厦门石狮世茂国际广场摩天轮风荷载分析

王汝军 潘钧俊,2 余少乐 方能榕 陈 华 陈 勇

(1.中国建筑第八工程局有限公司 上海 200120;2.华东建筑设计研究院有限公司 上海 200011)

1 工程概况

石狮市位于福建省东南沿海，泉州市南部，市域三面临海，西与晋江市接壤，北距泉州市21km，南离厦门97km，是中国休闲服装名城、著名侨乡。石狮自古以来商贾云集，依靠海运成为海上重要的贸易港口，是海上丝绸之路的起点，商业文明发达。石狮市作为全国百强县，拥有大量知名品牌，海外归侨众多，经济实力强，整体消费能力高，但城市缺乏公共活动空间及高端商业，消费力外流严重。

石狮世茂国际广场一期项目位于福建省石狮市石金路钞坑地块(图1)。地块北面靠近南环路，紧邻规划路，东面为石金路，石金路往北与城市中心连接，西面临省道，省道与石金路为主要机动车道，西南面及西北面为规划路，南面为规划中的世茂SOHO及办公场所，西北面为规划中的世茂高端酒店，东面为规划建设中的世茂高端住宅区，西侧区域为石狮市国际服装城及服装城客运站、物流仓储中心，石狮服装城是亚洲最大专业服装市场。

图1 厦门石狮世茂广场效果图

福建石狮市观览车是直径88m新一代大型观览车(图2)，主要有前后塔架、主轴、组合式转盘(支撑梁、滚道梁和钢缆组成)、座舱、驱动装置、电气、灯光及控制系统组成，整个转盘为一类似圆盘状的结构。该观览车安装于石狮世茂国际广场一期项目某建筑物楼顶。

图2 观览车结构示意图

风荷载是摩天轮结构的主要控制荷载。该项目周边属B类地貌，50年重现期基本风压为0.80kN/m2。由图2可知，该观览车结构体型复杂，且周边及其底部建筑的干扰不可忽略，规范中无相似体系的建筑可供参考，结构工程师在进行结构设计时对建筑所受风荷载的取值难以把握。

摩天轮结构的构件大部分为长细构件，应用实体风洞进行常规的实验，在制作缩尺实验模型时，存在制作困难、缩尺模型失真等问题，而数值风洞模拟技术不存在该类困难，而且可以1∶1模型模拟。鉴于此，对该观览车进行数值风洞模拟计算，为下一步结构分析提供准确的风荷载数据[1-7]。

2 分析内容

结构设计依据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)确定风荷载标准值，当计算主要承重结构时采用式(1)：

wk=βzμsμzw0

(1)

式中，w0——基本风压取50年重现期0.80kN/m2；

βz——高度z处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数，可按《荷载规范》表8.2.1取值。

该项目计算主要内容：通过数值风洞稳态计算，获取观览车结构在8个风向下的表面平均风压(μsμzw0)，通过表面积分，获取结构风荷载合力。

该项目需要考虑周边建筑影响，因此，分析模型中包含了周边方圆500m直径范围内的建筑群。几何模型如图3所示。

图3 观览车及其周边建筑CFD几何模型

3 数值风洞边界条件与网格

数值模拟计算，基于大型流体计算软件Ansys Fluent 16.0平台；压力和速度耦合，采用SIMPLE算法；控制方程，采用分离式方法(Segregated)求解。

该项目数值风洞采用1∶1的全尺寸模型；同时，通过对称边界条件有效减少数值的网格数量。本次数值风洞长3000 m，宽1000 m，高500 m。数值风洞网格模型如图4所示，其中，主体建筑及地表边界层网格加密，网格总计860万。

图4 摩天轮局部放大CFD网格

数值风洞入口定义来流的平均风速和湍流强度。根据该工程周边条件，选B类地面粗糙度类别，基本风压取0.80 kN/m2。

按我国荷载规范，平均风速剖面为：10 m以下，平均风速为36.15 m/s；10 m至350 m，平均风速为36.15x(z/10)0.15m/s；我国规范对湍流强度无规定，该工程参考国外有关规定，5 m以下湍流强度为0.23；5 m至350 m湍流强度为0.1x(z/350)-0.2。计算采用入口风剖面自保持技术，使数值模拟精度进一步提高。采用压力出口pressure-out。顶面和侧面采用对称边界条件，symmetry。地面和建筑物壁面采用无滑移壁面wall。

4 风向规定

该工程每隔45°计算一个风向角计算，共计8个风向角，如图5所示。

图5 风向定义

5 观览车风荷载合力

通过数值风洞稳态计算，获取观览车在各风向角下的平均风压，并通过积分获取观览车的风荷载合力。

为了后续结构分析方便，本报告中约定风荷载集中力为观览车主轴中心，0度风向方向为x正方向，90°风向方向为y正方向，模型竖向向上为z正方向。具体如图6所示。

图6 观览车模型坐标轴约定示意图

图7给出了各风向角下的观览车风荷载合力。

(a)

(b)图7 各风向角下的观览车风荷载合力

从计算结果看，由于周边建筑的干扰作用，对观览车的风荷载值产生了明显影响。在90°风向角时，来流风向与观览车面内垂直，由于周边建筑的干扰，观览车两侧风荷载分布不对称，风荷载造成的竖向弯矩Mz达到最大-9569.43kN·m。详见图8给出的90°风向角下观览车及周边建筑迎风向风压分布云图；图9给出90°风向角下观览车迎风向风压分布云图。

图8 观览车及周边建筑风压分布云图(90°)/Pa

图9 观览车迎风向风压分布云图(90°)/Pa

由于周边建筑的干扰影响不同，在90°与270°风向角的风荷载合力绝对值也存在较大差异，风荷载合力各方向分力[Fx Fy Fz Mx My Mz]在两个风向下的值，分别为[-282.50， 1673.12，71.42，9697.56，1559.36，-9569.43]与[56.45，-1367.99，107.70，180.18，-2293.78，5246.21]。其中Fy绝对值差异305kN，差异比例接近20%；Mx绝对值差异9517kN·m，差异比例接近99%。

6 摩天轮LOGO风荷载合力

摩天轮观览车在两侧悬挂“世茂摩天城”字样LOGO，字体宽20 m，高8.1 m，厚度为1.2 m，风荷载效应明显，且LOGO对于观览车的干扰作用也不可忽略。

表1给出了y轴正向LOGO字体的风荷载合力值，其中，x向合力最大值在315°风向角，为60.2kN；y向合力最大值在270°风向角，为-121.0kN；z向合力最大值在315°风向角，为14.1kN。

表1 各风向角下的单侧LOGO风荷载合力 kN

7 结语

本文应用数值风洞技术，对厦门石狮世茂国际广场观览车的风荷载进行了模拟，得到了观览车的平均风荷载值：

(1)分析得到了观览车整体平均风荷载值以及摩天轮LOGO的独立风荷载值，可供设计人员结构风荷载取值使用。

(2)由于周边建筑干扰，结构风荷载分布沿观览车几何对称面的对称性被破坏,观览车风荷载分布及总荷载随风向变化的分布差异明显、空间对称性变弱。

本文的研究分析方法具有一般通用性，可供同类结构风荷载研究借鉴，分析方法与分析结果，可作为类似项目参考。