大跨度平屋盖结构风致破坏过程模拟*

田玉基，杨 娜，杨 阳

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

随着北京奥运会、上海世博会、广州亚运会在中国的成功举办，大跨度空间结构场馆建筑层出不穷，广泛应用于体育场馆、机场车站、会展中心、文化广场等大型公共建筑中。然而，近年来先后发生过多起大型屋盖体系风致破坏的严重事故，如北京首都国际机场T3航站楼局部屋面的铁皮被风吹翻、深圳机场候机大厅和湛江某体育馆局部屋面被强风撕开破坏、河南省体育馆罩棚遭九级强风破坏等，造成的经济损失对社会的负面影响很大。这些新建大跨结构的屋面形式新颖，其质量小、柔性大的特点给结构抗风设计带来了新的挑战。据国内外统计，在历次强风作用下屋盖体系破坏约占建筑物风灾损失的一半以上［1］。大型现代建筑在风作用下整体被破坏的例子并不多见，大部分破坏形式为覆面破坏，即屋面板被掀开、撕裂、揭顶以致被风吹跑等现象。而覆面破坏最严重的区域一般位于挑檐、屋檐等周边区域或屋脊附近，只有个别情况下出现屋盖主体结构破坏。此外，特别当门窗被强风吹开或受损等突变事故时，在建筑物上形成开孔，风从开孔突然涌入导致建筑物内部脉动风压增大使屋盖结构受内外压共同作用而更容易遭受风致破坏［2－4］。目前，国内外对于屋盖破坏过程中形成开孔后屋盖的内外风压分布影响规律研究的较少，所以加强屋盖风致破坏机制研究、分析风灾发生的原因、找出合理的抗风措施，对于减轻风致灾害的破坏强度是非常必要的。本文基于CFX11．0软件平台，对1个典型大跨度平屋盖空间结构进行数值模拟，研究屋盖在破坏过程中外表面和内表面风压的分布和变化规律。

1 大跨度平屋盖结构破坏过程数值模拟

1．1 几何建模及边界条件

计算模型为典型大跨度平屋盖空间结构，跨度80 m，高为20 m。在前处理软件CFX－ICEM中建立结构实尺寸建模，计算域(长×宽)为1 680 m×160 m。建筑物置于计算域沿流向前1/3处，计算域已经足够大从而消除了对所关心模型附近流场的影响［5］。采用结构化网格划分并且在建筑物表面和壁面网格加密，网格划分截图见图1。

CFX前处理中输入恰当的边界条件，包括入口边界条件中风速和湍流强度随高度变化的函数［6－7］。采用雷诺平均方法处理流动控制方程，湍流模型选用预测钝体绕流精度较好的剪切应力模型(SST k－ω模型)［8］。地形选用 GB 50009－2001《建筑结构设计荷载规范 》规定的B类场地，取10 m高度处参考风速为30 m/s。模拟过程中用到的其他参数和算法等见表1。

图1 大跨度结构网格划分Fig．1 Computational grid for large span roof

表1 数值模型的参数Table 1 Parameters of numerical model

1．2 模拟工况介绍

通过数值模拟、风洞试验以及房屋的真实破坏可以发现平屋盖在迎风边缘由于受柱状涡和锥形涡作用而产生极大的负风压，在其他区域由于尾流作用风压较小。在屋面负压区，由柱状涡和锥形涡产生的高负压会导致破坏。因此，为了分析屋盖的破坏规律，本文把屋盖破坏开口的地方取在了柱状涡负风压极大值区，并根据实际情况模拟了4种工况。实际结构存在着门窗等开孔，但在数值风洞模拟中一般假定结构完全封闭，不考虑较小的孔口;但是，大跨度结构的进口、出口通常较大，在风洞模拟和数值模拟中是不可忽略的因素。本文对以下4种工况(图2)进行数值风洞模拟，研究其屋盖风致破坏过程中开口处的风压变化。工况1:模型全封闭;工况2:模型迎风面有1个开口，模拟带有入口的大跨度结构［9］;工况3:模型迎风和背风墙面有各有1个开口;工况4:模型背风墙面有1个开口，模拟建筑物入口位于背风面的情况。

图2 模型各工况示意图Fig．2 Sketch of model cases

2 屋盖破坏过程模拟结果对比和分析

2．1 模拟结果数据处理

在空气动力学中，物体表面的风压大小通常采用无量纲平均压力系数Cpi来表示［10］(压力为正，吸力为负)定义为:

式中:CPi为模型上第i点的风压系数;Pi为该测点处的屋面风压;P∞为参考点平均静压;ρ为空气密度;v0为参考高度处的平均风速。对于开孔房屋，屋面净压力系数等于上下表面对应测点的压力系数之差，即

2．2 各种工况平均风压系数模拟结果分析

建筑物屋面结构的几何形状对屋面风压分布有重大影响，不同形式的屋面，其表面风压分布有很大区别。平屋盖屋面板及其与主体连接件的破坏常发生于柱状涡和锥形涡作用位置，表现为边缘屋面板被掀开、撕裂等情况，所以，本文把屋盖破坏开口的位置取在了受柱状涡作用而产生了极大负风压的区域，并模拟了80 m大跨屋盖上破坏开口从0～8 m不同阶段风压系数的变化。

工况1模拟了在屋盖破坏开口时，全封闭结构屋盖的内外表面风压系数分布情况。从图3可以看出:屋盖被掀起时，只对破坏边缘的外表面风压系数有影响，而对屋盖其他部分以及迎风背风墙体外表面风压系数影响很小。在屋面同一测点位置处，屋盖外表面风压系数随破坏开口的增大而增大，且越靠近边缘处变化幅度越剧烈。但是，屋盖破坏开口的大小对内表面风压系数的数值影响不大，内压系数平均值在各测点分布比较均匀，只是在开口处稍有变化，工程设计中可以近似认为是均匀分布，这也与国外有关文献的研究结果一致(图4)［11］。

图3 工况1屋盖外表面风压系数Fig．3 External pressure coefficients of roof for Cases 1

图4 工况1屋盖内表面压系数Fig．4 Internal pressure coefficients of roof for Cases 1

工况2中由于前墙有开敞，风可以从建筑物底部自由吹入，并与屋盖破坏后产生的气流相互作用，所以，出现与工况1不同的屋盖内外表面风压系数分布规律。屋盖边缘同一测点位置处，随着屋盖破坏开口的增大，屋盖外表面风压系数值明显减小，屋盖其他部位风压却有所增加(图5)。图6所示为屋盖破坏开口为1 m时，入口尺寸不同的结构屋盖内表面风压系数分布。从图6可见:当入口尺寸为1 m时，屋盖内表面风压表现为负压，但随着入口尺寸的变大，屋盖内压变成正压且逐渐变大，说明屋盖内压与前墙入口处的直径有关。此外，内压系数随屋盖破坏开孔的增大由压力逐渐转变为吸力并且吸力逐渐增大，如图7所示。因此，当屋盖破坏较小时，屋盖外表面受负压，内表面受正压，形成“上吸下顶”的叠加组合;随着破坏尺寸变大，内表面的压力渐变成负压，上下表面均受负压作用，形成“上吸下吸”的抵消组合，屋盖破坏程度越大内表面吸力也越大。图8所示是屋盖边缘处破坏开口尺寸为1 m时屋盖内外表面风压系数和净风压系数的分布情况。从图8可以看出，入口敞开的结构在内外压的共同作用下使得结构处于非常不利的受力状态，净风压比上表面风压明显增大。

图5 工况2屋盖外表面风压系数Fig．5 External pressure coefficients of roof for Cases 2

工况3和工况4的进、出口高度均为6 m，此时，风压变化规律与工况2的基本一致。从图9可见:在屋盖边缘同一测点位置处，随着破坏开口的变大，屋盖外表面风压系数减小，屋盖其他部位和后墙的风压有所增加。内表面风压总体上随着破坏开口增大而吸力增大，但入口位置对风压有影响。从图7、图10和图11可以看出:靠近入口一侧的内压成“U”型分布，而远离开口位置内压分布较均匀，可能是入口处气流产生旋涡所致。

图6 工况2不同入口大小时屋盖内表面风压系数Fig．6 Internal pressure coefficients of roof with different size of entrance for Cases 2

图7 工况2屋盖内表面风压系数Fig．7 Internal pressure coefficients of roof for Cases 2

图8 工况2屋盖破坏1m时屋盖表面风压系数Fig．8 Pressure coefficients of roof with 1m size damage for Cases 2

图12所示为4种工况在不同破坏开口阶段屋盖净风压的比较。从图12可以看出:工况2和3由于迎风面屋盖底部是开敞的，风可以自由在底部通过而未受到阻碍，气流进入结构使屋盖内外表面风压相互叠加使净风压系数变大，因而这种情况最不安全。工况1和4的迎风面底部封闭，结构内部都是负压，屋盖内外风压相抵，相对较为安全。随着破坏程度加大，4种工况的净风压趋于接近。

图9 工况3屋盖外表面风压系数Fig．9 External pressure coefficients of roof for Cases 3

图10 工况3屋盖内表面风压系数Fig．10 Internal pressure coefficients of roof for Cases 3

图11 工况4屋盖内表面风压系数Fig．11 Internal pressure coefficients of roof for Cases 4

3 结论

(1)在结构封闭的情况下，屋盖边缘位置突然破坏开口，开口附近外表面风压显著增大，可能使屋面板在强风作用下从咬边处脱开进而被掀起，形成连续破坏。因此，在屋盖边缘处的屋面板增加一些抗风螺钉，可以大大抑制风致连续破坏。

图12 不同工况下净风压系数比较Fig．12 Comparison of net pressure coefficients for different cases

(2)对于有入口的大跨度结构，特别是入口在迎风面，屋盖被吹开后受到“上吸下顶”的叠加组合作用，比封闭结构更为危险。屋盖从边缘开始破坏，突然增大的净压力可能使屋盖结构出现连续性破坏，因此在强风来袭时应尽量关闭入口，这样有利于减轻屋盖体系的风致破坏。

(3)在局部屋面板抗风设计时应该考虑内、外表面的净风压，只考虑外表面风压可能偏于不安全。建议分别按照外表面风压与净风压的最不利风荷载进行设计。

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