高层建筑风荷载干扰效应的数值模拟

2018-01-11林寅

山西建筑 2017年36期

林寅

(中国华西工程设计建设有限公司东莞分公司,广东东莞 523112)

随着计算机科技的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)成为了结构风工程领域的重要研究手段[1]。采用CFD模拟，可以较为准确地获得建筑结构表面的风荷载及进行相关的分析。本文通过采用CFD计算方法，对某建筑在干扰条件下的风荷载进行数值模拟，得到建筑表面各部分的风荷载分布模式，并分析其体型系数的特点，为结构抗风设计提供依据，并为相似条件建筑的风荷载取值提供有益的参考。

1 工程概况

某商业建筑由具有笋状外形的A座三角形塔楼和长宽比达到2.43的B座长方形塔楼组成，如图1所示。该建筑西北侧毗邻某商务综合体(如图2所示)，两者形成的窄长气流通道将可能产生明显的气动干扰效应。我国现行设计规范对气动干扰效应影响下的高层建筑风荷载取值缺少较为准确的资料，因此有必要对这类建筑的风荷载进行研究，以获得建筑表面的风荷载。

2 风荷载的数值模拟

2.1 几何模型和网格划分

根据工程设计方案建立数值模型，并考虑了对模拟结果可能产生显著影响的构造细节，见图3。按阻塞比小于3%的要求，取计算流域的尺度为3 000 m(长度)×2 000 m(宽度)×1 000 m(高度)，建筑模型距离入口约1/3流域长度。采用非结构的四面体网格进行流域离散，对建筑模型表面的网格进行加密，并采用size function控制网格尺寸由建筑模型表面向外逐步增大。几何建模和网格划分在Fluent的前处理软件Gambit里完成。

2.2 湍流模型和近壁面处理

采用具有较高精度的湍流模型——可实现的k-ε模型(realizable k-ε)来模拟一般计算域的流动，对于模型表面附近区域，由于流动受壁面影响显著，不能采用k-ε模型进行计算，需要进行特殊处理，采用非平衡的壁面函数法来模拟[2]。

2.3 边界条件及其他参数选取

流域入口边界条件选用速度入口(velocity-inlet)，风速随高度的变化服从指数规律：

本工程所在地貌类型为B类，地貌粗糙度系数α=0.16，梯度风高度H=350 m，基本风速按100年一遇的基本风压进行换算，得到10 m高度处的风速为28.28 m/s。

流域的出口边界条件选用压力出口(pressure-outlet)；流域的顶面和侧面采用对称边界(symmetry)；地面和建筑物表面采用无滑移的壁面边界条件(wall)。

计算采用三维单精度、基于压力的分离式求解器，空气模型选用理想气体(ideal-gas)，采用精度较高的2阶迎风格式对流项进行离散，采用SIMPLEC算法来处理速度和压力的耦合。

2.4 模拟工况

风洞试验时，在0°～360°范围内每隔15°取一个风向角，总计有24个风向角工况。0°风向角定义为从建筑群下部正交于B座塔楼建筑表面方向向上，并按逆时针递增各工况的风向角，如图4所示。

3 结果分析及探讨

对于A座塔楼，其最大风荷载出现在15°风向角，如图5所示。从图5中可以看出，在迎风面，体型系数由中间向两翼递减，正压体型系数略大于正常情况下的体型系数；在背风面，左右两侧的体型系数绝对值均由下部向上部递减，在数值上也略大于正常情况，最大体型系数绝对值出现在背风面两侧的交汇夹角，可见此处的气流抽离十分剧烈。其他风向角下A座塔楼风荷载体型系数的增大程度略有降低，但分布规律具有类似的特点。可见，由于A座塔楼呈笋状外形的三角形截面特性使得其体型系数有别于传统的矩形截面，加上各塔楼之间的相互气动干扰作用，A座塔楼的风荷载总体上呈现出增大特点，需在设计中予以考虑。

对于B座塔楼，其最大风荷载出现在0°风向角附近，如图6所示。从图6中可以看出，在迎风面，体型系数在中下部的变化梯度相对较大，上部的体型系数相对稳定；在背风面，体型系数绝对值的较大值出现在中下部，最小值出现在中上部偏左。总体上，体型系数均表现出随高度增大而减小的趋势。其中，合力体型系数在H/Hmax=0.35处接近峰值，且比正常情况下的风荷载体型系数增大超过50%，其他位置的合力体型系数也均有不同程度的增大，这说明B座塔楼由于各塔楼之间的相互气动干扰作用，特别B座塔楼西北侧的商务综合体形成窄长气流通道，使得具有规则矩形外形的B座塔楼的体型系数也明显大于规范所规定的单体矩形建筑，在结构抗风设计中，需引起足够的重视。