□□ 郭增濤 (陜西地礦第二工程勘察院有限公司，陜西 渭南 714000)

引言

一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振計算采用GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》簡化計算來完成,該方法在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)振計算的準(zhǔn)確性值得討論。風(fēng)洞試驗可在一定程度上解決這個問題，但在現(xiàn)實中，風(fēng)洞試驗受到各方條件的限制，較難精確測得實驗?zāi)Ｐ椭車鲌龅恼鎸崝?shù)據(jù)，且實施起來非常麻煩，數(shù)據(jù)采集有一定的局限性，而CFD(Computational Fluid Dynamics)方法則不受限制，它可以給出非常完備的資料，可以很方便地獲取各種圖、表、曲線。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)及計算流體力學(xué)理論的進展,數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)逐漸趨于成熟，作為風(fēng)荷載分析的不可或缺的輔助工具，得到工程界越來越多的重視。在本文中，運用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，采用剪切應(yīng)力輸運模型SST，對某超高層建筑周圍的風(fēng)場進行模擬，結(jié)構(gòu)部分采用通用有限元軟件進行分析，并聯(lián)合求解，獲得該建筑物的風(fēng)壓分布及風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)，最以及該結(jié)構(gòu)的位移時程曲線。

1 建筑結(jié)構(gòu)模型

某超高層建筑總層數(shù)為72層，總高度為296.2 m，采用組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為鋼筋混凝土剪力墻所形成的的內(nèi)筒，關(guān)鍵部位采用了型鋼，外部為型鋼混凝土柱組成的框架，兩者之間使用工字型鋼梁連結(jié)，共同組成主受力體系。平面示意圖如圖1所示。

圖1 建筑平面

針對該超高層建筑的具體情況，本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對其進行了建模，梁柱統(tǒng)一使用BEAM4單元進行網(wǎng)格離散，具體截面尺寸以定義不同的實常數(shù)來實現(xiàn)，樓板與剪力墻使用SHELL63單元，厚度通過實常數(shù)來定義。考慮到與流場的相互作用，所以外部圍護結(jié)構(gòu)采用玻璃蒙面的方式來傳遞風(fēng)荷載。其中混凝土的彈性模量取3.25×1010N·m-2，泊松比取0.3，密度為2 500 kg·m-3；鋼材的彈性模量取2.06×1011N·m-2，泊松比取0.3，密度為7 850 kg·m-3；玻璃的彈性模量取7.2×1010N·m-2，泊松比取0.2，密度為2 560 kg·m-3。

對其底層柱底及剪力墻底部施加約束，約束全部自由度，即剛接。

2 流體部分模型

2.1 計算流域的確定與網(wǎng)格劃分

建筑本身的外部尺寸為41 m×45.3 m×296.2 m，最終選取的計算流域為：進風(fēng)口與建筑迎風(fēng)面距離為900 m，迎風(fēng)面與氣流出口的距離為2 000 m，建筑物兩側(cè)與左右邊界距離為500 m，計算流域高度為600 m。計算其阻塞率為1.94%[1-2]。

由于結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，計算流域較大，流固耦合計算的非穩(wěn)態(tài)分析又非常耗時，限于計算機硬件的限制，本文選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流域進行了網(wǎng)格劃分，盡量減少網(wǎng)格劃分的單元數(shù)量，網(wǎng)格劃分后最終結(jié)點為620 712個，六面體單元為597 520個，對于接近結(jié)構(gòu)壁面的地方，迎風(fēng)面前部與背風(fēng)面后部區(qū)域網(wǎng)格都進行了加密處理，以提高計算精度。如圖2所示。

圖2 計算流域網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件與湍流模型的選取

(1)來流入口風(fēng)速剖面采用指數(shù)形式，地面粗糙度系數(shù)選取地貌類別為C類的α，α=0.22。C類地貌類別指有密集建筑群的城市市區(qū)。風(fēng)速剖面表達式見式(1)：

(1)

(2)來流入口處的湍流強度取值見式(2)：

Iu=0.071 1z-0.371 2

(2)

湍流參數(shù)的設(shè)置以直接給定湍動能k和湍流耗散率ε的方式給出，見式(3)和(4)：

(3)

(4)

其中，L為湍流積分尺度，它是氣流中湍流渦旋平均尺度的量度，表達式見式(5)：

L=100(z/30)0.5

(5)

(3)出口條件采用完全發(fā)展出流邊界條件(outlet)。

(4)建筑表面和地面均采用無滑移壁面條件，建筑表面為光滑壁面，地面為粗糙壁面，并取參考尺度為10 m。計算流域側(cè)面與頂面均采用自由滑移壁面條件。

(5)湍流模型選取剪切應(yīng)力輸運模型(Shear Stress Transport Model，SST模型)，SSTk-ω模型也簡稱為剪切應(yīng)力輸運模型(SST模型)，其控制方程見式(6)和(7)：

(6)

(7)

式中，Gk——由速度梯度引起的湍動能生成項；

Gω——ω的生成項；

Γk——k的對流項；

Γω——ω的對流項；

Yk——由丁湍流引起的k有效擴散項；

Yω——由丁湍流引起的ω有效擴散項。

3 流固耦合求解設(shè)置

當(dāng)結(jié)構(gòu)模型建立好后，需要進一步的設(shè)置，以便分別在ANSYS結(jié)構(gòu)與ANSYS CFX環(huán)境下生成各自的數(shù)據(jù)文件，并最終在ANSYS MFX下對其進行雙向的耦合求解計算。

3.1 求解過程

MFX的求解過程如圖3所示[2]。ANSYS代碼擔(dān)當(dāng)主程序讀取所有的MFX命令，映射和對CFX從程序提供時間步和交錯步的控制。解答循環(huán)由多場時間步循環(huán)和多場交錯步循環(huán)組成。

圖3 求解過程

在每個時間步里，是交錯步循環(huán)。在MFX解答中，交錯步循環(huán)允許場的隱式耦合，在MFX的分析過程中，交錯迭代次數(shù)應(yīng)用在每1個時間步。在時間步循環(huán)的每1步里面，場求解過程在交錯步循環(huán)里一直重復(fù)直到收斂為止。在交錯步循環(huán)里執(zhí)行迭代的次數(shù)由場間的載荷轉(zhuǎn)移收斂條件或者事先指定的最大交錯步迭代次數(shù)來決定。用CFX做瞬態(tài)分析，交錯迭代包含了許多CFX系數(shù)迭代，這些系數(shù)迭代一直循環(huán)直到收斂或者達到最大系數(shù)迭代值為止。每個交錯步循環(huán)里都會有場間的載荷轉(zhuǎn)移。載荷轉(zhuǎn)移后會檢查全局收斂，如果載荷轉(zhuǎn)移的全局收斂條件沒有達到，將會進行下1個交錯循環(huán)，如圖4所示。

圖4 順序求解示意圖

3.2 ANSYS設(shè)置

首先在ANSYS結(jié)構(gòu)中，定義流固耦合界面，激活MFS/MFX，在求解順序里設(shè)置先計算ANSYS。設(shè)置MFX載荷傳遞，將Interface1輸入作為CFX區(qū)域名(對應(yīng)于CFX中邊界條件設(shè)置的流固交互作用界面名)，荷載類型設(shè)為機械(默認)；選擇設(shè)置時間控制，將MFX的結(jié)束時間設(shè)置為40 s，初始時間步與最小時間步和最大時間步都設(shè)置為0.2 s；收斂設(shè)置一項里設(shè)置所有項目皆為0.001，選擇輸出所有時間步，定義加載類型為stepped，輸出數(shù)據(jù)文件。

3.3 CFX設(shè)置

在ANSYS CFX中，分析類型設(shè)置中打開外部求解器耦合，并將機械輸入文件設(shè)為前面生成的數(shù)據(jù)文件。設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析，持續(xù)時間為耦合持續(xù)時間，設(shè)置時間步及網(wǎng)格運動選項等參數(shù)，其他設(shè)置不再冗述，最終選擇輸出CFX求解輸入數(shù)據(jù)文件。

3.4 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher設(shè)置

在ANSYS Mechanical APDL Product Launcher中將模擬環(huán)境選擇為MFX-ANSYS/CFX，并做好相應(yīng)的設(shè)置，分別輸入ANSYS與CFX各自對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，運行求解。

4 計算結(jié)果

求解完畢，會在預(yù)先設(shè)定的目錄下生成各自對應(yīng)的結(jié)果文件，在ANSYS CFX POST中讀入流體計算結(jié)果文件，通過處理后得到了部分?jǐn)?shù)據(jù)等值線圖與圖表，下面給出部分圖片作為參考。

4.1 流場不同位置的風(fēng)速分布

20 s時流場不同高度的流速云圖如圖5所示。由圖5可以看出，空氣流動的低速區(qū)域主要出現(xiàn)在背風(fēng)區(qū)域以及靠近建筑物壁面的地方，建筑物迎風(fēng)面兩個角點稍前部風(fēng)速較大，該處由于建筑物對空氣流場的阻擋而導(dǎo)致此處壓強增大，從而風(fēng)速急劇增大，加速自建筑物兩側(cè)繞過。

圖5 20 s時100 m、200 m、頂層(296.2 m)高度流場的流速等值線圖

整體的流速等值線圖基本沿著順風(fēng)方向的流場中心線對稱，沿對稱線兩側(cè)分別有部分流速較高的區(qū)域，建筑物后沿對稱線所處的位置因受建筑物的影響，流速較低，隨著距建筑物背風(fēng)面距離的增加，風(fēng)速開始逐漸增大，但是該影響區(qū)域的長度可以達到3倍的建筑物高度以上。20 s時流場中心剖面的流速云圖如圖6所示，從圖6可以看出結(jié)構(gòu)模型上部流速較大，靠近地面與結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面處的流速較慢，結(jié)構(gòu)模型后部風(fēng)速亦較低，且風(fēng)速最小值亦出現(xiàn)在該地區(qū)。

圖6 20 s時流場中心剖面流速等值線圖

4.2 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布

根據(jù)部分節(jié)點的風(fēng)壓曲線(如圖7～9所示)，由圖7～9分析可知：風(fēng)壓隨著結(jié)構(gòu)高度的增加也在增加，但在靠近結(jié)構(gòu)頂面區(qū)域有下降趨勢，迎風(fēng)面中部風(fēng)壓較大，兩邊風(fēng)壓較小，結(jié)構(gòu)兩側(cè)面風(fēng)壓相對較小，結(jié)構(gòu)頂面靠前部風(fēng)壓較小，隨著距迎風(fēng)面距離的增加，風(fēng)壓亦會有所增加。在結(jié)構(gòu)的背風(fēng)面，風(fēng)壓相對較均勻。

圖7 20 s時結(jié)構(gòu)模型60層與10層表面風(fēng)壓曲線(測點沿高度剖面順時針方向分布，迎風(fēng)面右角點為起始點)

圖8 20 s時結(jié)構(gòu)模型中心剖面外圍風(fēng)壓分布曲線(測點沿剖面外圍順時針分布，第一點為迎風(fēng)面底部點)

圖9 結(jié)構(gòu)外圍風(fēng)壓時程曲線

4.3 結(jié)構(gòu)位移時程曲線

頂層(72層)位移的時程曲線如圖10所示。三條曲線分別對應(yīng)X、Y、Z方向的位移，可見，結(jié)構(gòu)的位移以順風(fēng)向X方向為主，橫風(fēng)向與結(jié)構(gòu)軸向的位移相對較小。在施加風(fēng)荷載后3 s及19.6 s左右出現(xiàn)正向峰值，在38.5 s左右出現(xiàn)反向峰值。

圖10 頂層X、Y、Z方向位移時程曲線對比

5 結(jié)論

風(fēng)的脈動性使結(jié)構(gòu)承受時變荷載，影響疲勞壽命和使用舒適度，在某些情況下會引起共振，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，它還會改變結(jié)構(gòu)的氣動力特性。在本文中，對某超高層建筑結(jié)構(gòu)實例進行了數(shù)值風(fēng)洞模擬，在考慮流固耦合的條件下，聯(lián)合ANSYS與CFX對其在風(fēng)場中的響應(yīng)進行了分析，得出了該建筑物表面的風(fēng)壓分布以及風(fēng)壓時程曲線，最終得到了建筑物在風(fēng)場中的位移時程曲線，該方法可以考慮自然風(fēng)的時空相關(guān)性以及結(jié)構(gòu)高階振型的影響,從而更加精確地反映結(jié)構(gòu)的風(fēng)振情況。本文中的方法對于考慮流固耦合情況下的風(fēng)荷載分析有普遍借鑒意義。