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高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的數(shù)值模擬

2018-01-11 00:44:00
山西建筑 2017年36期
關(guān)鍵詞:A座塔樓體型

林 寅

(中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司東莞分公司,廣東 東莞 523112)

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)成為了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的重要研究手段[1]。采用CFD模擬,可以較為準(zhǔn)確地獲得建筑結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載及進(jìn)行相關(guān)的分析。本文通過(guò)采用CFD計(jì)算方法,對(duì)某建筑在干擾條件下的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬,得到建筑表面各部分的風(fēng)荷載分布模式,并分析其體型系數(shù)的特點(diǎn),為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù),并為相似條件建筑的風(fēng)荷載取值提供有益的參考。

1 工程概況

某商業(yè)建筑由具有筍狀外形的A座三角形塔樓和長(zhǎng)寬比達(dá)到2.43的B座長(zhǎng)方形塔樓組成,如圖1所示。該建筑西北側(cè)毗鄰某商務(wù)綜合體(如圖2所示),兩者形成的窄長(zhǎng)氣流通道將可能產(chǎn)生明顯的氣動(dòng)干擾效應(yīng)。我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響下的高層建筑風(fēng)荷載取值缺少較為準(zhǔn)確的資料,因此有必要對(duì)這類建筑的風(fēng)荷載進(jìn)行研究,以獲得建筑表面的風(fēng)荷載。

2 風(fēng)荷載的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案建立數(shù)值模型,并考慮了對(duì)模擬結(jié)果可能產(chǎn)生顯著影響的構(gòu)造細(xì)節(jié),見圖3。按阻塞比小于3%的要求,取計(jì)算流域的尺度為3 000 m(長(zhǎng)度)×2 000 m(寬度)×1 000 m(高度),建筑模型距離入口約1/3流域長(zhǎng)度。采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格進(jìn)行流域離散,對(duì)建筑模型表面的網(wǎng)格進(jìn)行加密,并采用size function控制網(wǎng)格尺寸由建筑模型表面向外逐步增大。幾何建模和網(wǎng)格劃分在Fluent的前處理軟件Gambit里完成。

2.2 湍流模型和近壁面處理

采用具有較高精度的湍流模型——可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型(realizable k-ε)來(lái)模擬一般計(jì)算域的流動(dòng),對(duì)于模型表面附近區(qū)域,由于流動(dòng)受壁面影響顯著,不能采用k-ε模型進(jìn)行計(jì)算,需要進(jìn)行特殊處理,采用非平衡的壁面函數(shù)法來(lái)模擬[2]。

2.3 邊界條件及其他參數(shù)選取

流域入口邊界條件選用速度入口(velocity-inlet),風(fēng)速隨高度的變化服從指數(shù)規(guī)律:

本工程所在地貌類型為B類,地貌粗糙度系數(shù)α=0.16,梯度風(fēng)高度H=350 m,基本風(fēng)速按100年一遇的基本風(fēng)壓進(jìn)行換算,得到10 m高度處的風(fēng)速為28.28 m/s。

流域的出口邊界條件選用壓力出口(pressure-outlet);流域的頂面和側(cè)面采用對(duì)稱邊界(symmetry);地面和建筑物表面采用無(wú)滑移的壁面邊界條件(wall)。

計(jì)算采用三維單精度、基于壓力的分離式求解器,空氣模型選用理想氣體(ideal-gas),采用精度較高的2階迎風(fēng)格式對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行離散,采用SIMPLEC算法來(lái)處理速度和壓力的耦合。

2.4 模擬工況

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),在0°~360°范圍內(nèi)每隔15°取一個(gè)風(fēng)向角,總計(jì)有24個(gè)風(fēng)向角工況。0°風(fēng)向角定義為從建筑群下部正交于B座塔樓建筑表面方向向上,并按逆時(shí)針遞增各工況的風(fēng)向角,如圖4所示。

3 結(jié)果分析及探討

對(duì)于A座塔樓,其最大風(fēng)荷載出現(xiàn)在15°風(fēng)向角,如圖5所示。從圖5中可以看出,在迎風(fēng)面,體型系數(shù)由中間向兩翼遞減,正壓體型系數(shù)略大于正常情況下的體型系數(shù);在背風(fēng)面,左右兩側(cè)的體型系數(shù)絕對(duì)值均由下部向上部遞減,在數(shù)值上也略大于正常情況,最大體型系數(shù)絕對(duì)值出現(xiàn)在背風(fēng)面兩側(cè)的交匯夾角,可見此處的氣流抽離十分劇烈。其他風(fēng)向角下A座塔樓風(fēng)荷載體型系數(shù)的增大程度略有降低,但分布規(guī)律具有類似的特點(diǎn)??梢?,由于A座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數(shù)有別于傳統(tǒng)的矩形截面,加上各塔樓之間的相互氣動(dòng)干擾作用,A座塔樓的風(fēng)荷載總體上呈現(xiàn)出增大特點(diǎn),需在設(shè)計(jì)中予以考慮。

對(duì)于B座塔樓,其最大風(fēng)荷載出現(xiàn)在0°風(fēng)向角附近,如圖6所示。從圖6中可以看出,在迎風(fēng)面,體型系數(shù)在中下部的變化梯度相對(duì)較大,上部的體型系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定;在背風(fēng)面,體型系數(shù)絕對(duì)值的較大值出現(xiàn)在中下部,最小值出現(xiàn)在中上部偏左??傮w上,體型系數(shù)均表現(xiàn)出隨高度增大而減小的趨勢(shì)。其中,合力體型系數(shù)在H/Hmax=0.35處接近峰值,且比正常情況下的風(fēng)荷載體型系數(shù)增大超過(guò)50%,其他位置的合力體型系數(shù)也均有不同程度的增大,這說(shuō)明B座塔樓由于各塔樓之間的相互氣動(dòng)干擾作用,特別B座塔樓西北側(cè)的商務(wù)綜合體形成窄長(zhǎng)氣流通道,使得具有規(guī)則矩形外形的B座塔樓的體型系數(shù)也明顯大于規(guī)范所規(guī)定的單體矩形建筑,在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中,需引起足夠的重視。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用CFD計(jì)算方法,對(duì)某建筑在干擾條件下的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬,得出以下結(jié)論:

1)A座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數(shù)有別于傳統(tǒng)的矩形截面,且因各塔樓之間的相互氣動(dòng)干擾作用,A座塔樓的風(fēng)荷載總體上呈現(xiàn)出增大特點(diǎn)。

2)由于各塔樓之間的相互氣動(dòng)干擾作用,特別是B座塔樓與毗鄰的西北側(cè)的商務(wù)綜合體形成窄長(zhǎng)氣流通道,使得具有規(guī)則矩形外形的B座塔樓的體型系數(shù)也明顯大于規(guī)范所規(guī)定的單體矩形建筑。

3)本文獲得的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)可為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù),并為相似條件建筑的風(fēng)荷載取值提供參考。

[1] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] Fluent Inc.,“FLUENT 6.3 User’s Guide”.Fluent Inc.,2006.

[3] Standard of Japan,“Recommendations for loads on buildings”,Architectural Institute of Japan,Tokyo,1996.

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