用較大的縮尺比例,復(fù)雜構(gòu)造處風(fēng)壓的精確測量存在較大難度。因此,采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法開展復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)場環(huán)境模擬已成為風(fēng)荷載評估的可靠手段之一。

毛璐璐等采用CFD方法對不同截面形式的典型超高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同截面建筑表面風(fēng)壓規(guī)律以進(jìn)行抗風(fēng)形體優(yōu)化[5]。Jendzelovsky等結(jié)合風(fēng)洞試驗和CFD方法對三角形高層建筑的外部風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行計算,分析風(fēng)場對異形高層建筑的影響[6]。Xing等利用CFD方法研究三棟高層建筑的群體影響,探究了高層建筑周圍的風(fēng)場流動[7]?，F(xiàn)有的研究成果表明CFD方法具有分析高層復(fù)雜形體的能力,且能夠考慮建筑之間的群體效應(yīng),因此對于造型復(fù)雜的多塔連體結(jié)構(gòu)具有良好的適用性。于麗波等采用了4種不同的湍流模型對超高層三塔連體建筑進(jìn)行了風(fēng)洞數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)不同湍流模型下迎風(fēng)面風(fēng)壓值較為一致,但背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓數(shù)值有稍許波動[8]。閆渤文等基于計算流體動力學(xué)與有限元方法對某高層雙塔建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)問題開展研究[9],結(jié)果表明該數(shù)值模擬方法能夠滿足高層多塔建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計需求。柯世堂等考慮裙房及子樓的干擾作用,針對某超高層三塔連體建筑主樓,基于大渦模擬方法進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬并分析該建筑風(fēng)荷載特征及干擾效應(yīng)[10]。然而現(xiàn)有針對高層多塔連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)場模擬仍有不足,其主要面向的多塔結(jié)構(gòu)的連接體大多布置于中低層,研究結(jié)果難以反映高位連接體對多塔結(jié)構(gòu)整體的風(fēng)壓影響。除此以外,針對高層不規(guī)則多塔連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)的研究也相對較少。

本文的高層多塔連體結(jié)構(gòu)地處廣東珠海,隸屬臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū),易對高層建筑結(jié)構(gòu)造成摧毀性自然災(zāi)害。另外,本工程為外形不規(guī)則結(jié)構(gòu),高位連接體之間存在高差,且連接體與塔樓連接處設(shè)置多層不規(guī)則懸挑結(jié)構(gòu),本工程的風(fēng)場環(huán)境更加復(fù)雜。我國GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)[11]對于此類復(fù)雜的建筑缺乏相應(yīng)的體型系數(shù)規(guī)定,因此對該高層多塔連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理風(fēng)洞試驗,但由于試驗?zāi)Ｐ蜑榭s尺模型,且受限于受壓測點(diǎn)的布置,在高位連接體及不規(guī)則懸挑處無法完全反映細(xì)部的風(fēng)壓系數(shù),也無法反映風(fēng)壓的整體分布。針對本工程特征,本文采用CFD數(shù)值模擬技術(shù),對該高層多塔連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬仿真,研究建筑表面的風(fēng)荷載分布以及建筑群周邊的風(fēng)場特征,比較分析CFD模擬結(jié)果與物理風(fēng)洞試驗結(jié)果,得到建筑物的整體及細(xì)部體型系數(shù)分布情況,為此類高層多塔連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算提供建議。

1 工程概況

本文研究對象為珠海橫琴鐵建廣場項目,該項目由T1～T4四棟高層主塔樓、低層裙房以及塔樓之間的高位連廊組成了高層多塔連體結(jié)構(gòu),建筑模型如圖1所示。其中T1塔樓建筑高度為179.4 m,T2、T3塔樓建筑高度為99.7 m,T4塔樓建筑高度為145.7 m。4棟塔樓在高空通過鋼結(jié)構(gòu)連廊連接,設(shè)置高度為84.4,89.3,94.2 m處。另外,分別在84.40～104.6 m高度處設(shè)置了大跨度懸挑樓面,最大懸挑長度約為13 m。空中高位連廊和懸挑樓面的外形為不規(guī)則曲面,如圖2及圖3所示。

圖1 建筑模型示意Fig.1 The schematic diagram of the building model

圖2 89.30 m標(biāo)高平面示意Fig.2 The plane diagram at an elevation of 89.30 meters

圖3 94.200 m標(biāo)高平面示意Fig.3 The plane diagram at an elevation of 94.20 meters

本工程屬于大底盤高層連體結(jié)構(gòu),各高層之間存在較大高度差異,結(jié)構(gòu)高位處存在多層連廊與不規(guī)則懸挑,結(jié)構(gòu)低層處設(shè)置不規(guī)則裙房結(jié)構(gòu)。此外,項目周邊存在多個干擾建筑,因此風(fēng)場環(huán)境較為復(fù)雜。為了明確本工程建筑表面風(fēng)壓及風(fēng)場特征,本文利用CFD方法對高層多塔連體結(jié)構(gòu)及周圍干擾建筑進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬,以分析其周邊風(fēng)場環(huán)境,探究具有高位連接體的高層多塔連體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布情況,并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行比較。

2 物理風(fēng)洞試驗

該項目在華南理工大學(xué)風(fēng)洞實驗室進(jìn)行了物理風(fēng)洞試驗[12],所用風(fēng)洞是一座閉口單試驗段回流低速風(fēng)洞,試驗段寬5 m、高3 m、長24 m。測壓系統(tǒng)采用美國PSI公司的Initium壓力精密測量系統(tǒng)。試驗?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比為1∶250,如圖4所示。物理風(fēng)洞試驗中以10°為間隔,測試了36個風(fēng)向角下建筑物表面的風(fēng)壓分布。根據(jù)試驗建筑體形和試驗要求,在T1～T4塔樓模型表面布置了795個測壓點(diǎn),在圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置了424個測壓點(diǎn)。用于確定結(jié)構(gòu)剛度校核用荷載的重現(xiàn)期為50 a,基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2。按風(fēng)洞試驗技術(shù)要求,采用ESDU數(shù)學(xué)模型確定塔樓周邊場地類型,并以二元尖塔、擋板及粗糙元進(jìn)行地貌模擬。最終得到了模型表面各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù),并計算出了表面體型系數(shù)以及截面體型系數(shù)。截面體型系數(shù)是根據(jù)整個截面所受風(fēng)荷載的合力定義的。以矩形平面封閉房屋為例,當(dāng)風(fēng)向垂直于墻面時,《規(guī)范》給出的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的體型系數(shù)分別是+0.8和-0.5,則截面體型系數(shù)為1.3。截面體型系數(shù)隨著截面高度和風(fēng)向角的變化而變化,而《規(guī)范》無法反映這一變化,需要利用物理風(fēng)洞試驗和數(shù)值風(fēng)洞模擬來進(jìn)一步求解。

圖4 物理風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ虵ig.4 Models in the physical wind tunnel test

3 數(shù)值風(fēng)洞模擬

3.1 計算模型

本文前處理采用ANSYS ICEM CFD軟件,數(shù)值風(fēng)洞模擬仿真采用FLUENT軟件,后處理采用CFD-POST軟件。

首先確定數(shù)值風(fēng)洞模擬計算域。本工程周圍存在多個已建成的高層建筑,周邊干擾建筑會對多塔連體結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)壓產(chǎn)生一定程度的影響,在建立計算域時應(yīng)考慮計算范圍的大小。為保證流動的充分發(fā)展,又要避免對于計算資源的過度損耗,本次數(shù)值風(fēng)洞模擬仿真計算域根據(jù)DB31/T 922—2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》確定。如圖5所示,計算域水平方向的長和寬在模擬對象各向延伸了4H,垂直方向高度為3H(H為計算域內(nèi)最高建筑的高度,也稱為特征尺寸,本文取200 m)。

圖5 計算域確定原則示意Fig.5 The schematic diagram of computing domain determination principle

其次建立數(shù)值風(fēng)洞模擬幾何模型,如圖6所示。幾何模型的建立遵循規(guī)則處簡化、關(guān)鍵構(gòu)造處細(xì)化的原則,在規(guī)則結(jié)構(gòu)如周邊建筑、塔樓非云層處進(jìn)行簡化處理,對局部非重要性構(gòu)件進(jìn)行簡化;在關(guān)鍵位置處如云層懸挑、高位連廊及裙房處盡可能精確反映建筑外表面的曲面特征,對局部位置進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖6 數(shù)值風(fēng)洞模擬幾何模型Fig.6 Geometric models for numerical wind tunnel simulation

3.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時,對高層多塔連體結(jié)構(gòu)幾何模型表面進(jìn)行了局部加密處理,網(wǎng)格類型采用Tetra/Mixed的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型,整體最大網(wǎng)格尺寸為20 m。主樓最大網(wǎng)格尺寸為2 m,局部加密部位網(wǎng)格尺寸為1 m,周邊建筑最大網(wǎng)格尺寸為5 m。網(wǎng)格單元數(shù)量大約為8 627 000。流域表面及主樓表面網(wǎng)格劃分如圖7與圖8所示。

圖7 流域表面網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing of the watershed surface

圖8 主樓表面網(wǎng)格劃分Fig.8 Meshing of the tower surface

3.3 湍流模型

湍流是一種流動狀態(tài),是時空上混沌且強(qiáng)烈變化、多尺度相互耦合、耗散的三維流體運(yùn)動狀態(tài)。湍流模型的選取是CFD模擬中的關(guān)鍵之一[13]。對于建筑物風(fēng)場的模擬,一般常用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、RNGk-ω模型、SSTk-ω模型以及大渦模型。綜合考慮模擬精度、節(jié)省計算資源,本文采用SSTk-ω模型作為湍流模型進(jìn)行計算[14]。

SSTk-ω模型主要包含兩個方程[15-16],其中關(guān)于湍動能k(m2·s-2)和湍流耗散率ω(s-1)的計算式分別如下:

(1a)

(1b)

其中σω,2=1/0.850 34,μk=μ+μt/σk

μω=μ+μt/σω

式中:ρ為空氣密度;U為入射自由流氣流;β*和β為湍流模型常數(shù);Pω為湍流耗散率ω的產(chǎn)生速率;F1為被限制變化的函數(shù),在壁面上為1,在壁面邊界層外為0;μt為是修正的湍流黏度;σk和σω為模型的擴(kuò)散常數(shù)。另外,有:

(2a)

(2b)

式中:Sij為變形分量的平均速率,s-1;δij為Kronecker delta函數(shù)。

3.4 邊界條件

選擇SIMPLE求解器算法對計算模型進(jìn)行求解。對于邊界條件,最重要的就是入口邊界條件。根據(jù)風(fēng)洞實驗技術(shù)要求,采用ESDU數(shù)學(xué)模型確定的該工程項目塔樓周邊場地類型既有B類地貌又有C類地貌,在編輯風(fēng)剖面時應(yīng)分別考慮。入口邊界條件利用UDF編譯輸入梯度風(fēng)速分布,風(fēng)速分布采用指數(shù)表達(dá)式為:

v(z)/vref=(z/zref)α

(3)

式中:z為所求點(diǎn)離基底的距離;zref為參考高度,取10 m;vref為參考高度處的風(fēng)速,按基本風(fēng)壓0.85 kN/m2計算得到;α根據(jù)不同的地貌分別取值。出口邊界條件認(rèn)為是湍流完全發(fā)展,流場變量散度為零,所以采用自由出口邊界條件。計算域的其余邊界條件采用對稱邊界條件。模型中的建筑表面及地面采用無滑移壁面條件。

3.5 風(fēng)向角工況

針對本工程高位多塔連體結(jié)構(gòu)以及周邊建筑的分布不對稱性,進(jìn)行多風(fēng)向角下的數(shù)值風(fēng)洞模擬分析。為充分對比數(shù)值風(fēng)洞模擬數(shù)據(jù)與物理風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)[12],風(fēng)向角以10°為間隔,共選擇36個風(fēng)向工況進(jìn)行分析。風(fēng)向角分析工況定義如圖9所示,其中編號①～④代表高位多塔連體結(jié)構(gòu)的4個立面編號。

圖9 數(shù)值風(fēng)洞模擬風(fēng)向角示意Fig.9 Wind directions angles of numerical wind tunnel simulation

4 計算結(jié)果分析

選取0°、180°、210°、270°幾個較為典型的風(fēng)向角工況進(jìn)行分析。0°和270°風(fēng)向角下分別對應(yīng)主樓①號和④號立面被風(fēng)直吹的情況,周邊建筑對于主樓的影響較小,結(jié)果較為直觀,方便進(jìn)行對比;180°風(fēng)向角下對應(yīng)建筑物③號立面被風(fēng)直吹的情況,周邊建筑對其有明顯遮擋;210°風(fēng)向角下對應(yīng)建筑物被斜吹的工況。這4種風(fēng)向角工況能夠反映本工程高層多塔連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)場特征。

4.1 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)荷載體型系數(shù)的計算公式為:

(4a)

(4b)

式中:Cpi為i點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù);pi為建筑表面i點(diǎn)的絕對壓力;μsi為i點(diǎn)的風(fēng)荷載體型系數(shù);μs為總體風(fēng)荷載體型系數(shù),選擇合適的方向即可依此計算截面體型系數(shù);Ai為i點(diǎn)對應(yīng)的面積,常取投影面積;A為相應(yīng)面的投影面積。

4.2 0°風(fēng)向角模擬結(jié)果分析

0°風(fēng)向角下周邊建筑對于主樓的影響較小,主要為4棟主樓之間的相互干擾,4個立面的體型系數(shù)計算結(jié)果如圖10所示。結(jié)果顯示,在0°風(fēng)向角下,迎風(fēng)面的體型系數(shù)大部分為正值,其余三個面的體型系數(shù)大多為負(fù)值。對于①號立面,其為迎風(fēng)面,T1樓前并無其他樓體遮擋,體型系數(shù)的分布為中間大、兩邊小,T2樓受到T1樓的影響,體型系數(shù)分布略有變化,但是大體分布與T1樓一致,體型系數(shù)極值為+1.27,大于《規(guī)范》所規(guī)定的+0.80,但是平均體型系數(shù)小于《規(guī)范》規(guī)定值;③號立面為背風(fēng)面,體型系數(shù)均為負(fù)值,其分布較為平均,極值為-0.80,大于《規(guī)范》所規(guī)定的-0.60,但是大部分區(qū)域值均小于《規(guī)范》值;②號和④號立面的體型系數(shù)分布均為大面積區(qū)域負(fù)值,沿高度和寬度方向均沒有明顯規(guī)律,其體型系數(shù)極值為+0.50和-1.46,其中T1樓高處的體型系數(shù)較大。若進(jìn)行截面體型系數(shù)的計算,數(shù)值風(fēng)洞模擬時各高度處的截面體型系數(shù)均小于《規(guī)范》規(guī)定值,且除T1樓的順風(fēng)向截面體型系數(shù)外,均與物理風(fēng)洞試驗結(jié)果相差不大。0°風(fēng)向角下主樓各高度處數(shù)值風(fēng)洞模擬與物理風(fēng)洞試驗截面體型系數(shù)對比如表1所示。

a—①號立面; b—③號立面; c—②號立面; d—④號立面。圖10 0°風(fēng)向角立面體型系數(shù)Fig.10 Shape coefficients of facades at 0° wind direction angle

表1 0°風(fēng)向角下各樓各高度下風(fēng)荷載截面體型系數(shù)計算對比Table 1 Comparisons of shape coefficients of tower sections at different heights and 0° wind direction angle under wind load

4.3 180°風(fēng)向角模擬結(jié)果分析

180°風(fēng)向角下主樓被周邊建筑明顯遮擋,4個立面的體型系數(shù)計算結(jié)果如圖11所示。對于迎風(fēng)面③號立面,建筑物上部體型系數(shù)為正值,分布呈現(xiàn)出兩邊大、中間小,而下部由于周邊建筑的遮擋,體型系數(shù)主要為負(fù)值。①號、②號和④號立面為背風(fēng)面及側(cè)面,體型系數(shù)均呈現(xiàn)大面積負(fù)值。但是①號立面下部體型系數(shù)絕對值比上部的體型系數(shù)絕對值大,這是因為對于高層建筑來說,其背風(fēng)面會形成一個尺度較大的旋渦,導(dǎo)致建筑物頂部和底部風(fēng)速較大且相近,中間位置風(fēng)速較小,考慮到體型系數(shù)的計算與建筑物高度呈負(fù)相關(guān),所以下部的體型系數(shù)絕對值較大。該情況在0°風(fēng)向角下的③號立面也有所體現(xiàn),在進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計時應(yīng)予以考慮。4個主要立面的平均體型系數(shù)均小于《規(guī)范》規(guī)定值。180°風(fēng)向角下各高度處數(shù)值風(fēng)洞模擬與物理風(fēng)洞試驗截面體型系數(shù)對比見表2,和0°風(fēng)向角體型系數(shù)規(guī)律類似,二者的順風(fēng)向截面體型系數(shù)略有差別,但均小于《規(guī)范》值。

a—①號立面; b—③號立面; c—②號立面; d—④號立面。圖11 180°風(fēng)向角立面體型系數(shù)Fig.11 Shape coefficients of facades at 0° wind direction angle

4.4 210°風(fēng)向角模擬結(jié)果分析

210°風(fēng)向角下主樓建筑幾乎沒有被遮擋,但是氣流方向和建筑物正向呈一定角度。4個立面的體型系數(shù)計算結(jié)果如圖12所示。210°風(fēng)向角下,迎風(fēng)面為③號及④號立面,大部分區(qū)域體型系數(shù)為正值,其中體型系數(shù)極值在建筑物邊緣處,這點(diǎn)在T4樓尤為明顯,這說明氣流遇到直角后產(chǎn)生了分流,在兩個面均產(chǎn)生了較強(qiáng)的風(fēng)壓。此外,裙房迎風(fēng)面處也形成了較大的體型系數(shù),主要是由于主樓附近的氣流撞擊建筑物后下沉,與裙房附近氣流合為一處所致。①號與②號立面為背風(fēng)面,產(chǎn)生大面積體型系數(shù)負(fù)值,分布無明顯規(guī)律。210°風(fēng)向角下各高度處數(shù)值風(fēng)洞模擬與物理風(fēng)洞試驗截面體型系數(shù)對比見表3,和前述風(fēng)向角工況類似,順風(fēng)向截面體型系數(shù)數(shù)值存在差異,其余情況下差別較小,但該工況下部分高度處的數(shù)值風(fēng)洞模擬值與物理風(fēng)洞試驗結(jié)果大于《規(guī)范》規(guī)定值,主要位置在臨近裙房或高位連廊、懸挑處。可見這些位置處的建筑物不規(guī)則外形使得氣流發(fā)生碰撞、繞流等現(xiàn)象,造成局部體型系數(shù)增大的現(xiàn)象,不過從整體上來看,這種影響較為有限。

表2 180°風(fēng)向角下各樓各高度下風(fēng)荷載截面體型系數(shù)計算對比Table 2 Comparisons of shape coefficients of tower sections at different heights and 180° wind direction angle under wind load

a—①號立面; b—③號立面; c— ②號立面; d—④號立面。圖12 210°風(fēng)向角立面體型系數(shù)Fig.12 Shape coefficients of facadesat 210° wind direction angle

4.5 270°風(fēng)向角模擬結(jié)果分析

270°風(fēng)向角下主樓幾乎沒有被遮擋,風(fēng)向與④號立面垂直。體型系數(shù)計算結(jié)果如圖13所示,不同高度處數(shù)值風(fēng)洞模擬與物理風(fēng)洞試驗截面體型系數(shù)對比見表4。對于④號立面,物理風(fēng)洞試驗部分測點(diǎn)的體型系數(shù)達(dá)到-1.4,與《規(guī)范》的規(guī)定值+0.8有較大差異。相比較而言,數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果較為平均且與《規(guī)范》值更為接近,主樓上部結(jié)構(gòu)最大值為+0.96。對于②號立面,風(fēng)荷載體型系數(shù)的值較為平均且均為負(fù)值,其中物理風(fēng)洞試驗部分測點(diǎn)達(dá)到-2.0,與《規(guī)范》值-0.6差異較大,而數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果值在-0.7左右。對于①號和③號立面,風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布規(guī)律不太明顯,主要為負(fù)值,其中物理風(fēng)洞試驗結(jié)果與《規(guī)范》值-0.7相比相差較大,而數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果與《規(guī)范》值較為接近。若進(jìn)行截面體型系數(shù)計算,則《規(guī)范》值最大,且總體上看數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果相對較小,說明《規(guī)范》對于風(fēng)荷載體型系數(shù)的規(guī)定相對保守。此外還可以發(fā)現(xiàn),對于迎風(fēng)面即④號立面,其體型系數(shù)分布非常均勻,除上文解釋過的裙房位置較大外,其余部分體型系數(shù)的分布與高度變化關(guān)系不大。

表3 210°風(fēng)向角下各樓各高度下風(fēng)荷載截面體型系數(shù)計算對比Table 3 Comparisons of shape coefficients of tower sections at different heights and 210° wind direction angle under wind load

4.6 局部體型系數(shù)模擬結(jié)果分析

除了高層多塔連體結(jié)構(gòu)規(guī)則表面的體型系數(shù)分布外,細(xì)部構(gòu)造的體型系數(shù)也是抗風(fēng)設(shè)計的重要參考,對高位連廊以及相連塔樓的懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行體型系數(shù)分析,其中0°、90°、180°與270°風(fēng)向角工況下高位連廊與懸挑結(jié)構(gòu)體型系數(shù)如圖14所示?？梢?細(xì)部構(gòu)造的形狀對風(fēng)荷載體型系數(shù)有較大影響,對于直吹風(fēng)向,凹截面的體型系數(shù)大于凸截面的體型系數(shù),說明風(fēng)在凹截面處產(chǎn)生了一些撞擊和合流,增加了局部風(fēng)壓,部分立面的體形系數(shù)值達(dá)到1.3。主樓連廊造型使結(jié)構(gòu)局部存在大量的凹截面,造成連廊表面也存在較大的體型系數(shù),如圖14b與圖14d所示,在設(shè)計建造時應(yīng)當(dāng)尤為注意,避免建筑物使用過程中出現(xiàn)主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的情況。

a—①號立面; b—③號立面; c—②號立面; d—④號立面。圖13 270°風(fēng)向角立面體型系數(shù)Fig.13 Shape coefficients of facades at 270° wind direction angle

表4 270°風(fēng)向角下各樓各高度下風(fēng)荷載截面體型系數(shù)計算對比Table 4 Comparisons of shape coefficients of tower sections at different heights and 270° wind direction angle under wind load

a—0°風(fēng)向角; b—90°風(fēng)向角; c—180°風(fēng)向角; d—270°風(fēng)向角。圖14 高位連廊及懸挑結(jié)構(gòu)體型系數(shù)Fig.14 Shape coefficients of the high-altitudecorridor and cantilever structures

5 結(jié) 論

本文以珠海某高層多塔連體結(jié)構(gòu)為例,分析了主樓結(jié)構(gòu)表面及局部構(gòu)造處風(fēng)壓特征與體型系數(shù)在不同風(fēng)向角下的分布,并將CFD方法結(jié)果、物理風(fēng)洞試驗結(jié)果與《規(guī)范》值進(jìn)行比較。具體結(jié)論如下:

1)多塔連體結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的體型系數(shù)主要為正值,呈現(xiàn)出中間大、兩邊小的分布形式,縱向分布無明顯規(guī)律且與高度變化關(guān)系不大。背風(fēng)面及側(cè)面體型系數(shù)多為負(fù)值,變化區(qū)間不大,較為均勻。在無周邊建筑遮擋時,多塔樓之間互相干擾作用顯著。

2)多塔連體結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面可能存在下部裙房體型系數(shù)絕對值較大的情況。迎風(fēng)面由于上部氣流撞擊建筑物后下沉與下部氣流合流,而背風(fēng)面則形成一個尺度較大的旋渦,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部位置風(fēng)速較大。斜向氣流在直角處易產(chǎn)生分流,在相鄰表面形成較大風(fēng)壓。

3)大多情況下體型系數(shù)的數(shù)值解和試驗結(jié)果均小于《規(guī)范》值,即《規(guī)范》相對保守。相比于試驗結(jié)果,除裙房和臨近高位連廊的局部位置,數(shù)值風(fēng)洞模擬的結(jié)果與《規(guī)范》值更為接近。風(fēng)直吹的情況下,數(shù)值風(fēng)洞模擬和物理風(fēng)洞試驗結(jié)果存在一定差異,數(shù)值風(fēng)洞模擬的結(jié)果更為均勻。

4)對于高位連接體以及相連塔樓的懸挑結(jié)構(gòu),不規(guī)則形狀對風(fēng)荷載體型系數(shù)有較大影響。在凹面處會產(chǎn)生較大的體型系數(shù),且其數(shù)值一般比矩形截面更大。但從整體結(jié)構(gòu)出發(fā),高位連接體與懸挑結(jié)構(gòu)局部體型系數(shù)的分布并未發(fā)生明顯的突變,對整體表面風(fēng)壓影響有限。