廈門石獅世茂國際廣場摩天輪風荷載分析

王汝軍 潘鈞俊,2 余少樂 方能榕 陳 華 陳 勇

(1.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200120;2.華東建筑設計研究院有限公司 上海 200011)

1 工程概況

石獅市位于福建省東南沿海，泉州市南部，市域三面臨海，西與晉江市接壤，北距泉州市21km，南離廈門97km，是中國休閑服裝名城、著名僑鄉。石獅自古以來商賈云集，依靠海運成為海上重要的貿易港口，是海上絲綢之路的起點，商業文明發達。石獅市作為全國百強縣，擁有大量知名品牌，海外歸僑眾多，經濟實力強，整體消費能力高，但城市缺乏公共活動空間及高端商業，消費力外流嚴重。

石獅世茂國際廣場一期項目位于福建省石獅市石金路鈔坑地塊(圖1)。地塊北面靠近南環路，緊鄰規劃路，東面為石金路，石金路往北與城市中心連接，西面臨省道，省道與石金路為主要機動車道，西南面及西北面為規劃路，南面為規劃中的世茂SOHO及辦公場所，西北面為規劃中的世茂高端酒店，東面為規劃建設中的世茂高端住宅區，西側區域為石獅市國際服裝城及服裝城客運站、物流倉儲中心，石獅服裝城是亞洲最大專業服裝市場。

圖1 廈門石獅世茂廣場效果圖

福建石獅市觀覽車是直徑88m新一代大型觀覽車(圖2)，主要有前后塔架、主軸、組合式轉盤(支撐梁、滾道梁和鋼纜組成)、座艙、驅動裝置、電氣、燈光及控制系統組成，整個轉盤為一類似圓盤狀的結構。該觀覽車安裝于石獅世茂國際廣場一期項目某建筑物樓頂。

圖2 觀覽車結構示意圖

風荷載是摩天輪結構的主要控制荷載。該項目周邊屬B類地貌，50年重現期基本風壓為0.80kN/m2。由圖2可知，該觀覽車結構體型復雜，且周邊及其底部建筑的干擾不可忽略，規范中無相似體系的建筑可供參考，結構工程師在進行結構設計時對建筑所受風荷載的取值難以把握。

摩天輪結構的構件大部分為長細構件，應用實體風洞進行常規的實驗，在制作縮尺實驗模型時，存在制作困難、縮尺模型失真等問題，而數值風洞模擬技術不存在該類困難，而且可以1∶1模型模擬。鑒于此，對該觀覽車進行數值風洞模擬計算，為下一步結構分析提供準確的風荷載數據[1-7]。

2 分析內容

結構設計依據《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)確定風荷載標準值，當計算主要承重結構時采用式(1)：

wk=βzμsμzw0

(1)

式中，w0——基本風壓取50年重現期0.80kN/m2；

βz——高度z處的風振系數；

μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數，可按《荷載規范》表8.2.1取值。

該項目計算主要內容：通過數值風洞穩態計算，獲取觀覽車結構在8個風向下的表面平均風壓(μsμzw0)，通過表面積分，獲取結構風荷載合力。

該項目需要考慮周邊建筑影響，因此，分析模型中包含了周邊方圓500m直徑范圍內的建筑群。幾何模型如圖3所示。

圖3 觀覽車及其周邊建筑CFD幾何模型

3 數值風洞邊界條件與網格

數值模擬計算，基于大型流體計算軟件Ansys Fluent 16.0平臺；壓力和速度耦合，采用SIMPLE算法；控制方程，采用分離式方法(Segregated)求解。

該項目數值風洞采用1∶1的全尺寸模型；同時，通過對稱邊界條件有效減少數值的網格數量。本次數值風洞長3000 m，寬1000 m，高500 m。數值風洞網格模型如圖4所示，其中，主體建筑及地表邊界層網格加密，網格總計860萬。

圖4 摩天輪局部放大CFD網格

數值風洞入口定義來流的平均風速和湍流強度。根據該工程周邊條件，選B類地面粗糙度類別，基本風壓取0.80 kN/m2。

按我國荷載規范，平均風速剖面為：10 m以下，平均風速為36.15 m/s；10 m至350 m，平均風速為36.15x(z/10)0.15m/s；我國規范對湍流強度無規定，該工程參考國外有關規定，5 m以下湍流強度為0.23；5 m至350 m湍流強度為0.1x(z/350)-0.2。計算采用入口風剖面自保持技術，使數值模擬精度進一步提高。采用壓力出口pressure-out。頂面和側面采用對稱邊界條件，symmetry。地面和建筑物壁面采用無滑移壁面wall。

4 風向規定

該工程每隔45°計算一個風向角計算，共計8個風向角，如圖5所示。

圖5 風向定義

5 觀覽車風荷載合力

通過數值風洞穩態計算，獲取觀覽車在各風向角下的平均風壓，并通過積分獲取觀覽車的風荷載合力。

為了后續結構分析方便，本報告中約定風荷載集中力為觀覽車主軸中心，0度風向方向為x正方向，90°風向方向為y正方向，模型豎向向上為z正方向。具體如圖6所示。

圖6 觀覽車模型坐標軸約定示意圖

圖7給出了各風向角下的觀覽車風荷載合力。

(a)

(b)圖7 各風向角下的觀覽車風荷載合力

從計算結果看，由于周邊建筑的干擾作用，對觀覽車的風荷載值產生了明顯影響。在90°風向角時，來流風向與觀覽車面內垂直，由于周邊建筑的干擾，觀覽車兩側風荷載分布不對稱，風荷載造成的豎向彎矩Mz達到最大-9569.43kN·m。詳見圖8給出的90°風向角下觀覽車及周邊建筑迎風向風壓分布云圖；圖9給出90°風向角下觀覽車迎風向風壓分布云圖。

圖8 觀覽車及周邊建筑風壓分布云圖(90°)/Pa

圖9 觀覽車迎風向風壓分布云圖(90°)/Pa

由于周邊建筑的干擾影響不同，在90°與270°風向角的風荷載合力絕對值也存在較大差異，風荷載合力各方向分力[Fx Fy Fz Mx My Mz]在兩個風向下的值，分別為[-282.50， 1673.12，71.42，9697.56，1559.36，-9569.43]與[56.45，-1367.99，107.70，180.18，-2293.78，5246.21]。其中Fy絕對值差異305kN，差異比例接近20%；Mx絕對值差異9517kN·m，差異比例接近99%。

6 摩天輪LOGO風荷載合力

摩天輪觀覽車在兩側懸掛“世茂摩天城”字樣LOGO，字體寬20 m，高8.1 m，厚度為1.2 m，風荷載效應明顯，且LOGO對于觀覽車的干擾作用也不可忽略。

表1給出了y軸正向LOGO字體的風荷載合力值，其中，x向合力最大值在315°風向角，為60.2kN；y向合力最大值在270°風向角，為-121.0kN；z向合力最大值在315°風向角，為14.1kN。

表1 各風向角下的單側LOGO風荷載合力 kN

7 結語

本文應用數值風洞技術，對廈門石獅世茂國際廣場觀覽車的風荷載進行了模擬，得到了觀覽車的平均風荷載值：

(1)分析得到了觀覽車整體平均風荷載值以及摩天輪LOGO的獨立風荷載值，可供設計人員結構風荷載取值使用。

(2)由于周邊建筑干擾，結構風荷載分布沿觀覽車幾何對稱面的對稱性被破壞,觀覽車風荷載分布及總荷載隨風向變化的分布差異明顯、空間對稱性變弱。

本文的研究分析方法具有一般通用性，可供同類結構風荷載研究借鑒，分析方法與分析結果，可作為類似項目參考。