嘉峪关柔远楼风载体型系数研究*

2021-12-31白成军崔泽楠陈颖候凌静

特种结构 2021年6期

关键词：风洞试验窗棂风向

白成军崔泽楠陈颖候凌静

1.天津大学建筑工程学院 300072

2.文物建筑测绘研究国家文物局重点科研基地（天津大学） 300072

3.嘉峪关丝路（长城）文化研究院文化遗产监测中心 735100

引言

目前，古建筑保护学者多集中于木结构抗震性能以及构件力学特点的研究［1］，结构风工程领域研究相对较少，并且均未考虑窗棂透风情况［2］。随着经济社会的发展，对古建筑预防性保护思维逐渐被接受［3］，其中不乏有直接在木结构古建筑窗棂上加装玻璃的做法，如北京故宫。而传统木结构古建筑的窗棂通常是透风的，在风速较大的地区加装玻璃是否会影响木结构古建筑自身的受力情况还没有针对性的研究。

我国的《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）［4］也没有针对木结构古建筑的风载体型系数，相关研究只能采用现代双坡屋顶建筑的近似取值［5］，这与木结构古建筑复杂多变的外形不相适应。

本文选取典型的高台楼阁三檐歇山式木结构古建筑——嘉峪关柔远楼为研究对象，求解其体型系数，并分析在古建筑本体上加装玻璃是否会影响木结构古建筑的受力。为将来古建筑保护提供参考性建议。

1 数值风洞试验及参数取值

1.1 流体湍流模型与湍流特性

工程上比较常用的湍流模型有很多，文献［6］已证明RNGκ-ε 湍流模型数值风洞模拟结果和风洞试验相吻合，因此本文直接采取RNGκ-ε湍流模型进行计算。κ湍流动能和ε湍流耗散率根据《建筑结构荷载规范》［4］和日本规范［7］确定。

1.2 边界条件

《建筑结构荷载规范》［4］规定，边界层中的风速剖面采用指数率剖面：

其中：z为任意高度；z0为标准参考高度，规范规定为10m；0为z0处平均风速；α为粗糙度指数，速度风剖面采用基于C 语言的UDF 指令输入到数值风洞中。

在出口界面采用完全发展出流（outflow），以内部计算结果为条件，即不对来流产生干扰，自由流出。本试验中，建筑物表面以及地面采用无滑移壁面条件（wall）［8］。

2 可靠性验证

为进一步验证数值风洞试验的可靠性，本文建立45°的双面坡屋顶建筑模型，利用Fluent19.0 建立数值风洞，计算其风载体型系数，将结果与荷载规范规定值进行比较。

2.1 模型建立

实验建筑模型纵向长30m、墙体高10m、屋顶为45°的双面坡屋顶；流体域尺寸为430m ×218m ×630m，如图1 所示。流体域划分网格后的图形分为三个区域进行划分，前端和后端采用六面体网格，适应流体水平流动的特点，建筑物周边采用四面体网格，更好地契合建筑表面［2］。

图1 45°双坡屋顶建筑风洞试验模型Fig.1 Wind tunnel test model of 45° double slope roof building

通常认为，数值模拟的阻塞率（建筑物最大迎风面面积占流域横截面积的比例）不超过3%［9］，时流场才能充分发展。流场域横截面尺寸为430m×218m，建筑模型纵向宽度30m，屋顶至地面高度18m，经计算阻塞率小于3%，满足要求。

2.2 模拟结果

经模拟计算得到建筑物表面的应力云图和风速云图，如图2 所示。从图2 可以看出，迎风面所受压力最大，且中部压力高于两侧和屋顶处，其他面均受负压。当风刮过建筑时，空气流速逐渐降低，并向顶部和两侧偏移，在建筑背风面形成一个低气压区。

图2 45°双坡屋顶模拟结果Fig.2 Simulation results of 45° double slope roof building

2.3 风荷载体型系数计算与对比

假设来流风速是v，密度是ρ，静压为pH，建筑物H高度i点处风压为pi，则该点处“点体型系数”为：

再将“点体型系数”按照该点代表的面积在整个建筑面的加权平均求和就可得到点所在建筑面的风载体型系数μs，即：

式中：Ai为该点体形系数所代表面的面积。

将模拟结果按照此种方法计算得到的风载体型系数与规范值比较如图3 所示。

图3 45°双坡屋顶建筑模拟结果与规范值对比Fig.3 Comparison of simulation results and code values of 45° double slope roof building

从结果看，模拟结果与规范结果相差不大，除迎风与背风面，模拟值略微偏小，误差均保持在10%［10］以内，满足工程精度要求。

3 柔远楼数值风洞试验

3.1 信息采集

三维激光扫描，又称实景复制技术［11］，是现代古建筑测绘与保护领域最先进的高效获取建筑尺寸信息的手段，无需依靠传统的全站仪等设备逐点测量，可在极短的时间内将建筑物表面上各点的信息全部提取。为获得较为精确的建筑尺寸信息，建立与实际建筑更加接近的模型，本文借助三维激光扫描技术对嘉峪关柔远楼进行扫描。通过计算每点的三维坐标数据，绘制成三维点云，如图4 所示。

图4 柔远楼及三维点云模型Fig.4 Rouyuan building and 3D point cloud model

3.2 模型建立

本节根据三维激光扫描得到的建筑尺寸信息，建立嘉峪关柔远楼的刚性模型，在0°和90°两个方向下模拟，为研究窗棂开洞对体型系数的影响，分别计算分析窗棂封闭和开洞两种工况下的风载体型系数。建于高台基上的柔远楼是和台基共同抵抗风荷载的，高台的存在将会对建筑承受的风荷载产生影响。因此，本文建立柔远楼以及城台的刚性模型如图5 所示。0°风向下，风场流域横截面尺寸为430m×218m，台基宽约37m，高约12m，柔远楼宽约15m，高约15m；90°风向下，风场流域尺寸为420m × 220m，台基宽约27m，高约12m，柔远楼宽约12m，高约15m。经计算均满足阻塞率要求。依照2.1 节实验模型的方法划分网格进行数值风洞试验。

图5 柔远楼数值风洞试验模型Fig.5 Numerical wind tunnel test model of Rouyuan building

3.3 模拟结果与分析

经数值风洞试验模拟得到应力云图如图6 所示。经计算得到风载体型系数如图7 所示。两种风向下两侧面体型系数值接近，为方便应用取其均值作为两侧面体形系数取值（括号内为内墙体型系数）。

图6 柔远楼数值风洞试验应力云图（单位： Pa）Fig.6 Stress nephogram of Rouyuan building numerical wind tunnel test（unit：Pa）

图7 柔远楼风载体型系数Fig.7 Wind load shape coefficient of Ruoyuan building

由图6、图7 可知，应力云图具有高度对称性并且两侧体形系数值相接近，这在一定程度上也印证了计算结果的准确性。在0°和90°风向上，只有迎风面受压力，其他面均受吸力（体型系数为正，建筑受压力；体型系数为负，建筑受吸力）。当窗棂开洞时，不封闭的二层和三层建筑内部会产生负压，对墙体以及屋顶和屋面产生向内的吸力。

由表1 可知，窗棂封闭时两个风向上迎风面上外墙的体型系数会增大，背风面体型系数绝对值会减小（以下增大减小均为绝对值）；在90°风向上侧面外墙体型系数均呈现增大趋势，0°风向上无明显变化规律。

表1 外墙风载体型系数Tab.1 Shape coefficient of exterior walls

窗棂开洞时，建筑内部产生负压，如将两个风向上内外墙体体型系数叠加可得表2，迎风面墙体受正压力，叠加内部负压会导致所受合力增大；背风面以及侧面受负压，叠加内部负压后墙体所受合力将显著减小。两种风向下均呈现此规律，90°风向下侧面变化尤为明显。因此，窗棂开洞会增加迎风面墙体的受力，减小其他面墙体的受力。

表2 墙体内外风载体型系数和Tab.2 Sum of shape coefficient of interior and exterior walls

如表3 所示，两种风向下，迎风面一层与二层屋檐的体型系数相较于第三层均偏大，在0°风向上尤为明显，背风面及侧面相差不大。因此，古建筑日常维护中要重视一二层屋檐。在窗棂封闭时，一二层屋檐体型系数大致呈现增大趋势，三层屋檐体型系数变化相反，0°风向下迎风面三层屋檐变化最大。因此，窗棂封闭会增大一二层屋檐的受力，减小第三层屋檐的受力。