某高層建筑風荷載體型系數數值模擬分析

吳華英，李 婷，江 濤，黃 宏

（1.江西杭蕭鋼構有限公司，江西 南昌330013；2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

隨著我國經濟的快速發展及人口數量的增加，各地高層建筑物愈來愈多，當高層建筑群的間距較近時，由于漩渦的相互干擾，建筑物局部風壓會顯著增大。現行的《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）（以下簡稱《荷規》）只給出了較為規則建筑物的風載體型系數，而對于體型復雜的建筑物以及建筑群，應進行風洞試驗或者數值模擬以確定其風載體型系數［1］。與風洞試驗相比，采用數值模擬分析進行抗風研究具有耗費時間少，模型的形狀和尺寸不受限制，成本經濟等優點。

目前已有學者對群體建筑物風荷載影響進行了數值模擬研究，楊偉［2］對兩棟方形高層建筑模型在串列、并列和偏置狀態下的靜態三維流場和風荷載進行了計算。沈祺［3］對上海市某住宅小區風場進行了三維數值模擬研究，討論了街區群樓間間距及建筑布局等因素改變時對風場和風荷載的影響。張敏［4］對由4棟高層建筑組成的建筑群風荷載和風場進行了數值模擬研究。鄭朝榮［5］對某發電廠景觀煙囪的風載體型系數進行了數值模擬計算。曲文超［6］對兩個相鄰建筑物風荷載干擾效應的靜、動力風荷載進行了數值模擬分析。吳劍鋒［7］對正方形平面封閉式房屋的風荷載體型系數進行了數值模擬計算。趙鵬摶［8］對通信塔風壓體型系數進行了模擬計算。

1 工程概況

南昌“云中城”項目位于南昌市高新區艾溪湖大橋東，地塊西臨艾溪湖、南臨紫陽大道。該項目包括2棟51層223.5 m 高的塔樓、1棟3層23.75 m 高的裙樓和1棟2層13.45 m 高的商業建筑。其中2棟塔樓總建筑面積318 738 m2（包括地上、地下），地上總建筑面積216 293 m2，地下3 層（局部4 層）主要為車庫和設備用房。裙樓總建筑面積8 321 m2，商業建筑總建筑面積1 556 m2，項目效果圖如圖1。2棟塔樓地下4層為型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結構體系，地上結構采用鋼管混凝土柱［9］+鋼梁框架-混凝土核心筒結構體系。

圖1 項目效果圖Fig.1 The project renderings

圖2 辦公樓平面布置圖Fig.2 Plane layout of the project

項目中2棟塔樓高度為223.5 m，為超高層建筑。該類建筑結構對風荷載的作用極為敏感，且2座塔樓的間距僅50 m。預計流經這個垂直方向狹窄通風道的氣流有別于簡單塔狀建筑物的周圍氣流，雙塔間漩渦的相互干擾效應將使建筑物的某些部位局部風壓顯著增大，群體效應對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害。為保證辦公塔樓結構和幕墻設計的安全、經濟、合理，同時按照國家建筑結構荷載規范的建議，有必要對其結構表面風壓和體型系數進行測定。綜合多方面因素考慮，將采用數值模擬方法對辦公塔樓的表面風壓進行分析研究。

在上述學者的研究基礎上，以下將采用軟件FLUENT14.0對項目中建筑物風荷載作用進行數值模擬分析。

圖3 風向角示意圖Fig.3 The wind azimuths

2 數值模擬

項目中建筑物風荷載數值模擬的主要技術參數為：根據《荷規》，50年一遇的基本風壓為0.45 kN·m-2，項目所在地的地面粗糙度為B類，地貌粗糙指數α=0.16。計算時在0°～360°范圍內每隔30°取一個風向角，共有12個風向角工況，風向角如圖3。

2.1 模型建立

采用ICEM CFD14.0作為前處理軟件，塔樓和裙樓按原型尺寸建立幾何模型，可以避免尺寸效應對計算結果產生的影響，同時考慮周圍建筑物對風場的影響。模擬中采用的流域大小（長×寬×高）為3 600 m×2 500 m×800 m，在長度方向模型置于流場1/3處，阻塞率小于2%。由于分析結構較為復雜，模型計算區域采用非結構的四面體網格劃分方法，在靠近辦公塔樓表面采用加密的網格形式。網格尺寸由內向外逐漸增大，在靠近建筑物表面區域，使用過渡的棱柱體網絡（6 層），整個流域總的網格數約為430萬個，網格示意圖如圖4、圖5。

圖4 0°整體網格示意圖Fig.4 The whole mesh scheme of 0°

圖5 辦公塔樓局部網格示意圖Fig.5 Local mesh scheme of building

模擬中采用CFD常用的標準k-ε湍流模型配合非平衡壁面函數法進行模擬計算，該方法可以較為精確的模擬鈍體繞流問題。因可實現的k-ε湍流模型一般只適用于湍流的核心區域，而在近壁面，湍流流動受到顯著影響，故模型采用非平衡壁面函數法來處理近壁面的湍流狀態。

標準k-ε湍流模型控制方程為［10］：

非平衡壁面函數法對黏性底層不進行求解，而是使用半經驗公式計算k、ε和切向速度，將其和完全發展的湍流區域聯系起來，進而求解出整個流域。

模型計算的邊界條件與文獻［4］中的相同。

2.2 測點布置

為了得出辦公塔樓表面各點在不同方向風荷載作用下的風壓，在模擬過程中兩塔樓共布置120 個測點，測點的具體布置情況如圖6。測點的命名由塔樓號、高度號和點號共同確定，如IA1表示塔樓I，A高度處（即標高為50 m）1 位置處的點。同時，為了后面求解平均風壓，對結構的各面進行了命名，分別為F1～F4。

圖6 測點布置圖Fig.6 Layout of pressure points

2.3 各測點風壓

采用上述方法進行模擬計算得出各測點的風壓值。在抗風設計中，若考慮當地主導風向，此時必須兼顧各風向角下的最大風壓值。由于各風向角下平均風壓的最大正、負值起著控制作用，故表1和表2分別給出了塔樓Ⅰ和塔樓Ⅱ在12個風向角下各測點出現的平均風壓最大正、負值（風壓值單位為kN·m-2）。表1和表2中風壓的最大正值為負時，表示該測點在任何風向角下都只出現負風壓；風壓的最大負值為正時，表示該測點在任何風向角下都只出現正風壓，此值為絕對值最小正風壓。圍護結構設計時，可采用表1和表2中的風壓值通過式（4）和式（5）可以得出個測點對應的局部體型系數。

表2 塔樓Ⅱ各測點風壓的最大正、負值Tab.2 The maximum positive and negative pressure of Building Ⅱ

2.4 結構體型系數計算

塔樓各立面的平均體型系數可以通過式（3）、式（4）和式（5）的計算得出。

式中：為各面在各個風向角下的平均體型系數；將塔樓結構分為0～50 m，50～100 m，100～150 m，150～200 m，200～220 m這5個區段，An即為各區段的面積；msi為各測點對應的局部體型系數；zr=223.5 m，zi=10 m；Cpi為建筑物表面某測點i的風壓系數；Pi是測點i的風壓值；r為空氣密度，其值為1.25 kg·m-3；Vr是參考點的風速，南昌地區50年一遇的基本風壓為0.45 kN·m-2，相當于離地面10 m高度處10分鐘的平均最大風速為26.83 m·s-1，故參考點223.5 m處的風速Vr=44.11 m·s-1.

為了解結構各面體型系數的變化，將各測點的高度和模擬計算所得的風壓值Pi，結合式（3）、式（4）和式（5）得出各個風向角下的各面平均體型系數，如表3所示。由于結構的分析結果基本對稱，故下文結果均只給出0°～150°范圍內的6個結果，180°～330°范圍內的結果可以參考對應的角度結果得到。

表3 各面平均體型系數Tab.3 The average shape coefficient of each facade

結合以上各面平均體型系數，利用式（6）、式（7）可得塔樓整體體型系數，結構整體體型系數可以用于承重結構設計。

其中μFi為Fi面的體型系數，x軸和y軸由圖2確定。由于兩辦公塔樓具有較大的對稱性，所以在塔樓結構設計中結構x和y方向體型系數絕對值的最大值是主要關心的參數。表4中給出了0°～150°范圍內結構x和y方向體型系數絕對值的最大值。從表4可以看出，對于x方向，0°和30°較為不利；對于y方向，60°和90°較為不利；塔樓Ⅰ和Ⅱ結構的風荷載體型系數最大絕對值分別為1.58和1.66，為塔樓的抗側力結構、圍護構件的風荷載設計提供了參考依據。由《荷規》可知，本項目中塔樓Ⅰ、Ⅱ作為單體建筑時的風荷載體型系數最大絕對值均為1.4，與表4中最大絕對值對比可知，建筑間距對建筑的風荷載體型系數影響較大。

表4 結構x方向和y方向體型系數絕對值Tab.4 Shape coefficient absolute value of the structure X direction and Y direction

3 結論

通過上述分析，可以得出如下結論：

1）模型中采用標準k-ε湍流模型配合非平衡壁面函數法對塔樓Ⅰ和Ⅱ結構風荷載進行計算，可以較為精確的模擬鈍體繞流問題；

2）塔樓Ⅰ和Ⅱ結構風荷載體型系數最大絕對值出現在以下風向角：0°和30°（x方向），以及60°和90°（y方向），數值模擬得出的塔樓Ⅰ和Ⅱ結構的風荷載體型系數為塔樓的抗側力結構、圍護構件的風荷載設計提供了參考依據；

3）高層建筑群由于群樓產生的湍流效應對高層建筑結構的風荷載體型系數影響不可忽視，同時還受到建筑物間距的影響。

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