郑建建

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092； 2.上海水业设计工程有限公司 200092)

引言

国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首[1]。 结构风荷载特性常用的研究方法有足尺模型的现场实测、风洞试验及数值模拟三种。 同济大学黄鹏等[2，3]在上海浦东实测基地建立了可调节屋面坡度的足尺实测模型对屋面风荷载进行实测研究，取得了一系列成果。 目前风洞试验是结构抗风研究的主要方法[4]。 但随着计算机技术和数值方法的迅速发展，数值模拟方法由于其周期短、费用低、参数易于设置、仪器误差和采样误差小、可以较方便地全面考虑各种因素的影响的优点，已成为测定建筑物风荷载及风环境的有效方法。 本文用Fluent数值模拟方法对钢结构连廊表面风荷载体型系数进行研究。 连廊风荷载体型系数与所连主体结构的体型、尺寸、高度及产生的遮挡效应等因素有关，其涉及固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于形状不规则的结构，无法给出理论结果[5]。

1 工程概况

市民服务中心总建筑面积约25 万m2，其中地上建筑面积16 万 m2，地下建筑面积9 万 m2，本工程地上共计8 个单体建筑，地下室为两层。 地上8个单体建筑由四个连廊相连。 在5#、6#单体左右两侧各有一个钢结构连廊与1#、2#、3#、4#单体相连，连廊与单体建筑相对位置关系如图1 所示。

图1 架空钢结构连廊位置示意Fig.1 Location diagram of steel gallery

2 模型及数据处理方法

数值模拟的一个主要工作是在假设流体为不可压缩粘性流体的基础上对流体连续性方程和动量方程进行离散，根据离散方式的不同主要有以下几种模拟方式：理论分析方法、直接数值解、平均N-S方程和湍流模型方法、亚格子模型的大涡模拟方法等。

2.1 模型及网格划分

由于整个工程单体太多，而钢结构连廊体积相对较小，仅与连廊两端相连接的单体对连廊的风荷载体型系数影响较大，而距离较远处单体对连廊体型系数影响较小，考虑到精细建模的网格划分和计算分析都需要大量时间，且对计算机硬件配置要求较高而对计算结果影响不大，故本文仅取4#单体与6#单体的一半和它们之间的钢结构连廊作为研究对象。 连廊底面距地面6m，顶面距地面16m，连廊高度10m，4#单体高74.4m，6#单体高21.9m，连廊及4#、6#单体平面尺寸和风向角定义如图2 所示。

图2 平面布置及风向角定义Fig.2 Plane layout and definition of wind attack angles

从影响建筑物壁面风压方面考虑，计算域为616m(长) × 656m(宽) × 300m(高)，模型位于流域沿流动方向1/3 处。 使用GAMBIT 进行建模和网格划分，为方便进行网格划分和进行模型旋转以研究不同风向角下连廊风荷载体型系数的分布情况，用一个小圆柱包围模型，将计算域分为圆柱内和圆柱外两部分。 模型附近用四面体网格进行网格划分，并进行局部加密处理； 在流域其他部分用三棱柱网格进行网格划分，网格适度稀疏。 最终得到体单元320 万个，模型及网格划分如图3 所示。

图3 模型及网格划分Fig.3 Calculation model and meshing

2.2 边界条件及参数设置

本工程所在地区地面粗糙度类别为B 类，入口边界条件采用速度入口边界条件(velocity inlet)，由平均风剖面和湍流特性剖面组成，风剖面通过C 语言编写用户自定义函数实现。

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[5](以下简称《荷规》)，大气边界层的风速剖面以指数形式表达，即：

式中：(z)为任意高度z处的风速；为高度z=10m 处的风速；α为地面粗糙度指数。

数值计算中采用的湍流模型为两方程模型(Realizablek-ε模型)，入口湍流剖面直接输入湍流动能k和湍流耗散率ε，表达式如下：

式中：Cμ=0.09；L为湍流特征尺度，L=100·(z/30)0.5；I(z)为高度z处的湍流强度；I(10)为高度z=10m 处的湍流强度。

2.3 数据处理方法

由数值模型计算结果可得到各墙面及屋盖表面网格节点的风压Pi，将风压用无量纲风压系数Cpi表示：

式中：ρ=1.25N ·s2/m4为空气密度；T为该目标建筑风场类型的梯度风高度；(T)为梯度风高度处的平均风速，通过公式(1)确定。

进一步将风压系数Cpi变换为相应风场的体形系数μsi：

式中：zi为网格节点的高度。

3 结果分析

3.1 数值验证

为了验证数值模拟结果的准确性，将6#单体迎风墙面风荷载体型系数与《荷规》的数值进行比较分析。 图4 为0°风向角时6#单体迎风墙面体型系数等值线图。

由图4 可以看出，在风向角为0°时，6#单体迎风墙面体型系数最大值为0.8，出现在墙体靠近右边中间高度处，而往周围数值慢慢变小，到接近屋面及右侧墙边处体型系数数值趋近于0，

3.2 连廊迎风墙面体型系数

连廊迎风墙面在 0°、30°、45°、60°风向角下风荷载体型系数等值线图，如图5所示。

由图5 可以看出，连廊迎风墙面在 0°、30°、45°、60°风向角下体型系数几乎全部表现为正值，只在靠近顶面和底面的边角处由于气流绕流和柱状漩涡的影响而出现风吸力，且体型系数数值随着风向角的增大而变小，风向角由0°增大到 30°、45°、60°时，体型系数最大值逐步由0.8 减小到0.5、0.4、0.3，分 别 减 少37.5、50%、62.5%，正压区甚至出现负值，这是由于结构左侧的遮挡效应导致最大风压位置右移，由于气流在屋顶及右侧墙角处产生绕流及漩涡的出现导致出现负压。 《荷规》中规定结构迎风墙面的体型系数一般为0.8，这是不考虑气流在屋面及墙体上的漩涡作用，而直接按照可能出现的最大体型系数进行取值的。规范没有按照不同分区对体型系数取不同值，而是较为保守地将迎风墙面体型系数取为0.8，可满足工程设计所需的精度要求。 由6#单体迎风墙面体型系数的数值模拟结果和现行规范值比较可知数值模拟结果是准确的，下面分别对钢结构连廊迎风墙面、背风墙面、上表面、下表面在0°、30°、45°、60°风向角下的体型系数数值模拟结果进行分析。域慢慢变小而负压区域稳步增大，可见来流风向角对体型系数的影响非常大，最不利工况出现在风向角为0°时，这是由于风向角增大时连廊所连主体结构对来流风的遮挡效应越来越显著。 《荷规》中规定各类结构迎风墙面体型系数取值一般为0.8，是偏于安全和保守的。

图4 0°风向角时6#单体迎风墙面体型系数等值线图Fig.4 Contour map of shape coefficients of wind loads on windward side of 6th building at wind attack angle of 0 degrees

图5 连廊迎风墙面在各风向角下体型系数等值线图Fig.5 Contour map of shape coefficients of wind loads on windward side of steel gallery at different wind attack angles

3.3 连廊背风墙面体型系数

连廊背风墙面在 0°、30°、45°、60°风向角下风荷载体型系数等值线图，如图6所示。

图6 连廊背风墙面在各风向角下体型系数等值线图Fig.6 Contour map of shape coefficients of wind loads on leeside of steel gallery at different wind attack angles

由图6 可以看出，连廊背风墙面在 0°、30°、45°、60°风向角下体型系数全部表现为负值，即全部为吸力，这是由于气流遇到不透风的连廊时，一部分气流上升越过连廊顶，一部分气流下降穿过连廊底，在背风墙面产生漩涡区和回旋尾流，而产生风吸力。 由图中可看出，来流风向角由 0°增大到 30°、45°、60°时，吸力逐步减小，体型系数绝对值最大值由-1.80 分别减小为 -0.75、-0.57、-0.30，分别减小 58.3%、68.3%、83.3%，也即是连廊背风墙面的最不利工况依然出现在0°风向角时，且体型系数对来流风向角的变化非常敏感。 这是由于相对于两端所连主体结构，不论是平面面积还是结构高度，连廊尺寸都相对较小，随着风向角的增大，两侧单体对来流风的遮挡效应逐渐增大，故风荷载随之减小。

《荷规》对架空连廊背风墙面体型系数取值并无具体规定，参照开敞式结构背风墙面体型系数取值-1.30，基本与数值模拟结果中0°风向角时背风墙面体型系数的平均值相等，但与绝对值最大值 -1.80 相比，仍偏小 27.8%。 故参照《荷规》取值，进行结构整体受力计算时可满足工程要求，但对于背风墙面中受回旋尾流影响较大的下部构件尤其是左下角部位的构件，是偏于不安全的。 根据数值模拟结果，建议实际工程设计中可按照图7 对连廊背风墙面分区域选择体型系数进行结构分析计算。

图7 连廊背风墙面风荷载体型系数建议值Fig.7 Suggested shape coefficients of wind loads on leeside of steel gallery

3.4 连廊上表面体型系数

连廊上表面在 0°、30°、45°、60°风向角下风荷载体型系数等值线图，如图8 所示。

由图8 可以看出，连廊上表面在 0°、30°、45°、60°风向角下体型系数全部表现为负值，且靠近屋面前缘处的体型系数绝对值最大，靠后部的慢慢变小，风吸力随着风向角的增大而呈现出变小的趋势。 来流风向角由 0°增大到 30°、45°、60°时，吸力逐步减小，体型系数绝对值最大值由 -2.20 分别减小为 -1.20、-1.10、-0.50，分别减小45.5%、50.0%、77.3%，也即是连廊顶面的最不利工况出现在0°风向角时，且风向角对体型系数的影响十分大。 这是由于气流遇到不透风的连廊时，一部分气流上升越过连廊顶，在顶部产生再附着[6]，并形成柱状漩涡，故产生较大的风吸力； 而随着风向角的增大，两侧建筑物对连廊风荷载的遮挡效应变得愈加明显，而导致体型系数绝对值减小。

图8 连廊上表面在各风向角下体型系数等值线图Fig.8 Contour map of shape coefficients of wind loads on top surface of steel gallery at different wind attack angles

《荷规》对各类结构形式屋面的风荷载体型系数取值绝对值最大为-1.6(整体结构计算时)、-2.0(围护构件计算时，屋面坡度≤5°)和-2.5(围护构件计算时，屋面坡度15°)，整体结构计算取值-1.6 基本与0°风向角时数值模拟结果平均值相等； 但围护构件计算取值-2.0(屋面坡度≤5°)与模拟结果绝对值最大值-2.2 相比，仍偏小9.1%； 按照屋面坡度15°取值-2.5 可满足构件受力要求。 可以看出，参照《荷规》取值，对于主体结构整体受力计算可满足工程要求； 但对于迎风檐口受柱状漩涡影响显著区域的构件，参照平屋面取值偏不安全。 根据数值模拟结果，对于连廊上表面，建议工程设计中可按照图9 分区域选择体型系数进行结构分析计算。

图9 连廊上表面风荷载体型系数建议值Fig.9 Suggested shape coefficients of wind loads on top surface of steel gallery

3.5 连廊下表面体型系数

连廊下表面在 0°、30°、45°、60°风向角下风荷载体型系数等值线图，如图10 所示。

图10 连廊下表面在各风向角下体型系数等值线图Fig.10 Contour map of shape coefficients of wind loads on bottom surface of steel gallery at different wind attack angles

由图10 可以看出，连廊下表面在 0°、30°、45°、60°风向角下体型系数基本上表现出了和上表面相同的特性，即在四个风向角下全部表现为负值，且体型系数绝对值也随着风向角的增大而变小。 来流风向角由 0°增大到 30°、45°、60°时，吸力逐步减小，体型系数平均值的绝对值由-1.6 分别减小为 -1.1、-0.7、-0.3，分别减小31.3%、56.3%、81.3%，也即是连廊顶面的最不利工况依然出现在0°风向角时，且风向角对体型系数的影响巨大。 而产生这种分布特性的原因也是与连廊上表面类似的，气流遇到不透风的连廊时，一部分气流下降，从连廊底穿过时在下表面产生柱状漩涡，形成较大的风吸力； 而随着风向角的增大，两侧建筑物对气流的遮挡效应变得越来越显著，故体型系数绝对值稳步减小。

《荷规》没有对悬空结构下表面体型系数的取值的做具体规定，而参照规范中对屋面的风荷载体型系数的相关规定，绝对值最大为-1.6(整体结构计算时)、-2.0(围护构件计算时，屋面坡度≤5°)和 -2.5(围护构件计算时，屋面坡度15°)，整体结构计算时 -1.6 基本与 0°风向角时数值模拟结果的中位值相等； 但围护构件计算时-2.0(屋面坡度≤5°)与绝对值最大值-2.3 相比，偏小13.1%，按照屋面坡度15°取值 -2.5才能满足构件受力要求。 参照荷载规范对屋面体型系数的规定取值，可满足结构整体受力要求，但对于下表面迎风处受柱状漩涡影响显著区域尚需进行专门验算。 根据数值模拟结果，在工程设计中可按照图11 分区域选择连廊下表面体型系数进行结构分析计算。

图11 连廊下表面风荷载体型系数建议值Fig.11 Suggested shape coefficients of wind loads on bottom surface of steel gallery

4 结论

本文使用数值模拟方法对钢结构连廊表面风荷载体型系数进行了计算分析，得到了以下结论：

1.在 0°、30°、45°、60°风向角下，对于连廊的迎风墙面，风压以正压为主，而在背风墙面、上表面和下表面，风压均全部表现为负压。

2.连廊平面尺寸和竖向高度相对于两侧所连主体结构较小，在风向角增大时主体结构对来流风的遮挡效应越来越显著，导致连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面风压均随着风向角的增大而减小，最不利工况均出现在0°风向角时； 来流风向角及主体结构遮挡效应对风荷载的影响十分大。

3.对于连廊迎风墙面，参照规范对各类结构迎风墙面体型系数的规定进行取值是偏于安全的； 对于连廊背风墙面、上表面和下表面，参照规范对开敞式结构背风墙面体型系数和各类屋面体型系数的规定进行取值可满足结构整体受力计算要求，而对于受回旋尾流影响较大背风墙面的下部构件和受柱状漩涡影响显著的上、下表面迎风檐口处构件是不够安全的。 本文对连廊的背风墙面、上表面和下表面分区域给出了体型系数建议值，工程设计中可参考采用。