考虑风场干扰的喇叭形悬挑钢结构设计风荷载
2019-11-19乔杨锴唐明阳
王 刚，乔杨锴，唐明阳
(1.成都高速公路股份有限公司，四川成都 610000；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)
随着城市化建设的快速发展，城市内建筑的风场干扰效应变得日益复杂。大跨度、悬挑钢结构由于其造型多变，风荷载较为复杂，加之结构较为轻盈，往往属于风敏感结构，在临近密集建筑群的干扰影响下，可能容易出现异常风致干扰效应，严重时可能影响结构安全性。因此，考虑风场干扰效应进行抗风设计是十分现实和重要的。
自1965年11月英国渡桥电厂发生冷却塔倒塌事故[1]以来，风致干扰效应便引起研究人员的高度关注。近些年里，已有研究大都以高层建筑作为研究对象，其中Bailey[2]通过风洞试验对比分析了两个高耸建筑之间的动态干扰效应；Zhang[3]在分析两建筑之间的干扰效应时考虑了建筑的不同截面外形和相对位置；李正农[4]则对比了风场类型及周边干扰对高层建筑表面风压的影响。
对低矮建筑，John[5]、Cheng[6-7]等人以TTU模型为基础研究了低矮建筑群的风场干扰，研究结果显示，密集低矮建筑群产生的遮挡效应有效降低了屋面风吸力，一定条件下，平均风压和极值风压的降低幅度甚至超过80 %。Cheng的研究说明了低矮建筑与高层建筑的风场干扰截然不同，但是Cheng的模型过于规整，忽略了密集建筑群高低错落布置的相互影响。余志祥[8]针对看台干扰下的悬挑钢结构飘篷的风荷载作了分析，研究了不同风向角下风压的变化规律，发现某些风向角下，由于看台干扰影响，悬挑结构可能出现与规范[9]规则体型不同的正风压作用，这对悬挑结构受力可能是非常不利的。其他如顾明[10]、沈国辉[11]等人也对体育场飘篷的风场干扰影响进行了研究。
上述研究还表明：随着计算技术的进步，数值风洞模拟技术在风荷载研究方面已经日趋成熟，成为与风洞试验并行的研究手段。正如Murakami[12]所说：“使用传统的方法，在时空上明确求解人居环境中的三维流场和温度场几乎是不可能的”。
据此，本文拟采用非线性k-ε-EARSM湍流模型，结合准稳态时步逼近求解技术[13]，考虑临近建筑物风场干扰影响，开展了24组风向角下的数值风洞模拟，研究了风场干扰下的喇叭形悬挑钢结构设计风荷载，供钢结构抗风设计参考。
1 模型建立
1.1 工程概况
该工程为步行商业街装饰钢结构，上部为喇叭形开口，下部近似为圆柱体(图1)。为便于描述，图1中分别给出了上部开口的内、外表面及下部柱体的A、B侧指示。该结构高约27 m，靠前侧外悬挑约18 m，采用单层网格薄壳，整体刚度偏小，悬挑段对风荷载较为敏感。该钢结构前侧相对开阔，后侧紧邻商业建筑，四周50 m范围外规划为密集商业建筑，风环境复杂，风场干扰严重。结构无封闭空间，内外表面均存在风压(吸)作用。为了给结构抗风设计提高供参考荷载值，考虑周边临近建筑的风场干扰，开展了数值风洞模拟，研究了结构悬挑部分内、外侧风压分布以及结构风荷载合力，对工程抗风设计提出了若干建议。
图1 喇叭形结构示意
1.2 几何建模及其网格划分
对喇叭形装饰结构及其周边建筑进行整体建模(图2)，计算流域取为B×H×L=1432×350×2346m3。共考虑24组风向角，风向角间隔15 °(图3)。
图2 计算域
图3 风向角示意
各模型网格总数约为1.42×106，最小网格尺寸为0.1 m，位于喇叭形装饰结构表面，周边建筑表面最大网格尺度为3.5 m，靠近喇叭形结构的部分建筑表面网格尺度为2.5 m，计算流域中最大网格尺度约为69 m，位于流场出口附近，网格划分见图4。
1.3 风场模拟控制参数
大气边界层的水平风速由式(1)确定，其中Z为空间高度；Zs为标准高度，取为10 m；α为地面粗糙程度，所在地为B类地貌，α=0.16。
(1)
湍流动能为：
(2)
耗散率为：
(3)
湍流强度为式(4)，其中Zb=5m。
(4)
边界条件包含有入流边界、出流边界、流场侧壁、顶部、地面以及建筑表面，入流边界包括有速度剖面、湍流强度、耗散率以及湍流强度，分别由式(1)～式(4)确定；出流边界为Outlet，出口处沿流向压力梯度为0；流场侧壁和顶面是光滑壁面(Free slip wall)；地面为No slip wall，考虑0.01 m的地面粗糙度；建筑表面为No slip wall。
(a)建筑整体
(b)喇叭形结构局部网格
计算中采用k-ε-EARSM湍流模型，使用稳态时步逼近算法，对流项为一阶迎风格式，计算终止判定条件为场变量残差低于5×10-6(表1、表2)。
表1 模型边界条件
表2 计算控制参数
2 结果分析
2.1 风荷载计算
给出结果为平均压力系数，为无量纲量，与体型系数意义相同，即为建筑表面动压与来流参考高度(装饰结构顶部)动压的比值，即式(5)～式(6)。在结构设计时，取不利风向下的平均压力系数，再乘以风压高度系数、风振系数和基本风压，从而得出风压标准值，其中风振系数可先按经验预估，确定结构方案后在依据公式近似推算。
(5)
(6)
各测点风压：Wi=βzCpaμzmaxPref
(7)
式中：Pref为参考高度入流风压；Vref为入流断面上的参考高度风速，单位m/s；ρ为空气密度，取值为1.222 5 kg/m3；Pi为屋盖表面的节点计算风压；P为大气压；Cpa为模拟节点风压系数，βz为风振系数，结构初设时，可近似按1.3～1.5考虑。
2.2 结构风压系数及干扰分析
计算结果包括有建筑表面的风压系数和结构部分及其整体受到的风荷载合力，其中包括两点基本约定：其一是表面风压正负号约定，其二是风荷载合力正负号约定。当风压作用力指向测量表面的为正(压力)，背离作用表面为负(吸力)，测点最终的净(合)压力为外表面和内表面压力之差；合力沿着坐标轴正方向则为正号，否则为负号。
由于计算模型有24个风向角，风向角在0～30 °以及165～195 °之间时，喇叭形装饰结构处在周边建筑的尾流区位置；当风向角在90～135 °和285～345 °之间时，结构在顺流方向前后的遮挡物较少。因此受篇幅限制，取四个风向角，分别为30 °、120 °、210 °和300 °。
图5、图6分别为四个风向角下结构上部喇叭形开口部分内、外表面的风压系数。图7给出了则是下部A侧柱体表面的风压系数。表3给出了四个风向角下结构局部与整体受到的风荷载合力。
(a)30°
(b )120°
(c)210°
(d)300°
在风向角为30 °时，喇叭形装饰结构位于其前方建筑的近尾流区，上部开敞部分内外表面风压均表现为负压，呈相互抵消趋势，局部和整体受到的风荷载都较少，但由于结构处在建筑尾流区，结构附近存在较大旋涡，气流呈剥离状态，湍流现象明显。风向角为120 °时，来流前方较为开阔，上部结构由于周边建筑干扰大幅减小，迎风面外侧表现为正压；结构两侧依然存在低矮建筑，风场存在一定程度干扰，上部结构的两侧和背风侧内外表面均为负压，且呈现抵消趋势；而下部柱体受遮挡影响依然处在负压区，受风场干扰影响，柱体局部出现一个负压较大的区域，风压系数达到0.8，从竖向风荷载合力来看，结构处于下压作用。当风向角为210 °时，结构处于临近建筑的近尾流区域，受尾流影响，内外表面呈负压，有相互抵消趋势；整体风荷载合力相对较小，但建筑处于尾流旋涡，湍流现象比较明显。风向角为300 °时，结构来流方向的前侧开阔，迎风侧外表面多表现为正压，且正压风压系数达到0.8，内表面则呈现负压，结构悬挑部位大部分区域风压系数在2.0左右；同时由于最悬挑部分处于迎风面，升力作用明显，结构整体受到的竖向升力作用明显，上部结构所受升力达到350 kN，结构整体升力达到453 kN(表3)。
(a)30°
(b )120°
(c)210°
(d)300°
(a)30°
(b)120°
(c)210°
(d)300°
风向角下部柱体上部开口部分整体结构XYZXYZXYZ30o-9-206-2-121-11-327120o52-5-13444-1596-1-28210o619-1310-10929-11300o85-14103173-15350258-29453
为进一步说明不同风向角下风场干扰对结构受力的影响，取风荷载竖向合力绘制玫瑰图(图8)，从图中可以看出，受结构形态及周边建筑遮挡影响，竖向风荷载合力具有明显的主导风向，其主导风向即为结构的最不利风向角，约为300 °。当风向角在30～210 °范围内，结构处于周边建筑尾流区内或受建筑影响，风场较为紊乱，且呈现相互抵消趋势，整体结构受到的升力不大。当风向角为240～360 °时，来流前方较为开阔，两侧建筑遮挡，中间过流断面急剧减小，致使结构受到的风力作用增强，在设计中需要着重考虑。
(a)下部柱体
(b)上部开口部分
(c)整体结构
3 结论与建议
本文通过计算在不同风向角下喇叭形悬挑钢结构表面风压及受力状态和周边流场特征，分析由周边建筑产生的风场干扰对悬挑钢结构的影响。本文得出的结论及其相关设计建议如下：
(1)风荷载是喇叭形悬挑钢装饰结构表面的主要荷载之一，水平流向产生的风阻力与气流剥离产生的负压对结构的气动影响处于同等量级。考虑到结构具有轻、高、柔、薄的特征，可能存在明显的风振作用，建议基于平均风荷载进一步考虑风振影响，位移风振系数可根据结构自振特性参照GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[9]7.4节进行计算。
(2)邻近建筑物对喇叭形的风场干扰效应非常明显，加之喇叭形与相邻建筑物距离较近，建筑群的钝体特征总体较为突出，气流流经喇叭形表面时，其尾流较为紊乱，可能难以形成具有周期性质的横向涡脱。因此，关于结构的横风向振动，可以依据经验并结合GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[9]7.6节斟酌考虑。
