建筑物對塔機順風向風力干擾效應研究

林其濤

(中鐵城建集團第一工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

塔機相較于單體狀況下塔機的風力可能會發生很大變化。塔機作為桁架結構，它的尺度相對于建筑物尺度非常小，不同風向角下，建筑物對塔機的風載荷影響會很大[1]。而關于塔機結構干擾效應的國內外規范中，也僅僅給出了通過結構充實率和間隔比來計算塔機局部相同結構0°風向角下干擾因子的方法[2-3]。

針對干擾效應的研究手段主要分為風洞試驗和CFD數值仿真[4]。李正良等[5]基于高頻動態天平風洞試驗，得到了格構式塔架在不同遮擋間距、不同風速工況下的橫風向、順風向、基底彎矩功率譜和扭轉向基底力。楊風利等[6]設計了多種輸電塔塔身模型并進行風洞試驗和CFD數值仿真，獲得了不同模型背風面風荷載降低系數(干擾因子)隨高寬比的變化規律。Martin等[7]運用風洞試驗建立了碟形天線對通信塔塔身基底力的干擾因子計算方法。以整體基底力和基底彎矩來定義干擾因子往往比較宏觀，不能進一步了解干擾規律在結構上的分布特征[8]。基于周圍建筑物群體不同布置密度，Quan等[9]通過測壓風洞試驗研究并分析了低矮房屋屋頂風壓分布特征。Yu等[10]和Yan等[11]分別基于測壓試驗得到了方形截面和多邊形截面的高層建筑物迎風面、背風面和側面在不同橫向和縱向間距比下干擾因子分布規律。余文林等[12]基于CFD方法對冷卻塔在不同風向角下的干擾效應進行了數值模擬。

研究建筑物對塔機局部結構的風載荷干擾因子，對于更清晰地認識干擾機理和指導塔機抗風設計具有重要意義。本文通過建立不同風向角和不同橫向、縱向間距比下的塔機和建筑物CFD數值計算模型，得到了塔機局部結構上的風力系數，系統研究了塔機局部結構在不同建筑物位置和不同風向角下的順風向風力干擾效應，得到了塔身標準節和起重臂臂節的干擾因子分布規律。

2 CFD數值模擬方法

將塔機沿高度方向和水平方向進行分區，以不同分區的風載荷特性來表征塔機局部風載荷特征，從而建立塔機局部結構風載荷特性。共劃分成35個分區，圖1為塔機模型分區圖。

圖1 QTZ125塔機模型分區

塔機總高度為H＝55 m，建筑物簡化為30 m×30 m×40 m的方柱。為滿足塔機回轉、變幅和起升等作業要求，建立建筑物與塔機位置。B為塔機塔身標準節的寬度，X為塔身中心與建筑物的橫向距離，Y為塔身中心與建筑物的縱向間距。

2.1 計算域與邊界條件

2.1.1 計算域及其網格

計算域設置為內切圓直徑800 m，高度200 m的正十二面棱柱，改變入流面和出流面的位置實現不同的風向角，計算域如圖2所示。計算網格采用六面體和四面體混合網格，中間通過金字塔單元過渡連接。在塔機和建筑物表面生成邊界層網格，第一層網格厚度分別為0.001 8 m和0.002 8 m。本文基于y+值和網格無關性驗證得到網格總數量3 500萬左右。

圖2 模型計算域

2.1.2 邊界條件

湍流模型選取Realizable k-ε。基于大氣邊界層特性來定義入口邊界條件的平均風速剖面、湍動能k和耗散率ε，其中以標準B類地貌、10 m高度處的風速13.3 m/s來定義風速剖面。出口邊界條件為自由出流。塔機表面、建筑物表面和計算域地面為非滑移壁面，采用非平衡壁面函數，其余面為對稱面。采用SIMPLE算法對速度壓力耦合方程進行求解，離散格式為二階迎風格式。

2.2 風力系數定義

圖3為塔機風向角示意圖。根據坐標系，定義塔機風力系數為:

圖3 塔機風力方向

式中，CD、CL為塔機沿坐標系方向上的風力系數；Fx、Fy為塔機沿坐標系方向承受的風載荷；ρ為空氣密度(kg/m3)；Uref為參考高度處的風速(m/s)；A為結構迎風面面積(m2)。

不同風向角下，風力系數均是基于塔機體軸坐標系。為了建立沿著風向角下的風力系數，需對坐標系進行轉換。在風軸坐標系下，風向角為θ時，塔機順風向風力系數CDθ為:

2.3 干擾效應量化

為分析建筑物對塔機風力干擾效應程度的大小，采用干擾因子IF來量化。干擾因子定義為:

式中，CDθ，I為有建筑物存在時，塔機順風向平均風力系數；CDθ，P為塔機單體情況下順風向平均風力系數。

當IF＝1時，建筑物對塔機風力沒有干擾；當｜IF｜＜1時，建筑物遮擋效應占主導作用，IF值越小則遮擋效應越明顯；當｜IF｜＞1時，建筑物對塔機風力表現為放大效應，IF值越大則放大效應越明顯。其中，當出現IF＜0時，說明建筑物的存在使得塔機順風向風力方向偏轉180°。

3 風力干擾研究

為驗證本文數值計算的可靠性，將計算得到的邊界條件和建筑物迎風面風壓分布特征分別與相關規范進行對比得出，無建筑物遮擋時數值模擬風場的入口及距離塔機前10 m處的風速剖面u/u10(u為某高度處的風速，u10為10 m高度處的風速)及湍流強度Ⅰ與理論風場值保持良好的一致性，且說明風場具有較好的自保持性。風場中有建筑物遮擋時，在180°風向角下建筑物處于塔機的上游，其迎風面風壓系數CP＝p/(ρu2/2)(p為迎風面上的風壓)分布特征不受塔機的影響，建筑物迎風面風壓系數分布特征與規范較好的吻合。

3.1 建筑物不同位置的影響

建筑物位置是影響干擾效應的一個主要原因。在滿足塔機現場作業要求的前提下，本文將塔機沿建筑物縱向和橫向布置，共分為5種位置。對5種位置下的干擾效應進行了研究。

3.1.1 塔身標準節干擾因子分析

塔身由15節標準節組成，隨著高度的變化，塔身標準節的干擾因子呈現多種變化特征。在210°和240°風向角下，5種位置下的塔機塔身標準節均被建筑物完全遮擋，即干擾因子均接近于0；在300°和330°風向角下，由于建筑物的截面是正方形，即干擾因子的表現特征分別類似于60°和30°風向角下，所以本文以0°到180°和270°風向角來對塔身標準節的干擾因子進行分析。圖4為不同位置下的塔身標準節干擾因子沿高度分布情況，其中z/H為塔身標準節中心高度與塔機總高度的比值。

圖4 塔身標準節干擾因子沿高度分布

0°風向角下，5種位置下的干擾因子均小于1，遮擋效應占主導作用。隨著橫向間距比的縮小，干擾因子逐漸減小。這是因為風吹過塔機，在塔機上游形成高壓區，在其下游形成低壓區。同時，由于塔身標準節的空間格構形式，風經塔機繼續向下游的建筑物流動，在建筑物迎風面前端形成高壓區。塔機越靠近建筑物，即其越靠近建筑物迎風面前端的高壓區，從而使得塔機的壓差阻力越小即風力系數越小，導致干擾因子隨著減小。隨著縱向間距比的縮小，干擾效應也逐漸減小。這是因為風流經建筑物，在其迎風面中間位置會形成駐點區域，在駐點兩側形成流動方向相反的氣流，并在建筑物拐角處發生氣動分離，越靠近拐角，氣流速度越大，使得塔機風力系數增大，進而干擾效應減小。30°和60°方向角，5種位置下的干擾因子表現出相同的特征。其中，在z＝0.6H附近區域時，出現風力干擾因子增大拐點，建議在此位置處安裝扶墻，增強塔機的抗風性能。

0°、30°和60°風向角下的塔身標準節干擾因子沿高度分布呈現三次函數變化特征。對其進行非線性擬合，表達式為:

式中，α、b、c、d為擬合參數；z/H為相對高度。

采用最小二乘法進行擬合，擬合結果與計算數據的相關系數均大于95%，表明塔身標準節干擾因子與相對高度具有很好的三次函數關系。

90°風向角下，橫向間距比為X/B＝2.25和X/B＝2.75時，塔身標準節干擾因子隨橫向間距比的增大而變化不明顯，但在橫向間距比為X/B＝3.75時，干擾因子隨橫向間距比的再次增大而明顯變化，說明橫向間距比超過了臨界值，使得干擾因子發生較大的變化。隨著縱向間距比的增大，塔身標準節干擾因子隨之逐步增大，但當塔機處于建筑物邊沿時，建筑物對塔身的干擾效應由遮擋效應轉變成放大效應，這是因為此風向角下，來流風在建筑物邊沿區域形成風加速區，使得塔機承受的風載荷大于單體情況下。270°風向角下，不同橫向間距比下的塔身標準節干擾因子沿高度的分布情況與90°風向角下保持一致，但是縱向間距比下發生了較大的變化，這是因為此時塔身處在了建筑物風場的更下游，使得縱向間距比的變化對干擾因子的影響較90°風向角下的小。

120°風向角下，縱向間距比為Y/B＝6.25時，塔機位于建筑物的邊沿處，氣流在建筑物拐角處分離，形成加速氣流作用在塔身標準節上，從而使得其干擾因子大于0，而在其他間距比下，塔身標準節完全被建筑物遮擋，使得干擾因子近乎為0。同樣，在150°和180°風向角下，由于建筑物的遮擋，塔身標準節的干擾因子也為0。

3.1.2 起重臂臂節干擾因子分析

圖5為起重臂不同橫向和縱向間距比下的風力干擾因子分布。0°、30°和60°風向角下，起重臂臂節干擾因子接近于1，說明橫向間距比和縱向間距比對塔機起重臂臂節的干擾效應影響較小。這是因為建筑物處于塔機的下游，且起重臂高于建筑物，從而使得間距比對起重臂的干擾很小。90°風向角下，由于起重臂遠端處于風場的下游，受到建筑物的影響使得遠端處的起重臂臂節的干擾因子小于1，表現為遮擋效應；而在270°風向角下，起重臂遠端處于風場的上游，建筑物干擾很小，因此干擾因子接近于1。在這兩種風向角下，起重臂近端均受到建筑物的干擾，干擾因子均大于1，表現為放大效應，其中在90°風向角下，隨著橫向間距比和縱向間距比的增大，干擾因子增大，在270°風向角下，隨著橫向間距比的增大，干擾因子縮小，而隨著縱向間距比的增大，干擾因子增大。

圖5 起重臂臂節干擾因子分布

3.2 不同風向角的影響

建筑物對塔機風力干擾效應的研究中，風向角也是一個主要影響因素。基于相同橫向或者縱向間距比，本文對0°到330°共12個風向角下的塔身標準節和起重臂臂節干擾因子進行了分析。

圖6為12個風向角下的塔身標準節干擾因子沿高度的分布規律。從圖中可以看出，橫向間距比X/B＝2.25，X/B＝2.75和X/B＝3.75下，塔身標準節干擾因子均小于1，建筑物表現為遮擋效應，其中60°和300°風向角下的干擾因子最大，IF值在 0.6 附近波動；120°、150°及對應的 210°、240°風向角下，由于建筑物的遮擋占主導作用使得干擾因子始終最小，IF值接近于0。風向角從0°到60°變化中，塔身干擾因子隨之增大。90°至270°風向角下的干擾因子因為建筑物的遮擋效應占主導地位使其IF值很小，但是在X/B＝3.75時，因建筑物遮擋效應減弱，使得塔身標準節干擾因子增大。

圖6 12個風向角下塔身標準節干擾因子

風向角從0°到60°變化中，隨著縱向間距比的逐漸增大，60°風向角下塔身標準節干擾因子始終最大，但是30°風向角下的塔身標準節干擾因子在縱向間距比Y/B＝0時大于0°風向角下，在Y/B＝3.75時而與0°風向角下相同，在Y/B＝6.25時而小于0°風向角。在縱向間距比Y/B＝3.75時，60°和300°風向角下干擾因子最大，IF值在0.6附近波動。由于建筑物的遮擋，120°至240°風向角下的塔身標準節干擾因子沿高度的增加變化不大；在Y/B＝6.25時，最大干擾因子出現在90°風向角下，這是最不利的風向，應當引起格外關注。

圖7為起重臂臂節干擾因子隨風向角的變化圖。從圖中可以看出，在不同的橫向或者縱向間距比下，起重臂臂節的干擾因子IF值在1附近波動，但是在 90°、120°、150°和 270°風向角下的變化尤為突出，表明起重臂臂節對上述風向角比較敏感，其中在120°和150°風向角下，起重臂臂節干擾因子表現為遮擋效應，而在90°和270°風向角下，近端起重臂臂節干擾因子始終表現為放大效應，應當引起關注。由于建筑物對末端起重臂臂節的影響逐漸減弱，12個風向角下的起重臂臂節干擾因子波動逐漸減小，IF值逼近于1。

圖7 12個風向角下起重臂臂節干擾因子

4 結論

本文系統分析了塔機與建筑物在不同的橫向和縱向間距比下及不同風向角的塔機風力干擾因子分布規律，得到了如下結論:

(1)不同的橫向或者縱向間距比及在不同的風向角下，建筑物對塔機的干擾效應主要表現為遮擋效應。

(2)0°、30°和 60°風向角下，塔身標準節風力干擾因子隨著橫向間距比和縱向間距的增大而增大，并且干擾因子沿高度的分布規律符合三次函數特征；同時在這三種風向角下，不同的橫向間距比和縱向間距比對起重臂臂節干擾因子的影響很小，可以忽略，但是在120°和150°風向角下，起重臂臂節在不同的橫向或者縱向間距比下干擾因子分布規律符合二次函數特征，中間段臂節遮擋效應最為明顯，干擾因子接近于0。

(3)不同的橫向間距比下，塔身標準節干擾因子在60°或者300°風向角下最大且值在0.6附近，但在縱向間距比Y/B＝6.25時，90°風向角下的干擾因子最大且大于1，表現為放大效應。

(4)在不同的橫向或者縱向間距比下，起重臂臂節干擾因子IF值在1附近波動，且起重臂臂節對90°、120°、150°和 270°風向角比較敏感。在 120°和150°風向角下，起重臂臂節干擾因子表現為遮擋效應，而在90°和270°風向角下，近端起重臂臂節干擾因子始終表現為放大效應。