大跨度平屋蓋結構風致破壞過程模擬*

田玉基，楊 娜，楊 陽

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

隨著北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會在中國的成功舉辦，大跨度空間結構場館建筑層出不窮，廣泛應用于體育場館、機場車站、會展中心、文化廣場等大型公共建筑中。然而，近年來先后發(fā)生過多起大型屋蓋體系風致破壞的嚴重事故，如北京首都國際機場T3航站樓局部屋面的鐵皮被風吹翻、深圳機場候機大廳和湛江某體育館局部屋面被強風撕開破壞、河南省體育館罩棚遭九級強風破壞等，造成的經(jīng)濟損失對社會的負面影響很大。這些新建大跨結構的屋面形式新穎，其質(zhì)量小、柔性大的特點給結構抗風設計帶來了新的挑戰(zhàn)。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，在歷次強風作用下屋蓋體系破壞約占建筑物風災損失的一半以上［1］。大型現(xiàn)代建筑在風作用下整體被破壞的例子并不多見，大部分破壞形式為覆面破壞，即屋面板被掀開、撕裂、揭頂以致被風吹跑等現(xiàn)象。而覆面破壞最嚴重的區(qū)域一般位于挑檐、屋檐等周邊區(qū)域或屋脊附近，只有個別情況下出現(xiàn)屋蓋主體結構破壞。此外，特別當門窗被強風吹開或受損等突變事故時，在建筑物上形成開孔，風從開孔突然涌入導致建筑物內(nèi)部脈動風壓增大使屋蓋結構受內(nèi)外壓共同作用而更容易遭受風致破壞［2－4］。目前，國內(nèi)外對于屋蓋破壞過程中形成開孔后屋蓋的內(nèi)外風壓分布影響規(guī)律研究的較少，所以加強屋蓋風致破壞機制研究、分析風災發(fā)生的原因、找出合理的抗風措施，對于減輕風致災害的破壞強度是非常必要的。本文基于CFX11．0軟件平臺，對1個典型大跨度平屋蓋空間結構進行數(shù)值模擬，研究屋蓋在破壞過程中外表面和內(nèi)表面風壓的分布和變化規(guī)律。

1 大跨度平屋蓋結構破壞過程數(shù)值模擬

1．1 幾何建模及邊界條件

計算模型為典型大跨度平屋蓋空間結構，跨度80 m，高為20 m。在前處理軟件CFX－ICEM中建立結構實尺寸建模，計算域(長×寬)為1 680 m×160 m。建筑物置于計算域沿流向前1/3處，計算域已經(jīng)足夠大從而消除了對所關心模型附近流場的影響［5］。采用結構化網(wǎng)格劃分并且在建筑物表面和壁面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分截圖見圖1。

CFX前處理中輸入恰當?shù)倪吔鐥l件，包括入口邊界條件中風速和湍流強度隨高度變化的函數(shù)［6－7］。采用雷諾平均方法處理流動控制方程，湍流模型選用預測鈍體繞流精度較好的剪切應力模型(SST k－ω模型)［8］。地形選用 GB 50009－2001《建筑結構設計荷載規(guī)范 》規(guī)定的B類場地，取10 m高度處參考風速為30 m/s。模擬過程中用到的其他參數(shù)和算法等見表1。

圖1 大跨度結構網(wǎng)格劃分Fig．1 Computational grid for large span roof

表1 數(shù)值模型的參數(shù)Table 1 Parameters of numerical model

1．2 模擬工況介紹

通過數(shù)值模擬、風洞試驗以及房屋的真實破壞可以發(fā)現(xiàn)平屋蓋在迎風邊緣由于受柱狀渦和錐形渦作用而產(chǎn)生極大的負風壓，在其他區(qū)域由于尾流作用風壓較小。在屋面負壓區(qū)，由柱狀渦和錐形渦產(chǎn)生的高負壓會導致破壞。因此，為了分析屋蓋的破壞規(guī)律，本文把屋蓋破壞開口的地方取在了柱狀渦負風壓極大值區(qū)，并根據(jù)實際情況模擬了4種工況。實際結構存在著門窗等開孔，但在數(shù)值風洞模擬中一般假定結構完全封閉，不考慮較小的孔口;但是，大跨度結構的進口、出口通常較大，在風洞模擬和數(shù)值模擬中是不可忽略的因素。本文對以下4種工況(圖2)進行數(shù)值風洞模擬，研究其屋蓋風致破壞過程中開口處的風壓變化。工況1:模型全封閉;工況2:模型迎風面有1個開口，模擬帶有入口的大跨度結構［9］;工況3:模型迎風和背風墻面有各有1個開口;工況4:模型背風墻面有1個開口，模擬建筑物入口位于背風面的情況。

圖2 模型各工況示意圖Fig．2 Sketch of model cases

2 屋蓋破壞過程模擬結果對比和分析

2．1 模擬結果數(shù)據(jù)處理

在空氣動力學中，物體表面的風壓大小通常采用無量綱平均壓力系數(shù)Cpi來表示［10］(壓力為正，吸力為負)定義為:

式中:CPi為模型上第i點的風壓系數(shù);Pi為該測點處的屋面風壓;P∞為參考點平均靜壓;ρ為空氣密度;v0為參考高度處的平均風速。對于開孔房屋，屋面凈壓力系數(shù)等于上下表面對應測點的壓力系數(shù)之差，即

2．2 各種工況平均風壓系數(shù)模擬結果分析

建筑物屋面結構的幾何形狀對屋面風壓分布有重大影響，不同形式的屋面，其表面風壓分布有很大區(qū)別。平屋蓋屋面板及其與主體連接件的破壞常發(fā)生于柱狀渦和錐形渦作用位置，表現(xiàn)為邊緣屋面板被掀開、撕裂等情況，所以，本文把屋蓋破壞開口的位置取在了受柱狀渦作用而產(chǎn)生了極大負風壓的區(qū)域，并模擬了80 m大跨屋蓋上破壞開口從0～8 m不同階段風壓系數(shù)的變化。

工況1模擬了在屋蓋破壞開口時，全封閉結構屋蓋的內(nèi)外表面風壓系數(shù)分布情況。從圖3可以看出:屋蓋被掀起時，只對破壞邊緣的外表面風壓系數(shù)有影響，而對屋蓋其他部分以及迎風背風墻體外表面風壓系數(shù)影響很小。在屋面同一測點位置處，屋蓋外表面風壓系數(shù)隨破壞開口的增大而增大，且越靠近邊緣處變化幅度越劇烈。但是，屋蓋破壞開口的大小對內(nèi)表面風壓系數(shù)的數(shù)值影響不大，內(nèi)壓系數(shù)平均值在各測點分布比較均勻，只是在開口處稍有變化，工程設計中可以近似認為是均勻分布，這也與國外有關文獻的研究結果一致(圖4)［11］。

圖3 工況1屋蓋外表面風壓系數(shù)Fig．3 External pressure coefficients of roof for Cases 1

圖4 工況1屋蓋內(nèi)表面壓系數(shù)Fig．4 Internal pressure coefficients of roof for Cases 1

工況2中由于前墻有開敞，風可以從建筑物底部自由吹入，并與屋蓋破壞后產(chǎn)生的氣流相互作用，所以，出現(xiàn)與工況1不同的屋蓋內(nèi)外表面風壓系數(shù)分布規(guī)律。屋蓋邊緣同一測點位置處，隨著屋蓋破壞開口的增大，屋蓋外表面風壓系數(shù)值明顯減小，屋蓋其他部位風壓卻有所增加(圖5)。圖6所示為屋蓋破壞開口為1 m時，入口尺寸不同的結構屋蓋內(nèi)表面風壓系數(shù)分布。從圖6可見:當入口尺寸為1 m時，屋蓋內(nèi)表面風壓表現(xiàn)為負壓，但隨著入口尺寸的變大，屋蓋內(nèi)壓變成正壓且逐漸變大，說明屋蓋內(nèi)壓與前墻入口處的直徑有關。此外，內(nèi)壓系數(shù)隨屋蓋破壞開孔的增大由壓力逐漸轉變?yōu)槲Σ⑶椅χ饾u增大，如圖7所示。因此，當屋蓋破壞較小時，屋蓋外表面受負壓，內(nèi)表面受正壓，形成“上吸下頂”的疊加組合;隨著破壞尺寸變大，內(nèi)表面的壓力漸變成負壓，上下表面均受負壓作用，形成“上吸下吸”的抵消組合，屋蓋破壞程度越大內(nèi)表面吸力也越大。圖8所示是屋蓋邊緣處破壞開口尺寸為1 m時屋蓋內(nèi)外表面風壓系數(shù)和凈風壓系數(shù)的分布情況。從圖8可以看出，入口敞開的結構在內(nèi)外壓的共同作用下使得結構處于非常不利的受力狀態(tài)，凈風壓比上表面風壓明顯增大。

圖5 工況2屋蓋外表面風壓系數(shù)Fig．5 External pressure coefficients of roof for Cases 2

工況3和工況4的進、出口高度均為6 m，此時，風壓變化規(guī)律與工況2的基本一致。從圖9可見:在屋蓋邊緣同一測點位置處，隨著破壞開口的變大，屋蓋外表面風壓系數(shù)減小，屋蓋其他部位和后墻的風壓有所增加。內(nèi)表面風壓總體上隨著破壞開口增大而吸力增大，但入口位置對風壓有影響。從圖7、圖10和圖11可以看出:靠近入口一側的內(nèi)壓成“U”型分布，而遠離開口位置內(nèi)壓分布較均勻，可能是入口處氣流產(chǎn)生旋渦所致。

圖6 工況2不同入口大小時屋蓋內(nèi)表面風壓系數(shù)Fig．6 Internal pressure coefficients of roof with different size of entrance for Cases 2

圖7 工況2屋蓋內(nèi)表面風壓系數(shù)Fig．7 Internal pressure coefficients of roof for Cases 2

圖8 工況2屋蓋破壞1m時屋蓋表面風壓系數(shù)Fig．8 Pressure coefficients of roof with 1m size damage for Cases 2

圖12所示為4種工況在不同破壞開口階段屋蓋凈風壓的比較。從圖12可以看出:工況2和3由于迎風面屋蓋底部是開敞的，風可以自由在底部通過而未受到阻礙，氣流進入結構使屋蓋內(nèi)外表面風壓相互疊加使凈風壓系數(shù)變大，因而這種情況最不安全。工況1和4的迎風面底部封閉，結構內(nèi)部都是負壓，屋蓋內(nèi)外風壓相抵，相對較為安全。隨著破壞程度加大，4種工況的凈風壓趨于接近。

圖9 工況3屋蓋外表面風壓系數(shù)Fig．9 External pressure coefficients of roof for Cases 3

圖10 工況3屋蓋內(nèi)表面風壓系數(shù)Fig．10 Internal pressure coefficients of roof for Cases 3

圖11 工況4屋蓋內(nèi)表面風壓系數(shù)Fig．11 Internal pressure coefficients of roof for Cases 4

3 結論

(1)在結構封閉的情況下，屋蓋邊緣位置突然破壞開口，開口附近外表面風壓顯著增大，可能使屋面板在強風作用下從咬邊處脫開進而被掀起，形成連續(xù)破壞。因此，在屋蓋邊緣處的屋面板增加一些抗風螺釘，可以大大抑制風致連續(xù)破壞。

圖12 不同工況下凈風壓系數(shù)比較Fig．12 Comparison of net pressure coefficients for different cases

(2)對于有入口的大跨度結構，特別是入口在迎風面，屋蓋被吹開后受到“上吸下頂”的疊加組合作用，比封閉結構更為危險。屋蓋從邊緣開始破壞，突然增大的凈壓力可能使屋蓋結構出現(xiàn)連續(xù)性破壞，因此在強風來襲時應盡量關閉入口，這樣有利于減輕屋蓋體系的風致破壞。

(3)在局部屋面板抗風設計時應該考慮內(nèi)、外表面的凈風壓，只考慮外表面風壓可能偏于不安全。建議分別按照外表面風壓與凈風壓的最不利風荷載進行設計。

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