強風作用下低矮民居受力分析

劉海亮 鄭曉洋 宮樂敏

(濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261011)

強風作用下低矮民居受力分析

劉海亮 鄭曉洋 宮樂敏

(濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261011)

受臺風影響的中國東南沿海地區，低矮房屋的損壞最為普遍也最為嚴重。基于此，本文對低矮民居的表面風壓進行了模擬并對其抗風性能進行了研究，并指出了后續的低矮民居結構抗風研究側重點。

強風，低矮民居，表面風壓，FLUENT，ANSYS

1 概述

風災是自然災害中發生最頻繁，也是人員傷亡和經濟損失最為嚴重的一種。臺風是風災中破壞力最大、造成損失最嚴重的一種。我國東南沿海地區受臺風影響頻繁，每年由臺風造成的經濟損失至少百億元以上并且會有一定的人員傷亡[1]。通過對臺風災害的研究可以發現，臺風災害中生命和財產損失主要是由土木工程結構的風致破壞引起的[2]。而在土木結構中，經濟發展相對落后的村鎮地區的低矮民居房屋受臺風災害影響最為普遍，也最為嚴重。這主要是由于村鎮低矮房屋是大部分人群的生活場所，而這類結構抗風能力極為脆弱。一旦發生臺風災害，會直接威脅到這部分人群的生命安全。和發達國家相比，我國的臺風災害研究工作主要集中在大型結構抗風研究的投入上，在村鎮建筑抗風研究方面的投入和學術關注均很低[3]。為了評估及預測低矮民居在臺風災害中的破壞及損失，本文首先對雙坡兩層低矮民居的表面風壓進行了模擬研究，并對風荷載規范中的建筑表面風壓系數做了一定的修正。在低矮民居抗風性能研究方面，本文以廈門市村鎮地區常見的雙坡兩層砌體房屋為例建立有限元模型，參照當地月平均風速及地貌特征模擬生成脈動風，采用修正的低矮民居表面風壓系數，對該砌體結構進行了時程脈動風荷載作用下的非線性有限元模擬。針對結果進行了低矮民居的抗風性能分析，并指出了后續的低矮民居結構抗風性能研究側重方向。

2 低矮民居表面風壓模擬

從風災調查結果可知[4]，低矮民居的破壞往往是從表面圍護體系，尤其是屋面圍護體系的破壞開始的。由于低矮民居建筑的剛度比較大，所以在風荷載作用下產生共振的可能性比較小。在這種情況下，其結構主體的抗風強度不是主要問題，而改善建筑的外形以減小其所受的風荷載，尤其是屋面體系所受的風荷載才是解決低矮民居抗風問題的最有效途徑。因此，若要做到這一點，必須要了解低矮民居的風壓特性，尤其是屋面體系的風荷載特性。對低層建筑風荷載的研究，目前主要有三種方法：全尺寸現場實測、風洞試驗和數值模擬，即CFD(Computational Fluid Dynamics)[5]方法。風對建筑的擾流流動屬于復雜的三維鈍體繞流流動問題，這類問題很少能用完全的解析方法成功地解決。目前為止，風洞試驗和全尺寸現場實測試驗方法仍然是解決該問題的主要方法。但是風洞試驗與全尺寸現場實測存在一些問題，而且，不管是風洞試驗還是全尺寸現場實測均存在周期長、費用高、結果的精度受測試手段和儀器靈敏度的影響等不利的因素。

2.1FLUENT建模

FLUENT軟件是目前國際上最流行的商用CFD軟件。其具有強大的網格支持能力，獨一無二的動網格技術，先進的數值解法，博采眾長的物理模型功能，高效率的并行計算功能以及強有力的圖形后處理功能。

幾何模型:為了與規范相比較，本研究采用的是以典型雙坡屋面，模型尺寸如下：h=5.332 m，w=3.6 m，l=10.8 m，坡度φ=30°，模型如圖1所示。

2.2邊界條件的設定及壁面處理

域入口處設置FLUENT中的速度進口邊界條件(velocity-inlet)，本研究按照規范分別采用10 m和10 m/s；計算流域出口條件設置采用出口邊界條件(pressure-outlet)。計算流域頂部和兩側條件采用對稱邊界條件(symmetry)。建筑物表面和地面邊界條件采用的是無滑移的壁面條件(wall)。

2.3計算結果及其與風荷載規范中低矮民居風壓系數的對比

將劃分好的網格導入到FLUENT中進行計算，再將結果文件導入到后處理軟件Tecplot中進行處理,可以得到建筑各表面平均風壓。將風壓轉化為風壓系數后與各國規范做對比，見表1。

表1 各國風荷載規范中典型雙坡屋面平均風壓系數和FLUENT計算結果對比

由表1可以得知，與各國規范[6]相比，FLUENT計算結果除了迎風面與背風面有些差距外，房屋其他側面與各國規范相接近。因此在后續的低矮房屋強風荷載非線性分析中，可以只將FLUENT計算結果中迎風面與背風面的風壓系數稍作調整即可。

3 脈動風荷載作用下雙坡兩層砌體房屋的受力分析

3.1雙坡兩層砌體房屋模型

為了研究砌體房屋在強風作用下的受力情況，本文先對砌體結構在脈動風荷載作用下的受力狀態運用有限元軟件進行了數值模擬。考慮到東南沿海村鎮居民生活水平較高，所以采用的是雙坡兩層砌體房屋，所采用的砌體材料為MU10，M5，混凝土材料為C30，梁、柱、樓板采用的鋼筋均為HRB335，屋架與檁條均采用木材，模型尺寸及效果如圖2所示。

為了分析砌體房屋在強風荷載作用下的受力情況，在房屋結構平面的9個不同的區域生成了9種不同的脈動風速時程，參照廈門地區月平均風速，此處10 m標高處的參考風速為20 m/s。雙坡兩層砌體房屋不同位置處的脈動風荷載值可由Davenport譜[7]模擬求得：

(1)

風荷載模擬方法采用基于三角級數求和頻譜表示法的諧波疊加法[8]。施加到結構表面的脈動風荷載平均值為20 m/s,與風力等級表中的八級風速相對應。

3.2非線性有限元模擬結果

求解計算完成以后，可通過ANSYS后處理得到結構在各方向的位移及應力云圖及裂縫分布圖。ANSYS中Solid65破壞單元中圓圈區域表示該單元產生開裂破壞或者壓碎破壞[9]。由結構的破壞區域圖可以看出，結構的破壞主要發生在樓板與圈梁連接的部分，而主體結構其他部分則幾乎沒有破壞，見圖3，圖4。

從上述圖中可以看出：1)結構的主體部分在強風荷載作用下位移較小，而圍護結構屋面板位移較大。2)結構屋頂屋面板與檁條相連接的部分剪切應力較大，容易發生剪切破壞。3)結構裂縫主要產生在圈梁與樓板交接處。

4 結語

本文主要對建筑表面風壓分布模擬以及強風荷載作用下結構的抗風能力進行了分析，得到了以下結論：

1)與各國規范相對比，FLUENT軟件模擬的建筑表面風壓系數在迎風面及背風面偏低，而在建筑其他側面的風壓系數則差距不大。有限元分析中，宜對建筑迎風面與背風面的風壓系數進行調整以更真實地模擬風荷載。

2)強風荷載作用下主體結構在圈梁與樓板交接處易產生裂縫，而圍護結構屋面板及檁條連接處易產生剪切破壞，這也符合風災現象中低矮房屋圍護結構易發生損壞的現狀[10]。下一步將對強風荷載作用下低矮房屋的圍護結構破壞進一步的研究。

3)充分利用FLUENT與ANSYS的優缺點，真實有效地進行了強風荷載作用下低矮房屋的非線性有限元分析，論證了FLUENT與ANSYS結合的方法分析建筑結構風致效應的可行性。

[1] 康 斌.我國臺風災害統計分析[J].研究探討,2016,2(26):36-40.

[2] 梁必騏，梁經萍，溫之平.中國臺風災害及影響的研究[J].自然災害學報,1995,4(1):1-8.

[3] 顧 明,趙明偉,全 涌.結構臺風災害風險評估研究進展[J].同濟大學學報,2009,5(37):569-574.

[4] 陳定外.低造價房屋抗臺風災害研究[J].建筑科學,1994(3)：76-77.

[5] 馬 駿.工業廠房數值模擬和抗風優化[J].水利與建筑工程學報,2015,13(1):187-192.

[6] 鄭小宇.臺風致低層民居易損性初步研究[D].重慶:重慶大學,2008.

[7] 閆 石,鄭 偉.簡諧波疊加法模擬風譜[J].沈陽建筑大學學報,2005,1(21):1-4.

[8] 李 峰,竇 鵬,王 磊.風荷載模擬方法探討[J].水利與建筑工程學報,2009,7(4):57-59.

[9] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社,2007:480-481.

[10] 宮文壯.廣東沿海地區村鎮低矮房屋臺風易損性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.

Sufferanceforcesanalysisoflow-riseresidentialbuildingsunderstrongwind

LiuHailiangZhengXiaoyangGongLemin

(WeifangSecondConstructionEngineeringCompany,Weifang261011,China)

The damage of low-rise residential buildings under the influence from typhoon is serious in the southeastern coastal areas of China. Based on that, the wind pressure on the surface of low-rise residential building is simulated and its wind resistance performance is studied. Besides, the focus of the next research on the wind resistance of the lower residential buildings is pointed out.

strong wind, low-rise residential building, surface wind pressure, FLUENT, ANSYS

1009-6825(2017)29-0062-02

2017-08-02

劉海亮(1989- )，男，工程師； 鄭曉洋(1990- )，男，工程師； 宮樂敏(1972- )，男，工程師

TU312.1

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