超高層連體建筑風荷載干擾效應大渦模擬研究

柯世堂+王浩

摘 要：超高層三塔連體建筑的主樓受到裙房及子樓的干擾作用顯著，以某超高層三塔連體建筑為對象，基于LES（大渦模擬）方法對其進行了24個方向角下的數值風洞試驗，并將主樓的體型系數與物理風洞試驗結果進行了對比驗證，再基于大渦模擬結果分別從平均和脈動風壓特性、渦量分布以及干擾機理等方面探討了超高層多塔連體建筑風荷載和干擾效應.結果表明：大渦模擬和風洞試驗結果吻合較好；單體工況下主塔表面隨機渦旋較密集、風壓脈動較大、且尾流分離區域較小，當子塔處于主塔上游位置時對主塔結構抗風設計存在有利的“遮擋效應”，此時來流湍流對主塔風場分布起主導作用；當子塔處于主塔下游位置時會對主塔存在不利的風壓放大作用，特征湍流作用更明顯.

關鍵詞：超高層連體結構；數值風洞試驗；大渦模擬；風荷載；干擾效應

中圖分類號：TU973.213； TU312.1文獻標志碼：A

文章編號：1674-2974（2017）05-0053-10

Abstract：The main building of three-tower ultra high-rise connecting buildings is significantly interfered by the podiums and annexes. Large eddy simulation was adopted for three-tower ultra-high-rise connecting buildings. The shape coefficients of the main building were calculated， and the computational results were compared with the wind tunnel test results. The wind fields， wind pressure coefficients， and the interference effects between tall buildings were discussed. It is found that the large eddy simulation was a feasible way， and the turbulent wind velocity was higher in condition with single building. The field of flow separation is more lasting in condition with three buildings. The interference effect might have beneficial sheltering effect on the wind-induced vibration response of the main building when the main building was in the upstream. On the contrary， the wind pressure of main building might have been magnified when the main building was in the downstream.

Key words：ultra high-rise connecting buildings； numerical wind tunnel simulation；large eddy simulation； wind load； interference effect

現代高層建筑逐漸朝著超高層、形式多樣化發展，涌現出很多雙塔甚至多塔連體結構.超高層多塔連體建筑的風荷載和響應特征與單體建筑有很大的不同，主要表現為主塔與子塔、以及子塔之間的干擾效應[1]，加上裙樓的影響使得整個多塔連體建筑的風荷載和干擾效應愈加復雜[2-4].

歷史上曾經發生過多起因為群體建筑物間相互干擾導致的風毀事件，這類事故的發生表明對超高層建筑物間的風致干擾效應開展研究非常重要.而我國荷載規范對此類三塔連體超高層建筑的風荷載沒有明確的規定，盡管國內外學者對典型超高層建筑表面風壓分布和周圍風環境[5]、群體建筑干擾機理和風壓特性[6-7]、雙塔連體結構風荷載特性[8]等進行了深入研究，但大多數是對兩棟單獨或雙體建筑的干擾效應進行了研究，且數值風洞研究大多拘泥于傳統模擬方法，無法準確地揭示流場特征和干擾機理.隨著國內超高層多塔連體建筑的大量興建，已有的研究成果不能滿足此類建筑設計風荷載取值和抗風機理研究的要求，因此，對于超高層多塔連體結構風荷載和干擾效應的LES研究具有重要的理論價值和工程意義.

鑒于此，本文對某超高層三塔連體建筑進行了大渦模擬研究，并通過與風洞試驗結果對比驗證了數值方法的有效性.再基于大渦模擬結果分別從渦量分布、干擾機理以及典型測點的脈動風壓特性等方面探討了超高層多塔連體結構風荷載特性和干擾效應，相關研究結論可為此類超高層三塔連體結構抗風設計提供科學依據.

1 工程概況

此超高層三塔連體建筑位于東南沿海地帶，總建筑面積約54.5 萬m2，包含商業、酒店、辦公、公寓等功能；地下建筑分為3層，面積約14.8 萬m3.本工程建筑群以鋼筋混凝土框架核心筒結構為主，主體工程有3棟連體建筑，其中主樓A為65層塔樓外加塔冠，總高度298.7 m.子樓B，C塔樓總高度158.7 m，底部為5層裙房，總高16.1 m，如圖1所示.

參照《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）相關條款，確定本工程設計基本風壓為0.70 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，地面粗糙度指數為0.15.

2 大渦模擬

由于LES方法能夠獲得詳細的湍流場動態信息，其已逐漸成為計算風工程領域的研究熱點之一.大渦模擬法采用濾波函數，將流場中的渦分為大尺度渦以及小尺度渦，對大尺度渦進行直接求解，而小尺度渦則采用亞格子模型進行模擬.基于大渦模擬的數值計算能夠很好地模擬流場以及風荷載的動力特性，并且可以模擬流場以及荷載特性在時間歷程上的變化.本文通過模擬非穩態邊界層湍流風場，采用大渦模擬方法獲得此類建筑主塔表面的風荷載時程和周圍流場分布.

2.1 幾何建模和網格劃分

為保證流動能夠充分發展，三塔連體結構主體建筑底層外輪廓約為140 m×180 m×300 m（長×寬×高），計算域為長方體，X=3 000 m，Y=1 800 m，Z=800 m，其中X為順風向，Y為橫風向，Z為高度方向，建筑物置于距離計算域入口3H處，從而保證尾流的充分發展.圖2為三塔連體建筑的網格劃分方式，為了更好地兼顧計算效率與精度，將計算域劃分為局部加密區域以及外圍區域.外圍區域形狀規整，可以用高質量的結構化網格進行劃分；局部加密區域包含建筑模型，采用非結構化網格進行劃分.核心區最小網格尺寸為0.5 m，總網格數量約520萬.

2.2 邊界條件及數值計算設置

運用FLUENT流體軟件進行大渦數值模擬計算，計算域入口采用速度入口，設置大氣邊界層指數風速剖面和湍流度剖面，其中風速剖面中地面粗糙指數為0.15，參考高度取Zref=10 m，取10 m高50年一遇基本風速作為參考風速Vref=33.8 m/s，通過UDF文件定義上述脈動風場（見圖3）；計算域頂部和側面采用等效于自由滑移壁面的對稱邊界條件；計算域出口采用壓力出口邊界；地面以及建筑物表面采用無滑移壁面邊界.

空氣風場選用不可壓縮流場，亞格子模型采用Smagorinsky-Lilly模型，同時采用SIMPLEC方法進行離散方程組的求解，該方法收斂性好且適合時間步長較小的大渦模擬計算[9]，設置了網格傾斜校正以提高混合網格計算效率.在進行非定常計算之前先進行RANS的定常計算，通過瞬態化處理使LES初始流場達到具有合理統計特征的狀態.LES計算的時間步長取為0.05 s.

3 結果分析

3.1 數值模擬有效性驗證

對超高層連體建筑進行了干擾和單體工況下的測壓風洞試驗.模型縮尺比為1∶300，在主塔表面沿高度布置18層，共340個同步測點，每個面85個測點，編號分別以A，B，C和D表示.試驗中模擬風向角范圍在0°～360°，角度間隔為15°，共24個試驗風向角.圖4給出了風洞試驗模型及風向角示意圖.

將主樓數值模擬計算結果與風洞試驗結果進行了比較，圖5給出了0°風向角80 m和160 m截面測點數據對比圖，圖中測點1對應建筑物正迎風面中點，之后的測點按逆時針方向排列.可以發現，大渦模擬的結果與風洞試驗的數據較接近且總體趨勢十分吻合.模擬結果在建筑物的背面、側面以及棱角處吻合較好，這些區域正是漩渦脫落和流動分離比較明顯的地方[10].風洞試驗1∶300的幾何縮尺模型在屋頂和棱角處的測點無法足夠密集，采用大渦模擬方法對此類結構的風荷載干擾效應進行研究具有可行性和科學性[11].

3.2 群塔流場干擾效應

圖6和圖7給出了30°風向角下兩種工況在不同高度處的風速等值線圖.

對比可知：1）兩種工況下主樓的正前方風速有明顯差異，干擾工況下主樓正前方風速小于單體工況下的風速，說明干擾建筑對主樓存在一定的“遮擋效應”；2）干擾工況下狹縫處的風速較單體工況下風速小，與普通的并列布置不同，由于施擾建筑（子樓，下同）高度相對受擾建筑（主樓，下同）并不大，“峽谷效應”并不強烈；且由于受擾建筑兩側對稱布置了干擾建筑，使得受擾建筑兩側流動分離相對對稱，抵消了一部分“峽谷效應”和渦激振動[12]；同時子塔對主塔存在的“遮擋效應”也是狹縫處風速減小的原因之一；3）在不同高度處B，C塔對主塔都存在干擾影響且規律接近，說明干擾塔對受擾塔的干擾在其高度以上（Z≥150 m）仍然存在，此超高層三塔連體建筑在靜力干擾方面呈現明顯的三維效應.

兩種工況下建筑周圍的風速云圖和流線圖如圖8和圖9所示.由圖可知，LES方法很好地還原了流場分布以及流線的不規則性和復雜性，風場在建筑物頂部和建筑迎風面棱角處發生流動分離，出現加速效應.氣流在建筑物的側面和頂部由于發生流動分離出現了漩渦脫落的現象，在背風面和側面形成尾流渦旋以及回流，這些渦旋作用于建筑物背風面和側面，是形成吸力的原因之一.主塔建筑采用了棱角處內收的設計方案，一定程度上減小了建筑物側面的流動分離現象.

圖10～12給出了0°風向角下從Z=150 m高度處的流線尾跡圖和渦量圖，對比發現：1）單體工況主樓后方的近尾流區域渦旋扁平，遠尾流的影響距離也較短；建筑物表面尾流渦旋較多，渦旋尺度更細碎，導致渦旋強度較大.干擾工況下，施擾建筑的存在導致尾流分布呈現出明顯的三維特征，尾流渦旋較少，再附著現象并不明顯，近尾流區域的湍流特征將導致結構平均風壓和脈動風壓的減小（圖17，18）；2）子樓的存在導致超高層三塔連體建筑下游區域產生更長的尾流渦旋區，與單體工況形成的尾流差異很大，不能忽視子樓對周邊建筑造成的影響.

180°風向角下Z=150 m高度處X-Y平面流線尾跡圖和渦量圖如圖13，14所示，由圖可知：1）在建筑物兩側產生明顯的流動分離，在分離泡形成離散的渦旋，并脫落到建筑下方的尾流.同時上游建筑尾流邊界受到施擾建筑干擾，導致漩渦中存在較大的逆壓梯度，在氣流分離處會產生較大的負壓影響；2）180°風向角下，子樓的存在對主樓的來流湍流不大，而特征湍流差異明顯，導致主樓周圍風速、渦量及風壓的增大.

3.3 風壓分布特性

圖15給出了0°風向角下主樓正迎風面部分測點的風壓系數時程曲線，其中C63，C48和C33測點分別位于正迎風面100，160和220 m高度處中點位置.由圖可知：1）干擾工況下主樓受到明顯的遮擋效應影響，測點所受風壓較單體工況小；2）在施擾建筑高度（Z=150）以下，遮擋效應較為明顯，兩種工況主樓風壓系數相差較大；施擾建筑高度處，仍有明顯的干擾且會產生較大的風壓脈動；主體結構在施擾建筑高度以上，受上升氣流的影響（圖10）遮擋效應明顯減弱.

180°風向角下主樓部分測點的風壓時程曲線如圖16所示，其中A48和C48點分別位于迎風面和背風面160 m高度處中點位置.分析可知：1）當施擾建筑處于受擾建筑的下游時，施擾建筑對于風壓系數均值和根方差仍有不可忽略的影響，原因是上游建筑尾流邊界受到施擾建筑干擾（圖12）[13]；2）下游施擾建筑物對上游高層建筑會產生風壓放大的干擾影響.

圖17，圖18分別給出了0°風向角下表面平均風壓和脈動風壓分布.由圖可知：1）兩種工況下建筑物表面的平均風壓分布規律比較一致，子塔的存在對主樓平均風壓起到有利的“遮擋作用”；2）對比單體和干擾工況下正迎風面的脈動風壓，在100～220 m高度范圍內，干擾工況由于子塔的尾流影響導致主樓的脈動風壓明顯大于單體工況；3）由于建筑物屋頂采用階梯型造型和裙樓的影響使得塔樓頂部和下部存在劇烈的流動分離和頻繁的漩渦脫落現象，導致此處脈動風壓較大，需引起重視；4）來流風在建筑物的兩側產生較強的流動分離現象，導致建筑物角部負壓明顯且變化較快.

180°風向角下超高層三塔連體建筑表面的平均風壓和脈動風壓分布如圖19，圖20所示.干擾工況下，主樓表面平均風壓大于單體工況；主樓在150 m高度（施擾建筑高度）附近會產生劇烈的橫風向共振效應，這種氣動增強現象是由施擾建筑塔頂處存在的交替變化的回流所致，由此可見即使當施擾建筑處于受擾建筑物下游時仍需重視其對受擾建筑的風壓干擾，尤其在施擾建筑總高度附近.

4 結 論

1）基于LES方法對超高層三塔連體建筑進行數值模擬，并與風洞試驗結果進行對比驗證了數值方法的準確性.

2）施擾建筑處于受擾建筑上游時，兩種工況下超高層三塔連體建筑主塔周圍風場存在較大差別，干擾工況下風場的流動分離區域較長，單體工況下隨機渦旋較密集，風壓脈動較大；施擾建筑的存在導致尾流分布呈現出明顯的三維特征.結果表明此超高層三塔連體建筑的多塔干擾對主塔結構抗風設計存在有利的“遮擋效應”，此時來流湍流相比特征湍流起主導作用.

3）施擾建筑處于受擾建筑下游時，特征湍流的作用明顯，下游建筑對上游高層建筑會產生風壓放大作用，不能忽視下游建筑造成的“峽谷效應”和尾流干擾效應.

4）由于施擾建筑的存在將導致建筑物下游區域存在更長的尾流渦旋區.由此提出在密集大型商業圈的超高層多塔連體結構旁新建其他超高層建筑時，在滿足其他技術條件的情況下仍需考慮超高層多塔連體結構尾流的不利影響，間距不能太小.

參考文獻

[1] 余先鋒， 謝壯寧， 顧明. 群體高層建筑風致干擾效應研究進展[J]. 建筑結構學報， 2015， 36（3）：1-11.

YU Xianfeng， XIE Zhuangning， GU Ming. Research progress of wind-induced interference effects on tall buildings[J].Journal of BuildingStructures， 2015， 36（3） ： 1-11.（In Chinese）

[2] HUANG M F， CHAN C M， LOU W J.Optimal performance-based design of wind sensitive tall buildings considering uncertainties[J]. Computers & Structures， 2012， 98： 7-16.

[3] 張相庭. 結構風工程： 理論·規范·實踐[M].北京，中國建筑工業出版社， 2006：126-135.

ZHANG Xiangting.Structural wind engineering：theory， standard， practice[M]. Beijing：China Architecture & Building Press， 2006：126-135.（In Chinese）

[4] 李秋勝， 陳凡. 高層建筑氣動彈性模型風洞試驗研究[J].湖南大學學報：自然科學版， 2016， 43（1）： 20-28.

LI Qiusheng， CHEN Fan.Experimental study of aerolastic effect on tall building[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2016， 43（1）： 20-28.（In Chinese）

[5] 王磊， 梁樞果， 鄒良浩，等. 超高層建筑抗風體型選取研究[J].湖南大學學報：自然科學版， 2013， 40（11）：34-39.

WANGLei， LIANG Shuguo， ZOU Lianghao， et al. Study on the body shape selection of super high-rise building from the point of wind resistance[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2013， 40（11）： 34-39.（In Chinese）

[6] 張敏，樓文娟，何鴿俊， 等. 群體高層建筑風荷載干擾效應的數值研究[J]. 工程力學， 2008， 25（1）： 179-185.

ZHANG Min， LOU Wenjuan， HE Gejun. Numerical study on interference effects of wind loads about a cluster of tall buildings[J]. Engineering Mechanics， 2008， 25（1）： 179-185.（In Chinese）

[7] 楊立國， 唐意， 金新陽. 錯列超高層建筑群風荷載靜力干擾效應的試驗與數值模擬研究[J]. 建筑結構， 2011， 41（11）： 125-130.

YANG Liguo， TANG Yi， JIN Xinyang. Numerical study and tests on wind-induced mean interference effects of staggered tall buildings[J]. Building Structure，2011， 41（11） ： 125-130.（In Chinese）

[8] 滕振超， 何金洲. 雙塔連體結構風荷載作用下的反應分析[J].科學技術與工程， 2011， 11（8）： 1844-1846.

TENG Zhenchao， HE Jinzhou. The effects analysis of doubletower connected structure on the wind load[J].Science Technology and Engineering， 2011， 11（8）： 1844-1846.（In Chinese）

[9] 謝華平， 何敏娟， 馬人樂. 基于CFD模擬的格構塔平均風荷載分析[J]. 中南大學學報：自然科學版， 2010， 41（5）：1980-1986.

XIE Huaping， HE Mingjuan， MA Renle.Analyse of mean wind load of lattice tower based on CFD simulation[J]. Journal of Central South University：Naturd Science， 2010， 41（5）：1980-1986. （In Chinese）

[10]CHANG C H， ROBERT N. Numerical and physical modeling of bluff body flow and dispersion in urban street canyons[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2001， 89： 1325-1334.

[11]秦云， 張耀春， 王春剛. 數值風洞模擬結構靜力風荷載的可行性研究[J]. 哈爾濱工業大學學報， 2004， 36（12）：1593-1597.

QIN Yun， ZHANG Yaochun， WANG Chungang. Feasibility study about numerical wind tunnel in the simulation of static wind loads on buildings[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2004， 36（12）： 1593―1597. （In Chinese）

[12]顧明， 葛福. 施擾建筑高度對主建筑層升力影響的試驗研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2015， 43（2）：181-188.

GU Ming， GE Fu. Experimental study of impact of changes in relative height of interfering building on main building layer lift force[J].Journal of Tongji University：Natural Science， 2015， 43 （2）： 181-188.（In Chinese）

[13]黃本才， 汪叢軍， 周大偉，等. 下游干擾體對上游高層建筑風力的影響[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2007， 35（8）：1025-1029.

HUANG Bencai ， WANG Congjun， ZHOU Dawei， et al. Interference effects of wind forces of downstream buildings on upstream high-rise building[J].Journal of Tongji University：Natural Science， 2007 ， 35 （8）： 1025-1029.（In Chinese）