高層建筑風荷載干擾效應的數值模擬

林 寅

(中國華西工程設計建設有限公司東莞分公司,廣東 東莞 523112)

隨著計算機科技的發展，計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)成為了結構風工程領域的重要研究手段[1]。采用CFD模擬，可以較為準確地獲得建筑結構表面的風荷載及進行相關的分析。本文通過采用CFD計算方法，對某建筑在干擾條件下的風荷載進行數值模擬，得到建筑表面各部分的風荷載分布模式，并分析其體型系數的特點，為結構抗風設計提供依據，并為相似條件建筑的風荷載取值提供有益的參考。

1 工程概況

某商業建筑由具有筍狀外形的A座三角形塔樓和長寬比達到2.43的B座長方形塔樓組成，如圖1所示。該建筑西北側毗鄰某商務綜合體(如圖2所示)，兩者形成的窄長氣流通道將可能產生明顯的氣動干擾效應。我國現行設計規范對氣動干擾效應影響下的高層建筑風荷載取值缺少較為準確的資料，因此有必要對這類建筑的風荷載進行研究，以獲得建筑表面的風荷載。

2 風荷載的數值模擬

2.1 幾何模型和網格劃分

根據工程設計方案建立數值模型，并考慮了對模擬結果可能產生顯著影響的構造細節，見圖3。按阻塞比小于3%的要求，取計算流域的尺度為3 000 m(長度)×2 000 m(寬度)×1 000 m(高度)，建筑模型距離入口約1/3流域長度。采用非結構的四面體網格進行流域離散，對建筑模型表面的網格進行加密，并采用size function控制網格尺寸由建筑模型表面向外逐步增大。幾何建模和網格劃分在Fluent的前處理軟件Gambit里完成。

2.2 湍流模型和近壁面處理

采用具有較高精度的湍流模型——可實現的k-ε模型(realizable k-ε)來模擬一般計算域的流動，對于模型表面附近區域，由于流動受壁面影響顯著，不能采用k-ε模型進行計算，需要進行特殊處理，采用非平衡的壁面函數法來模擬[2]。

2.3 邊界條件及其他參數選取

流域入口邊界條件選用速度入口(velocity-inlet)，風速隨高度的變化服從指數規律：

本工程所在地貌類型為B類，地貌粗糙度系數α=0.16，梯度風高度H=350 m，基本風速按100年一遇的基本風壓進行換算，得到10 m高度處的風速為28.28 m/s。

流域的出口邊界條件選用壓力出口(pressure-outlet)；流域的頂面和側面采用對稱邊界(symmetry)；地面和建筑物表面采用無滑移的壁面邊界條件(wall)。

計算采用三維單精度、基于壓力的分離式求解器，空氣模型選用理想氣體(ideal-gas)，采用精度較高的2階迎風格式對流項進行離散，采用SIMPLEC算法來處理速度和壓力的耦合。

2.4 模擬工況

風洞試驗時，在0°～360°范圍內每隔15°取一個風向角，總計有24個風向角工況。0°風向角定義為從建筑群下部正交于B座塔樓建筑表面方向向上，并按逆時針遞增各工況的風向角，如圖4所示。

3 結果分析及探討

對于A座塔樓，其最大風荷載出現在15°風向角，如圖5所示。從圖5中可以看出，在迎風面，體型系數由中間向兩翼遞減，正壓體型系數略大于正常情況下的體型系數；在背風面，左右兩側的體型系數絕對值均由下部向上部遞減，在數值上也略大于正常情況，最大體型系數絕對值出現在背風面兩側的交匯夾角，可見此處的氣流抽離十分劇烈。其他風向角下A座塔樓風荷載體型系數的增大程度略有降低，但分布規律具有類似的特點。可見，由于A座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數有別于傳統的矩形截面，加上各塔樓之間的相互氣動干擾作用，A座塔樓的風荷載總體上呈現出增大特點，需在設計中予以考慮。

對于B座塔樓，其最大風荷載出現在0°風向角附近，如圖6所示。從圖6中可以看出，在迎風面，體型系數在中下部的變化梯度相對較大，上部的體型系數相對穩定；在背風面，體型系數絕對值的較大值出現在中下部，最小值出現在中上部偏左。總體上，體型系數均表現出隨高度增大而減小的趨勢。其中，合力體型系數在H/Hmax=0.35處接近峰值，且比正常情況下的風荷載體型系數增大超過50%，其他位置的合力體型系數也均有不同程度的增大，這說明B座塔樓由于各塔樓之間的相互氣動干擾作用，特別B座塔樓西北側的商務綜合體形成窄長氣流通道，使得具有規則矩形外形的B座塔樓的體型系數也明顯大于規范所規定的單體矩形建筑，在結構抗風設計中，需引起足夠的重視。

4 結語

本文通過采用CFD計算方法，對某建筑在干擾條件下的風荷載進行數值模擬，得出以下結論：

1)A座塔樓呈筍狀外形的三角形截面特性使得其體型系數有別于傳統的矩形截面，且因各塔樓之間的相互氣動干擾作用，A座塔樓的風荷載總體上呈現出增大特點。

2)由于各塔樓之間的相互氣動干擾作用，特別是B座塔樓與毗鄰的西北側的商務綜合體形成窄長氣流通道，使得具有規則矩形外形的B座塔樓的體型系數也明顯大于規范所規定的單體矩形建筑。

3)本文獲得的風荷載數據可為結構抗風設計提供依據，并為相似條件建筑的風荷載取值提供參考。

[1] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] Fluent Inc.,“FLUENT 6.3 User’s Guide”.Fluent Inc.,2006.

[3] Standard of Japan,“Recommendations for loads on buildings”,Architectural Institute of Japan,Tokyo,1996.