大型客運碼頭風(fēng)荷載特性和風(fēng)環(huán)境分析

李 波，楊慶山，侯亞委，陳愛國

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

近年來，隨著海島旅游資源的不斷開發(fā)利用，我國在海濱地區(qū)建設(shè)了一大批地標性大型客運碼頭，造型獨特的大跨屋蓋在這些客運碼頭中得到了廣泛應(yīng)用。由于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)具有自重輕、柔性大、自振頻率低等特點［1－2］，風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制性載荷［3－4］；再加之海濱地區(qū)風(fēng)場往往具有基本風(fēng)壓大的特點，確定該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，并對其風(fēng)環(huán)境進行評估便成為該類建筑抗風(fēng)設(shè)計及運營預(yù)警系統(tǒng)必不可少的內(nèi)容之一。

唐山灣國際旅游島客運碼頭是唐山灣國際旅游島建設(shè)項目的地標性建筑，由一大二小呈品字形布置的貝殼形懸挑屋蓋與兩層弧形觀光平臺組成。其中，兩個小貝殼完全相同，并以大貝殼主軸為軸線左右對稱（圖1）。大貝殼屋蓋懸挑長度為72 m，小貝殼屋蓋為60 m。風(fēng)荷載是唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋設(shè)計的控制性載荷，并且，碼頭局部風(fēng)環(huán)境是影響其運營預(yù)警系統(tǒng)的主要指標。

圖1 唐山灣國際旅游島客運碼頭（單位：cm）Fig．1 Ferry terminal in Tangshan bay for island tourism（unit：cm）

本文以唐山灣國際旅游島客運碼頭為例，進行了海濱大型客運碼頭的剛性模型測壓風(fēng)洞試驗［5－6］，結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬結(jié)果［7－8］，研究了客運碼頭大跨屋蓋的風(fēng)荷載分布特性。在此基礎(chǔ)上，分析了屋蓋下方附屬建筑物對其風(fēng)壓的影響，并對客運碼頭局部風(fēng)環(huán)境進行了分析，為該類建筑的抗風(fēng)設(shè)計與運營預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬概況

1．1 風(fēng)洞試驗［9－11］

本次試驗在北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系低速風(fēng)洞中進行，該風(fēng)洞試驗段為圓形開口。在正式試驗前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2001）的規(guī)定，模擬了1／100的A類風(fēng)場（地面粗糙度指數(shù)α＝0．12），風(fēng)場平均風(fēng)、湍流度剖面及脈動風(fēng)速功率譜如圖2所示。

圖2中，z、Hg、U、Ug、α分別為高度、梯度風(fēng)高度、風(fēng)速、梯度風(fēng)高度處風(fēng)速和風(fēng)速剖面冪指數(shù)。試驗?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ停捎肁BS材料和有機玻璃板制作。根據(jù)實際建筑物的大小和風(fēng)洞試驗阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶100，風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。考慮到兩側(cè)小貝殼的對稱性，本次風(fēng)洞試驗僅對大貝殼和一側(cè)小貝殼布設(shè)測點。采用雙面測壓技術(shù)，每個測壓貝殼的上、下表面對應(yīng)位置各布置114個測壓點，共計456個測壓點，其中412個測點位于貝殼對風(fēng)荷載敏感的屋蓋部分（圖4）。測點處設(shè)置測壓管，用來測量各點的瞬時風(fēng)壓，為了獲得盡可能高的頻率響應(yīng)，在連接測壓孔和掃描閥的每一根塑料管中均接有限流器。試驗采用美國Scanivalve公司機械掃描閥測壓系統(tǒng)，采樣頻率400 Hz，每個通道采樣點數(shù)為3 900。

風(fēng)洞試驗中，風(fēng)向角記為β，本文定義模型正南方向的中軸線為0°角（參見圖3）。在0°～360°范圍內(nèi)每轉(zhuǎn)動10°測試一次，即模擬36個風(fēng)向。

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，物體表面的壓力通常用對應(yīng)于參考點的無量綱壓力系數(shù)表示，該系數(shù)可按下式確定：

式中：C為測壓點i處相應(yīng)于參考點的壓力系數(shù)；Pi為作用在測點i處的壓力；P∞、P0分別是試驗中參考高度處的總壓與靜壓（本次試驗中，參考點設(shè)置在模型頂部高度處）。

本文風(fēng)壓符號約定為：壓力向上或向外為負，壓力向下或向內(nèi)為正。

圖2 試驗風(fēng)場特性Fig．2 Flow characteristics in wind tunnel

圖3 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ虵ig．3 Wind tunnel test models

圖4 測壓點布置Fig．4 Distribution of measured taps

1．2 數(shù)值模擬

應(yīng)用CFD技術(shù)對建筑物表面的風(fēng)壓進行數(shù)值模擬是當(dāng)前風(fēng)工程研究和應(yīng)用的一個熱點。本文亦采用CFX計算流體動力學(xué)軟件［12］對唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋的平均風(fēng)荷載進行了數(shù)值模擬，通過對比CFD數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果，可達到相互驗證的目的。此外，借助數(shù)值可視化工具將流場顯示出來，可為進一步研究屋蓋周圍流場繞流特性和碼頭局部風(fēng)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

在建立數(shù)值模型時，按照唐山灣國際旅游島客運碼頭的實際尺寸建立幾何模型，計算域的尺寸取為16L×8B×10H（L為建筑物的順風(fēng)向長度，B為建筑物橫風(fēng)向?qū)挾龋琀為建筑物高度），其阻塞率小于3%。由于模型較為復(fù)雜，本文使用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。在計算域的網(wǎng)格離散中做了特別設(shè)計：整體上將計算域分為內(nèi)、外兩部分，在模型附近的內(nèi)域空間采用四面體單元完成內(nèi)域空間的離散；在遠離模型的外域空間，采用具有規(guī)則拓樸結(jié)構(gòu)的六面體單元進行離散。數(shù)值模型的混合體網(wǎng)格單元總數(shù)為360萬左右。計算模型表面網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 數(shù)值分析模型Fig．5 Numerical analysis models

在數(shù)值模擬中，采用CFX中能有效模擬鈍體空氣動力流動現(xiàn)象、并經(jīng)過大量實驗和研究驗證具有較高精度的剪切應(yīng)力輸送（SST）模型［12］。SST模型采用自動壁面處理方式模擬壁面附近的流動，即使在相對較粗的計算網(wǎng)格下也可獲得精確的結(jié)果，保證了計算結(jié)果的準確性。來流采用我國規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）中規(guī)定的A類地貌風(fēng)剖面。由于出流接近完全發(fā)展，數(shù)值模擬中采用完全發(fā)展出流邊界條件，流場任意物理量沿出口法向的梯度為零。流體域頂部及兩側(cè)采用對稱邊界條件，等價于黏性流動中的自由滑移壁面。建筑物表面及地面則采用無滑移的壁面條件。

2 屋蓋風(fēng)壓分布特性

本節(jié)將基于風(fēng)洞試驗與數(shù)值分析結(jié)果給出唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風(fēng)壓分布圖，揭示該類結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布特性。

2．1 典型風(fēng)向角風(fēng)壓分布

圖6給出了0°風(fēng)向角大貝殼平均壓力系數(shù)分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，屋蓋上表面數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，下表面所反映的風(fēng)壓分布規(guī)律也基本一致，可以認為本文所采用的數(shù)值方法能夠模擬唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風(fēng)壓分布。0°風(fēng)向角時，屋蓋上表面均處于負壓（風(fēng)吸）區(qū)，來流前緣平均壓力系數(shù)值最大，達到－1．5，且急劇衰減；隨著距離的增加，風(fēng)壓衰減速度逐漸減緩，屋蓋中部平均壓力系數(shù)減小至－0．3；屋蓋后緣平均壓力系數(shù)基本保持不變，大致為－0．3。屋蓋下表面在來流前緣出現(xiàn)正壓區(qū)，并向里延伸，最大值達到0．6，屋蓋中部兩側(cè)下表面負壓達到最大，其值為－0．4。以上說明，來流在屋蓋前緣產(chǎn)生了顯著的分離，分離流表現(xiàn)出較為典型的柱狀渦特性［13－14］。

圖6 0°風(fēng)向角大貝殼平均壓力系數(shù)分布圖Fig．6 Mean pressure coefficient distribution（Large Shell，0 degree）

圖7 給出了270°風(fēng)向角小貝殼平均壓力系數(shù)分布圖（屋蓋懸挑端為來流前緣）。由圖可以看出，小貝殼上表面風(fēng)壓分布規(guī)律和大貝殼相似，但是平均壓力系數(shù)數(shù)值明顯小于大貝殼，來流前緣最大負壓值僅為－1．1。下表面小貝殼平均風(fēng)壓分布與大貝殼存在較大不同，正壓區(qū)出現(xiàn)在來流后緣，最大值僅為0．2，中部邊緣負壓最大，其值為－0．4。以上說明，位于上游的小貝殼遮蔽作用明顯，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定緩解。

為了更好地說明風(fēng)壓分布規(guī)律，本文將貝殼屋蓋部分劃分為3個區(qū)域（圖4），在各個區(qū)域，將其中所包含的測壓點按面積加權(quán)平均即可得到屋蓋各區(qū)的平均壓力系數(shù)，該系數(shù)可按下式確定：

圖7 270°風(fēng)向角小貝殼平均壓力系數(shù)分布圖Fig．7 Mean pressure coefficient distribution（Small Shell，270 degree）

式中為j區(qū)的平均壓力系數(shù)；分別為 j區(qū)所包含的測點i處上表面、下表面平均壓力系數(shù)；為j區(qū)所包含的測點i所代表的面積。圖8給出了大貝殼分區(qū)平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。由圖可以看出，隨著風(fēng)向角的變化，位于屋蓋懸挑端部的1區(qū)均為風(fēng)吸力；當(dāng)風(fēng)向角為0°時，其上平均壓力系數(shù)最大，達到－1．4；隨著風(fēng)向角度數(shù)的增加，平均壓力系數(shù)逐漸減小；當(dāng)風(fēng)向角為90°時，平均壓力系數(shù)最小，僅為－0．1；進一步增加風(fēng)向角，1區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)基本維持在－0．2。在各個風(fēng)向角作用下，2區(qū)和3區(qū)平均壓力系數(shù)基本相同，且隨風(fēng)向角變化的規(guī)律性不強；需要注意的是，當(dāng)風(fēng)向角為0°～110°時，2區(qū)和3區(qū)均為風(fēng)吸力，當(dāng)風(fēng)向角為120°～180°時，2區(qū)和3區(qū)均為風(fēng)壓力。以上說明，0°風(fēng)向角為最不利工況，1區(qū)風(fēng)荷載是影響結(jié)構(gòu)安全的主導(dǎo)因素；位于大貝殼下方的附屬建筑物對風(fēng)壓分布有一定影響。

圖8 分區(qū)平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線Fig．8 Mean pressure coefficient in different wind directions

2．2 附屬建筑物對屋蓋風(fēng)壓分布的影響

本節(jié)將采用數(shù)值方法，討論最不利工況時（0°風(fēng)向角），不同附屬建筑物設(shè)置對大貝殼風(fēng)壓的影響，從氣動抗風(fēng)的角度，提出減小唐山灣國際旅游島客運碼頭屋蓋風(fēng)致效應(yīng)的建議。

圖9給出了兩層附屬建筑物（原始情況）、一層附屬建筑物、無附屬建筑物三種工況時，氣流流經(jīng)大貝殼的速度流線圖。由圖可以看出，當(dāng)設(shè)置兩層附屬建筑物時，來流在屋蓋前緣的分離最為劇烈；并且，由于屋蓋與附屬建筑物之間距離較小，受遮蔽效應(yīng)的影響，來流在屋蓋根部產(chǎn)生回流。減小附屬建筑的高度后，氣流在屋蓋前緣的分離得到了一定程度的緩解，屋蓋根部回流消失。

圖9 大貝殼風(fēng)場流線圖（0°風(fēng)向角）Fig．9 Wind streamlines of large Shell（0 degree）

圖10 平均壓力系數(shù)（0°風(fēng)向角）Fig．10 Mean pressure coefficient（0 degree）

圖10 給出了上述三種情況，屋蓋分區(qū)平均壓力系數(shù)分布圖。由圖可以看出，由于氣流分離程度得到了一定程度的緩解，減小屋蓋下方附屬建筑物的高度，可以有效的減小1區(qū)風(fēng)荷載，但是，由于屋蓋根部回流消失，2區(qū)和3區(qū)風(fēng)荷載有所增加。

對懸挑屋蓋而言，懸挑根部彎矩是其控制性載荷。風(fēng)荷載作用下屋蓋懸挑根部O處彎矩系數(shù)可以采用下式計算：

式中表示為j區(qū)的平均壓力系數(shù)；Aj表示為j區(qū)面積；lj表示為j區(qū)荷載對O點的矩；L表示為屋蓋懸挑長度。

前述三種工況計算得到的屋蓋懸挑根部O處彎矩系數(shù)分別為：－0．366、－0．356、－0．328，這說明減小屋蓋下方附屬建筑物高度有利于減小屋蓋風(fēng)荷載。

3 風(fēng)環(huán)境分析

建筑物的布局會顯著影響局部風(fēng)環(huán)境，在局部區(qū)域可能形成高風(fēng)速區(qū)，這將引起行人不舒適，甚至不安全的風(fēng)環(huán)境問題，海濱建筑尤甚。上節(jié)通過屋蓋風(fēng)壓分布，驗證了本文數(shù)值模型的有效性，本節(jié)將采用數(shù)值方法對唐山灣國際旅游島客運碼頭風(fēng)環(huán)境進行分析，為其運營預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3．1 分析方法［15］

風(fēng)環(huán)境的主要感受對象是人，弧形觀光平臺是唐山灣國際旅游島客運碼頭主要人流聚集區(qū)，二層平臺風(fēng)環(huán)境問題最為突出。本文在研究中以二層平臺為主要研究對象，鑒于平臺相對于大貝殼主軸軸線基本對稱，僅在平臺左半部分均勻布置了17個測點（圖11），用以考查唐山灣國際旅游島客運碼頭風(fēng)環(huán)境。

圖11 平臺測點布置Fig．11 Measured points in platform

由于缺乏完善的當(dāng)?shù)貧庀笥^測數(shù)據(jù)，本文將主要依據(jù)風(fēng)速比（計算所得要評價區(qū)域的風(fēng)速與遠端同一高度的來流風(fēng)速的比值）對二層觀光平臺的風(fēng)環(huán)境進行評估分析。本文所進行的風(fēng)環(huán)境分析在0°～360°范圍內(nèi)，按氣象學(xué)規(guī)定每隔15°進行一次，即模擬24個風(fēng)向（主要風(fēng)向角仍與圖3相同）。

3．2 分析結(jié)果

圖12給出了平臺測點風(fēng)速比均值、最大值、最小值隨風(fēng)向角的變化曲線，圖13給出了風(fēng)速比大于1．0（即產(chǎn)生風(fēng)加速的區(qū)域）的測點所占比例隨風(fēng)向角變化直方圖。

圖12 不同風(fēng)向角下風(fēng)速比值圖Fig．12 Rations velocity in the different wind directions

圖13 風(fēng)加速區(qū)域比例直方圖Fig．13 Histogram of wind acceleration region ratio

由各測點風(fēng)速比的均值變化看出，二層觀光平臺風(fēng)加速情況整體而言不顯著，但從測點最大風(fēng)速比變化可以看出二層觀光平臺的局部風(fēng)加速情況較為突出。180°風(fēng)向角時，各測點的平均風(fēng)速比最大，其值為1．2，雖然該風(fēng)向角最大風(fēng)速比為1．4，但是風(fēng)速比大于1．0的區(qū)域所占比例達到88%。最大風(fēng)速比出現(xiàn)在210°風(fēng)向角，其值達到1．55，風(fēng)速比大于1．0的區(qū)域所占比例為76%。

圖14給出了180°和210°風(fēng)向角時，二層平臺2 m高度處的風(fēng)速比等值線圖。可以看出，由于氣流受到貝殼及附屬建筑物的阻礙，平臺區(qū)域的窄道效應(yīng)顯著，位于來流方向平臺一半的區(qū)域風(fēng)速比在1．2～1．4之間，風(fēng)加速較為嚴重。

圖15給出了兩個典型測點A、B（圖11）的風(fēng)速比隨風(fēng)向角變化圖。由圖可見，位于平臺前端的測點A，風(fēng)速比均小于1，當(dāng)其位于來流前緣時（345°風(fēng)向角），風(fēng)速比最大，為0．81。而位于平臺中部的測點B，大多數(shù)風(fēng)向角時風(fēng)速比超過1．0，當(dāng)其位于來流前緣（225°風(fēng)向角）、后緣（45°風(fēng)向角）時，風(fēng)速比最大，其值達到1．5。這說明，距建筑較遠區(qū)域，風(fēng)加速不顯著，甚至某些區(qū)域不產(chǎn)生風(fēng)加速。但處于建筑范圍內(nèi)的區(qū)域，無論其位于來流前緣還是后緣，都有風(fēng)加速問題。因此，建筑物對氣流干擾是引起風(fēng)加速的主要原因。

圖14 風(fēng)速比等值線分布圖Fig．14 Rations velocity distribution

圖15 典型測點風(fēng)速比隨風(fēng)向角變化Fig．15 Wind velocity ratio in different wind directions

通過數(shù)值模擬還可以看出，唐山灣國際旅游島客運碼頭二層觀光平臺風(fēng)環(huán)境問題較為突出。

4 結(jié) 論

本文以唐山灣國際旅游島客運碼頭為例，采用風(fēng)洞試驗與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了大型客運碼頭屋蓋的風(fēng)荷載特性，在此基礎(chǔ)上，對客運碼頭風(fēng)環(huán)境進行了分析，可以得到如下主要結(jié)論：

（1）通過與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比可以看出，本文所采用的CFD數(shù)值模型可以較好的模擬復(fù)雜建筑群繞流問題，能對其風(fēng)壓分布、風(fēng)環(huán)境進行仿真模擬。

（2）位于客運碼頭屋蓋下方的附屬建筑物，對屋蓋風(fēng)壓分布的影響較為顯著，減小附屬建筑的高度，可以緩解氣流在屋蓋前緣的分離，有效減小作用于屋蓋表面的風(fēng)荷載。

（3）建筑物對氣流的干擾是引起風(fēng)加速的主要原因，由于建筑布置較為緊密，唐山灣國際旅游島客運碼頭二層觀光平臺風(fēng)環(huán)境問題較為突出。

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