田玉基，楊 娜，楊 陽

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

隨著北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會在中國的成功舉辦，大跨度空間結(jié)構(gòu)場館建筑層出不窮，廣泛應(yīng)用于體育場館、機場車站、會展中心、文化廣場等大型公共建筑中。然而，近年來先后發(fā)生過多起大型屋蓋體系風(fēng)致破壞的嚴(yán)重事故，如北京首都國際機場T3航站樓局部屋面的鐵皮被風(fēng)吹翻、深圳機場候機大廳和湛江某體育館局部屋面被強風(fēng)撕開破壞、河南省體育館罩棚遭九級強風(fēng)破壞等，造成的經(jīng)濟損失對社會的負(fù)面影響很大。這些新建大跨結(jié)構(gòu)的屋面形式新穎，其質(zhì)量小、柔性大的特點給結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，在歷次強風(fēng)作用下屋蓋體系破壞約占建筑物風(fēng)災(zāi)損失的一半以上［1］。大型現(xiàn)代建筑在風(fēng)作用下整體被破壞的例子并不多見，大部分破壞形式為覆面破壞，即屋面板被掀開、撕裂、揭頂以致被風(fēng)吹跑等現(xiàn)象。而覆面破壞最嚴(yán)重的區(qū)域一般位于挑檐、屋檐等周邊區(qū)域或屋脊附近，只有個別情況下出現(xiàn)屋蓋主體結(jié)構(gòu)破壞。此外，特別當(dāng)門窗被強風(fēng)吹開或受損等突變事故時，在建筑物上形成開孔，風(fēng)從開孔突然涌入導(dǎo)致建筑物內(nèi)部脈動風(fēng)壓增大使屋蓋結(jié)構(gòu)受內(nèi)外壓共同作用而更容易遭受風(fēng)致破壞［2－4］。目前，國內(nèi)外對于屋蓋破壞過程中形成開孔后屋蓋的內(nèi)外風(fēng)壓分布影響規(guī)律研究的較少，所以加強屋蓋風(fēng)致破壞機制研究、分析風(fēng)災(zāi)發(fā)生的原因、找出合理的抗風(fēng)措施，對于減輕風(fēng)致災(zāi)害的破壞強度是非常必要的。本文基于CFX11．0軟件平臺，對1個典型大跨度平屋蓋空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究屋蓋在破壞過程中外表面和內(nèi)表面風(fēng)壓的分布和變化規(guī)律。

1 大跨度平屋蓋結(jié)構(gòu)破壞過程數(shù)值模擬

1．1 幾何建模及邊界條件

計算模型為典型大跨度平屋蓋空間結(jié)構(gòu)，跨度80 m，高為20 m。在前處理軟件CFX－ICEM中建立結(jié)構(gòu)實尺寸建模，計算域(長×寬)為1 680 m×160 m。建筑物置于計算域沿流向前1/3處，計算域已經(jīng)足夠大從而消除了對所關(guān)心模型附近流場的影響［5］。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并且在建筑物表面和壁面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分截圖見圖1。

CFX前處理中輸入恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，包括入口邊界條件中風(fēng)速和湍流強度隨高度變化的函數(shù)［6－7］。采用雷諾平均方法處理流動控制方程，湍流模型選用預(yù)測鈍體繞流精度較好的剪切應(yīng)力模型(SST k－ω模型)［8］。地形選用 GB 50009－2001《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載規(guī)范 》規(guī)定的B類場地，取10 m高度處參考風(fēng)速為30 m/s。模擬過程中用到的其他參數(shù)和算法等見表1。

圖1 大跨度結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig．1 Computational grid for large span roof

表1 數(shù)值模型的參數(shù)Table 1 Parameters of numerical model

1．2 模擬工況介紹

通過數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗以及房屋的真實破壞可以發(fā)現(xiàn)平屋蓋在迎風(fēng)邊緣由于受柱狀渦和錐形渦作用而產(chǎn)生極大的負(fù)風(fēng)壓，在其他區(qū)域由于尾流作用風(fēng)壓較小。在屋面負(fù)壓區(qū)，由柱狀渦和錐形渦產(chǎn)生的高負(fù)壓會導(dǎo)致破壞。因此，為了分析屋蓋的破壞規(guī)律，本文把屋蓋破壞開口的地方取在了柱狀渦負(fù)風(fēng)壓極大值區(qū)，并根據(jù)實際情況模擬了4種工況。實際結(jié)構(gòu)存在著門窗等開孔，但在數(shù)值風(fēng)洞模擬中一般假定結(jié)構(gòu)完全封閉，不考慮較小的孔口;但是，大跨度結(jié)構(gòu)的進(jìn)口、出口通常較大，在風(fēng)洞模擬和數(shù)值模擬中是不可忽略的因素。本文對以下4種工況(圖2)進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬，研究其屋蓋風(fēng)致破壞過程中開口處的風(fēng)壓變化。工況1:模型全封閉;工況2:模型迎風(fēng)面有1個開口，模擬帶有入口的大跨度結(jié)構(gòu)［9］;工況3:模型迎風(fēng)和背風(fēng)墻面有各有1個開口;工況4:模型背風(fēng)墻面有1個開口，模擬建筑物入口位于背風(fēng)面的情況。

圖2 模型各工況示意圖Fig．2 Sketch of model cases

2 屋蓋破壞過程模擬結(jié)果對比和分析

2．1 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)處理

在空氣動力學(xué)中，物體表面的風(fēng)壓大小通常采用無量綱平均壓力系數(shù)Cpi來表示［10］(壓力為正，吸力為負(fù))定義為:

式中:CPi為模型上第i點的風(fēng)壓系數(shù);Pi為該測點處的屋面風(fēng)壓;P∞為參考點平均靜壓;ρ為空氣密度;v0為參考高度處的平均風(fēng)速。對于開孔房屋，屋面凈壓力系數(shù)等于上下表面對應(yīng)測點的壓力系數(shù)之差，即

2．2 各種工況平均風(fēng)壓系數(shù)模擬結(jié)果分析

建筑物屋面結(jié)構(gòu)的幾何形狀對屋面風(fēng)壓分布有重大影響，不同形式的屋面，其表面風(fēng)壓分布有很大區(qū)別。平屋蓋屋面板及其與主體連接件的破壞常發(fā)生于柱狀渦和錐形渦作用位置，表現(xiàn)為邊緣屋面板被掀開、撕裂等情況，所以，本文把屋蓋破壞開口的位置取在了受柱狀渦作用而產(chǎn)生了極大負(fù)風(fēng)壓的區(qū)域，并模擬了80 m大跨屋蓋上破壞開口從0～8 m不同階段風(fēng)壓系數(shù)的變化。

工況1模擬了在屋蓋破壞開口時，全封閉結(jié)構(gòu)屋蓋的內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)分布情況。從圖3可以看出:屋蓋被掀起時，只對破壞邊緣的外表面風(fēng)壓系數(shù)有影響，而對屋蓋其他部分以及迎風(fēng)背風(fēng)墻體外表面風(fēng)壓系數(shù)影響很小。在屋面同一測點位置處，屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)隨破壞開口的增大而增大，且越靠近邊緣處變化幅度越劇烈。但是，屋蓋破壞開口的大小對內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)的數(shù)值影響不大，內(nèi)壓系數(shù)平均值在各測點分布比較均勻，只是在開口處稍有變化，工程設(shè)計中可以近似認(rèn)為是均勻分布，這也與國外有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致(圖4)［11］。

圖3 工況1屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．3 External pressure coefficients of roof for Cases 1

圖4 工況1屋蓋內(nèi)表面壓系數(shù)Fig．4 Internal pressure coefficients of roof for Cases 1

工況2中由于前墻有開敞，風(fēng)可以從建筑物底部自由吹入，并與屋蓋破壞后產(chǎn)生的氣流相互作用，所以，出現(xiàn)與工況1不同的屋蓋內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。屋蓋邊緣同一測點位置處，隨著屋蓋破壞開口的增大，屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)值明顯減小，屋蓋其他部位風(fēng)壓卻有所增加(圖5)。圖6所示為屋蓋破壞開口為1 m時，入口尺寸不同的結(jié)構(gòu)屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)分布。從圖6可見:當(dāng)入口尺寸為1 m時，屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓表現(xiàn)為負(fù)壓，但隨著入口尺寸的變大，屋蓋內(nèi)壓變成正壓且逐漸變大，說明屋蓋內(nèi)壓與前墻入口處的直徑有關(guān)。此外，內(nèi)壓系數(shù)隨屋蓋破壞開孔的增大由壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲Σ⑶椅χ饾u增大，如圖7所示。因此，當(dāng)屋蓋破壞較小時，屋蓋外表面受負(fù)壓，內(nèi)表面受正壓，形成“上吸下頂”的疊加組合;隨著破壞尺寸變大，內(nèi)表面的壓力漸變成負(fù)壓，上下表面均受負(fù)壓作用，形成“上吸下吸”的抵消組合，屋蓋破壞程度越大內(nèi)表面吸力也越大。圖8所示是屋蓋邊緣處破壞開口尺寸為1 m時屋蓋內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)和凈風(fēng)壓系數(shù)的分布情況。從圖8可以看出，入口敞開的結(jié)構(gòu)在內(nèi)外壓的共同作用下使得結(jié)構(gòu)處于非常不利的受力狀態(tài)，凈風(fēng)壓比上表面風(fēng)壓明顯增大。

圖5 工況2屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．5 External pressure coefficients of roof for Cases 2

工況3和工況4的進(jìn)、出口高度均為6 m，此時，風(fēng)壓變化規(guī)律與工況2的基本一致。從圖9可見:在屋蓋邊緣同一測點位置處，隨著破壞開口的變大，屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)減小，屋蓋其他部位和后墻的風(fēng)壓有所增加。內(nèi)表面風(fēng)壓總體上隨著破壞開口增大而吸力增大，但入口位置對風(fēng)壓有影響。從圖7、圖10和圖11可以看出:靠近入口一側(cè)的內(nèi)壓成“U”型分布，而遠(yuǎn)離開口位置內(nèi)壓分布較均勻，可能是入口處氣流產(chǎn)生旋渦所致。

圖6 工況2不同入口大小時屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．6 Internal pressure coefficients of roof with different size of entrance for Cases 2

圖7 工況2屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．7 Internal pressure coefficients of roof for Cases 2

圖8 工況2屋蓋破壞1m時屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．8 Pressure coefficients of roof with 1m size damage for Cases 2

圖12所示為4種工況在不同破壞開口階段屋蓋凈風(fēng)壓的比較。從圖12可以看出:工況2和3由于迎風(fēng)面屋蓋底部是開敞的，風(fēng)可以自由在底部通過而未受到阻礙，氣流進(jìn)入結(jié)構(gòu)使屋蓋內(nèi)外表面風(fēng)壓相互疊加使凈風(fēng)壓系數(shù)變大，因而這種情況最不安全。工況1和4的迎風(fēng)面底部封閉，結(jié)構(gòu)內(nèi)部都是負(fù)壓，屋蓋內(nèi)外風(fēng)壓相抵，相對較為安全。隨著破壞程度加大，4種工況的凈風(fēng)壓趨于接近。

圖9 工況3屋蓋外表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．9 External pressure coefficients of roof for Cases 3

圖10 工況3屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．10 Internal pressure coefficients of roof for Cases 3

圖11 工況4屋蓋內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)Fig．11 Internal pressure coefficients of roof for Cases 4

3 結(jié)論

(1)在結(jié)構(gòu)封閉的情況下，屋蓋邊緣位置突然破壞開口，開口附近外表面風(fēng)壓顯著增大，可能使屋面板在強風(fēng)作用下從咬邊處脫開進(jìn)而被掀起，形成連續(xù)破壞。因此，在屋蓋邊緣處的屋面板增加一些抗風(fēng)螺釘，可以大大抑制風(fēng)致連續(xù)破壞。

圖12 不同工況下凈風(fēng)壓系數(shù)比較Fig．12 Comparison of net pressure coefficients for different cases

(2)對于有入口的大跨度結(jié)構(gòu)，特別是入口在迎風(fēng)面，屋蓋被吹開后受到“上吸下頂”的疊加組合作用，比封閉結(jié)構(gòu)更為危險。屋蓋從邊緣開始破壞，突然增大的凈壓力可能使屋蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)性破壞，因此在強風(fēng)來襲時應(yīng)盡量關(guān)閉入口，這樣有利于減輕屋蓋體系的風(fēng)致破壞。

(3)在局部屋面板抗風(fēng)設(shè)計時應(yīng)該考慮內(nèi)、外表面的凈風(fēng)壓，只考慮外表面風(fēng)壓可能偏于不安全。建議分別按照外表面風(fēng)壓與凈風(fēng)壓的最不利風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計。

［1］梁靖波，汪 新．某體育館屋面風(fēng)災(zāi)事故調(diào)查分析［J］．廣東土木與建筑，2009(12):11－14．LIANG Jing-bo，WANG Xin．Investigation and analysis on wind－induced damage of the roof system of a gym caused by a tornado［J］．Guangdong Architecture Civil Engineering，2009(12):11 －14．

［2］程志軍，樓文娟，孫炳楠．屋面風(fēng)荷載及風(fēng)致破壞機理［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2000，21(4):39－47．CHENG Zhi-jun，LOU Wen-juan，SUN Bing-nan．Wind load on poof structures and mechanism of wind－induced damages［J］．Journal of Building Structures，2000，21(4):39－47．

［3］樓文娟，盧 旦，孫炳楠．風(fēng)致內(nèi)壓及其對屋蓋結(jié)構(gòu)的作用研究現(xiàn)狀評述［J］．建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2005，22(l):76－82．LOU Wen-juan，LU Dan，SUN Bing-nan．Review of wind—induced internal pressure and its effects on roof structures［J］．Journal of Architecture and Civil Engineering，2005，22(1):76 －82．

［4］余世策，樓文娟，孫炳楠，等．開孔大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)研究［J］．浙江大學(xué)學(xué)報，2005，39(8):1206－1211．YU Shi-ce，LOU Wen-juan，SUN Bing-nan，et al．Internal wind effect for long－span roof structure with openings［J］．Journal of Zhejiang University，2005，39(8):1206－1211．

［5］Caracoglia L．Interpretation of full－scale strain data from wind pressures on a low － rise structure［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96(12):2363－2382．

［6］宋芳芳，歐進(jìn)萍．低矮建筑風(fēng)致內(nèi)壓數(shù)值模擬與分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31(4):69－77．SONG Fang-fang，OU Jin-ping．Numerical simulation and analysis of wind－induced internal pressure on low－rise buildings［J］．Journal of Building Structures，2010，31(4):69－77．

［7］Kobayashi T，Sandberg M，Kotani H，et al．Experimental investigation and CFD analysis of cross－ventilated flow through single room detached house model［J］．Building and Environment，2010(45):2723 －2734．

［8］顧 明，楊 偉，黃 鵬，等．TTU標(biāo)模風(fēng)壓數(shù)值模擬及試驗對比［J］．同濟大學(xué)學(xué)報，2006，34(12):1563－1566．GU Ming，YANG Wei，HUANG Peng，et al．Wind tunnel test and numerical simulation on TTU building model［J］．Journal of Tongji University，2006，34(12):1563 －1566．

［9］Sharma R N．Net pressures on the roof of a low － rise building with wall openings［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2005，93(4):267－291．

［10］ Ginger J D．Internal pressures and cladding net wind loads on full－ scale low － rise building［J］．Journal of Structural Engineering，2000，126(4):538 －543．

［11］Ginger J D，Letchford C W．Net pressures on a low－rise full—scale building［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999(83):239 －250．