周建芬,王玉強

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

浙江省沿海地區(qū)遭受超強臺風(fēng)損失較嚴(yán)重,次數(shù)較多,個別地區(qū)遭受臺風(fēng)損失較為典型,特別是溫州、臺州、麗水等幾個地方.研究建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)場作用下的壓力分布對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)作用.臺風(fēng)的中心氣壓低、風(fēng)力強、降雨強度大、防御難.數(shù)值模擬高強度風(fēng)場對結(jié)構(gòu)的作用還有很大的難度,目前針對一般強度風(fēng)場對建筑結(jié)構(gòu)作用的研究開展的較多.利用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)模擬建筑表面的風(fēng)壓,避免了風(fēng)洞試驗費用高,周期長等不足之處.數(shù)值風(fēng)洞在增加費用的情況下,可以根據(jù)研究的需要改變流場和結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù),對研究對象進行多方面的分析研究.

1 數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)

數(shù)值風(fēng)洞方法與直接的風(fēng)洞實驗相比較,具有模擬真實風(fēng)環(huán)境的能力,可以構(gòu)造與建筑物實際尺寸相當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ?可以按實際的風(fēng)環(huán)境進行仿真和模擬,避免了風(fēng)洞試驗只能進行縮尺試驗的不足.

我國規(guī)范上采用體型系數(shù)表示建筑面上的平均風(fēng)壓系數(shù),表達式如下：

式中：μsi—面上第i測點的風(fēng)壓系數(shù);

Ai— 第i測點的面積;

A—面積之和.

本研究的建筑結(jié)構(gòu)為鈍體形狀,建筑物在地表邊界層內(nèi)的流場中存在,鈍體周圍的流場由撞擊、分離、再附、環(huán)繞和漩渦等確定.

計算不可壓縮流體湍流運動時將湍流看作平均運動和脈動運動兩部分,將湍流運動的任何參變量都分解為時間平均值和脈動值,即

p′—脈動壓力.

數(shù)值模擬繞鈍體速度和壓力場的分布時采用改進的k-ε模型,即MMK模型,該模型方程如下[1]

式中：Pk—某點的壓強;

vk—渦團粘度;

S—平均切變率張量;

k—湍流動能;

Cu—待定常數(shù);

ε—耗散率.

1.1 順風(fēng)向情況下柔性結(jié)構(gòu)靜動力風(fēng)荷載和位移方程

由風(fēng)速實錄可知,順風(fēng)向除了平均風(fēng)速還包括脈動風(fēng)速分量.當(dāng)結(jié)構(gòu)物剛性很強時,脈動風(fēng)引起結(jié)構(gòu)物風(fēng)振慣性力不明顯,可略去,當(dāng)結(jié)構(gòu)物較柔時,除靜力風(fēng)荷載外,還應(yīng)該考慮風(fēng)振慣性力,即風(fēng)振動力荷載,則總風(fēng)荷載表達式為

式中：W(z,t)—具有某一保證率的總風(fēng)荷載;(z)—z高度處的平均風(fēng)荷載;wd(z,t)—具有某一保證率的風(fēng)振動力風(fēng)荷載.

受風(fēng)敏感的柔性結(jié)構(gòu)屬豎向一維懸臂結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)沿豎向的質(zhì)量和剛度分布不均勻,現(xiàn)將其抽象為一維懸臂的無限自由度體系.其運動方程可表示為

式中：yd(z,t)—第j振型的動位移;

φj(z)—第j振型z高度處的坐標(biāo);

qj(t)—第j振型的廣義坐標(biāo).

則結(jié)構(gòu)z高度處最大峰值位移可表示為

g—峰因子,其表達式為[2]

g的常用范圍為3.0-4.0.

1.2 橫風(fēng)向情況下結(jié)構(gòu)風(fēng)振方程

當(dāng)風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)物上時,就會在該結(jié)構(gòu)物兩側(cè)背后產(chǎn)生交替的漩渦,且將由一側(cè)向另一側(cè)交替脫落,形成卡門渦列.卡門渦列使建筑物表面的壓力呈周期性變化,且作用方向與風(fēng)向垂直.該作用引起結(jié)構(gòu)發(fā)生與風(fēng)向垂直的渦激振動.該振動是伴隨著漩渦的出現(xiàn)而產(chǎn)生的強迫振動,當(dāng)振動增強后,又會有由振動控制的渦流發(fā)生,表現(xiàn)出自激振動的特性.當(dāng)風(fēng)速在某一特定風(fēng)速范圍內(nèi),該振動才變得較為顯著.

對于豎向懸臂結(jié)構(gòu),在橫風(fēng)向渦激動力荷載作用下,其運動方程為

式中：y″(z,t)—不同質(zhì)點處的水平加速度;

y′(z,t)—不同質(zhì)點處的水平的速度;

ρ—空氣的質(zhì)量密度;

ˉυ—來流的平均速度;

D(z)—物體在垂直于平均流速的平面上投影特征尺寸;

μL—升力系數(shù).

2 邊界條件

本文應(yīng)用Fluent軟件的用戶自定義函數(shù)(UDF)功能實現(xiàn)與試驗風(fēng)特性一致的平均風(fēng)速與湍流特性等規(guī)律.

(1)平均風(fēng)剖面

對C類地貌,平均風(fēng)速按指數(shù)形式表示.為對于數(shù)值風(fēng)洞,k-ε模型計算的是湍動能k和湍耗散率ε的輸運方程.

(2)湍流特性

風(fēng)洞試驗常給出湍流強度與湍流積分尺度,本文采用日本建議的Ⅲ類地貌湍流強度公式擬合,因此需要將上述湍流強度及積分尺度進行一定的轉(zhuǎn)化.

實踐結(jié)果表明,由于上述關(guān)系基于湍流各向同性假設(shè),將使建筑迎風(fēng)面的湍動能及風(fēng)壓系數(shù)等偏大.

3 計算結(jié)果與分析

將風(fēng)洞試驗測得的風(fēng)壓與改進的k-ε模型計算的結(jié)果進行比較可以看出改進的k-ε模型對風(fēng)壓力計算給出了較好的結(jié)果[3],見圖1、圖2.

圖1 風(fēng)洞試驗

圖2 改進的模型

柱體建筑物正面受到風(fēng)壓作用,為正值,而背面、側(cè)面和頂面則受到吸力,為負(fù)值.數(shù)值分析結(jié)果如圖4,從圖中可以看出,對鈍體建筑物,正面中間偏上處正壓力最大,在兩邊及靠近下部處壓力則較小,氣流對該面有向下流動的趨勢,而且繞兩側(cè)和頂面流動,大約在建筑物2/3高度處,氣流有一正面停滯點,氣流從該停滯點向外輻射擴散.在該點以上,流動上升越過建筑物頂面,在該點以下,氣流向下并流向地面,在這一區(qū)域,其動能比同一水平高度的來流大,因此它可以呈現(xiàn)反風(fēng)向流動,能量逐步損失直至在地面分離點處于靜止,在氣流向下滾動時,在建筑物迎風(fēng)面緊靠地面形成了水平滾動,成為駐渦區(qū).

建筑物側(cè)面的壓力分布規(guī)律為氣流在側(cè)面的角線處分離,在離頂部1/3高度范圍內(nèi)分流穩(wěn)定,而下部的風(fēng)速明顯比同一高度來流風(fēng)速大,由漩渦引起的豎向摻混使側(cè)面的流動沿高度方向趨于均勻.

頂面的壓力來源于正面1/3以上氣流,這部分氣流流向頂面,頂面上部的風(fēng)有較低的分離流線,導(dǎo)致了較早的再附著.

4 不同的結(jié)構(gòu)體形在氣流場中的荷載分布規(guī)律

經(jīng)過數(shù)值模擬計算分析,對于不同傾斜的屋面,平均風(fēng)流線分布,見圖3.

圖3 屋面傾角對風(fēng)流線分布的影響

屋面風(fēng)壓力有再附著現(xiàn)象,當(dāng)屋面傾角為30°左右時,屋面部分受到向上升力部分受到向下壓力.當(dāng)屋面傾角大于45°時,屋面氣流在附著現(xiàn)象不再出現(xiàn),屋面受到壓力作用.其它傾角的屋面存在再附著現(xiàn)象,屋面受到上升力作用.

[1] S.MURAKANI,A.MOCHIDA,K.K,et al.These Proceedings[M].Landon：J.Wind Eng.Ind.Aerodyn Press,1997.

[2] 埃米爾??？?羅伯特?H?斯坎倫.風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用——風(fēng)工程導(dǎo)論[M].劉尚培,項海帆,譯.上海：同濟大學(xué)出版社,1992.

[3] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程：理論規(guī)范實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.