摘要：以成都某大型展覽中心為項目背景，針對其大跨風車形屋蓋結構的風荷載特性，考慮其周邊地形影響，采用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型進行了數值風洞試驗，分析了36個風向角下屋面風壓系數分布和體型系數特性。結果表明：來流方向對屋蓋風壓分布影響較大，屋蓋在風荷載作用下風吸為主，特定風向角下體型系數較大；結構檐口、屋脊等處具有強分離作用，風壓梯度較大，在設計時應重點關注。

關鍵詞：大跨屋蓋； 數值風洞； 風壓系數； 體形系數

中圖分類號：TU312+.1文獻標志碼：A

0引言

由于經濟文化的發(fā)展，人們對建筑的外觀和室內功能要求日漸提高，建筑物的規(guī)模和跨度越來越大，大跨結構廣泛地應用于如劇院、體育場館、會議展覽中心和廠房等工、民用建筑中［1］。大跨結構為了滿足在其跨度下的結構強度和穩(wěn)定性要求，通常使用質量輕，且強度高的材料，導致這類結構質量輕、柔性大，加之多數建筑幾何形狀復雜，因此對風荷載非常敏感。

目前，針對大跨結構風荷載的研究已經較為成熟，得益于計算流體力學（CFD）的飛速發(fā)展，數值風洞現(xiàn)已廣泛應用于對建筑風荷載的研究，通過建立建筑物和周邊環(huán)境的足尺計算模型模擬真實的建筑風場，能有效地縮短試驗周期，節(jié)約研究成本，現(xiàn)已經成為相關行業(yè)的重要研究手段。

近年來，國內外學者對各種大跨建筑結構開展了數值風洞相關研究。陳肖笑［2］使用ANSYS CFX軟件，基于SST k-ω湍流模型，對馬鞍形索大跨結構在風荷載作用下的風壓分布規(guī)律和不同風向角下風壓系數的變化規(guī)律進行了研究；王世方［3］基于實際工程，使用FLUENT軟件對復雜空間網架結構進行了數值模擬，得到了結構在不同風向角下不同分區(qū)的風壓體型系數。李銀龍［4］以實際工程三國演藝中心為背景，結合風洞試驗和數值模擬，對大跨屋蓋結構在不同風向角下的風壓系數，并分析了平均風壓系數隨幾何參數的變化，得到當建筑長寬比為定值時，結構的矢跨比對屋蓋風壓系數的影響。

本文以成都市某展覽中心為背景，使用FLENT軟件，基于RNG k-e湍流模型對展覽中心風車狀復雜空間曲面屋蓋的風荷載特性進行分析。

1計算模型

1.1幾何模型

擬建的大型展覽中心總建筑面積3 385 m2，建筑總高度22.4 m，幾何模型如圖1所示。建筑外形為風車狀，為復雜空間曲面造型，其平面、立面都極其不規(guī)則，并存在大空間、大懸挑、大角度斜向受力構件等多種結構不利因素，造成整體結構和節(jié)點在風荷載作用下受力極其復雜。

1.2湍流模型

數值計算采用RNG k-e湍流模型對流場湍流進行模型，邊界條件入口需給定對應的湍動能k、湍動能耗散率ε和指定耗散率ω， 其表達式分別為式（1）～式（3）。

k（z）=1.5×［u（z）×I（z）］2（1）

ε（z）=（u3*）κ×（z+zs）（2）

ω（z）=ε（z）Cu×k（z）（3）

式中：κ為馮卡門常數，取值為0.41;zs 為氣動粗糙高度，對于B類地貌其取值為0.05 m;u為地表摩擦風速，其取值為2.7 m/s;Cu為常數，一般為0.09；I（z）為高度z處的湍流強度，可按日本規(guī)范（AJI）取見式（4）。

I（z）=c（z10）-d（4）

式中：c和d為地面粗糙度相關的經驗常數，c取0.204，d取0.2。

1.3計算流域及網格劃分

根據模型幾何特征，將計算流域從內之外劃分為兩個個流域，并設置不同的網格尺度，各流域之間數據傳遞通過設置interface面來實現(xiàn)。整個計算域尺寸見圖2，其大小為1 360 m（x）×1 760 m（y）×350 m（z）。

采用ICEM和FLUENT MESHING對整個計算流域進行網格劃分。采用不同的網格尺度對各流域進行空間離散，對于內流域，設定最大網格尺度為1.0 m，建筑表面最大尺度為0.02 m，其中屋面風壓是重點關注區(qū)域，設定其最大網格尺度為0.02 m，網格從密向疏轉化的尺度膨脹因子為1.2。外流域指定的最小網格尺度分別為1 m，最大網格尺度分別為5 m，網格圖示見圖2。

1.4邊界條件設置

邊界條件對計算結果起控制作用，A. G. Davenport［5］提出平均風速沿高度變化的規(guī)律可用指數函數描述，即式（5）。

（z）b=zzbα（5）

式中：zb，b為標準參考高度和標準參考高度處的50年重現(xiàn)期平均風速；z，（z）為任一高度和任一高度處的平均風速；α為地面粗糙度指數；

參照我國建筑結構荷載規(guī)范［6］對流域的各個邊界進行指定，參照項目實際坐落位置，地面粗糙度類別為B類，α=0.16，參考高度10 m處風速取為22 m/s。

其余邊界條件設置：流域出口采用壓力出口，總壓0 Pa，參考壓力為1個標準大氣壓。兩側及上部邊界面采用對稱邊界。建筑表面及地面采用無滑移粗糙壁面。

1.5風向角及工況設置

主體建筑俯視圖呈風車狀，根據幾何特征，將其先劃分為A，B，C、D四個部分，如圖3所示。為體現(xiàn)建筑在不同方向來流下的荷載變化狀況，在0～360°的區(qū)間內，每隔10°劃分風向角，并提取模型表面的風壓系數和建筑體型系數。0°風向角在計算坐標系中為+y方向，風向角繞z軸沿逆時針旋轉。

風荷載風壓系數是常用的用于衡量建筑結構所受風荷載的參數，定義為式（6）。

Cpi=pi－pH12ρV2H（6）

式中：VH為屋蓋頂部高度處的平均風速；pH為該高度處參考靜壓；pi為給定點處的風壓；ρ為空氣密度。

體型系數是風壓系數S在建筑表面區(qū)域內的加權平均值，由式（7）確定。

S=∑NiCPiAi∑NiAi（7）

式中：Ai表示編號為i的單元面積，N表示該分區(qū)面積上所包含的所有單元數。

2計算結果與分析

計算結果表明，對于A分區(qū)，迎風面最不利局部體型系數約為-2.7。對B分區(qū)，迎風面最不利體型系數約為-3.29。對C分區(qū)，迎風面最不利局部體型系數約為-2.32。結構中部的迎風側以正壓為主，其局部體型系數超過+1.0；背風側則以負壓為主，其體型系數普遍在-0.2～-1.1之間，特殊風向角下存在小于-1.7的情況。

為了全面了解屋蓋表面總體風壓分布特點，給出了幾個典型風向角下屋蓋的風壓系數分布圖，以0°、70°、100°風向角為例。

在0°風向角下，風壓系數分布如圖4所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，負壓主要出現(xiàn)在屋蓋邊緣分離處、背風面屋蓋處以及處于湍流漩渦下處的屋蓋區(qū)域，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風邊緣處，但需要注意的是，由于主體結構幾何較為復雜，因此負壓區(qū)的分布較為復雜，需要根據不同風向角具體位置具體分析。正壓則主要出現(xiàn)在迎面屋蓋位置。

在70°風向角下，風壓系數分布如圖5所示。屋蓋背風面整體為負壓；A區(qū)迎風面中部和靠近A、B區(qū)分界線位置以正壓為主，邊緣位置出現(xiàn)負壓；B區(qū)屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，迎風面處由于幾何較為復雜，B區(qū)屋蓋邊緣和A、B區(qū)分界棱邊處分離現(xiàn)象很強，負壓較大，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風邊緣處。

在100°風向角下，風壓系數分布圖如圖6所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)；A、B區(qū)迎風面邊緣分離現(xiàn)象較強，呈現(xiàn)出較大的負壓；屋蓋D區(qū)幾何形狀較為復雜，在來流作用下形成空腔，因此，D區(qū)背風面呈現(xiàn)了較大的負壓，最不利位置出現(xiàn)在屋蓋迎風邊緣處。

在350°風向角下，風壓系數分布如圖7所示。屋蓋整體呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，A、C區(qū)迎風面邊緣呈現(xiàn)出較大的負壓，背風面整體呈現(xiàn)負壓，最不利位置出現(xiàn)在A、C區(qū)邊緣。

3結論

展覽中心整體結構設計取值可參考屋面局部風壓系數的極值分布，在各風向角下，綜合屋蓋表面風壓系數，各個屋蓋以風吸力作用為主，個別屋蓋在特殊風向角下存在較大的負壓作用，尤其在風向角為0°，70°～100°和350°工況下，體型系數取值較大，在進行結構設計時應當注意。同時，屋蓋部分迎風面的氣流在屋蓋翹曲的邊緣處出現(xiàn)了較強的分離現(xiàn)象，風壓梯度較大，需注意強分離點的負壓取值。

參考文獻

［1］沈世釗.大跨空間結構的發(fā)展——回顧與展望［J］.土木工程學報，1998（3）：5-14.

［2］陳肖笑.馬鞍形索網屋蓋的風荷載特性分析［J］.四川建筑，2019，39（2）：235-237+242.

［3］王世方. 復雜空間網架結構數值風洞分析研究［D］. 北京：北京建筑大學，2022.

［4］李銀龍. 大跨屋蓋結構風荷載數值模擬與風洞試驗研究［D］.西安：長安大學，2020.

［5］DAVENPORT A F. The relationship of wind structure to wind loading［C］//Proc. Conf. on Wind Effects on Buildings & Structures， HMSO. 1965， 54

［6］中國建筑科學研究院主編. 中華人民共和國國家標準， 建筑結構荷載規(guī)范： GB 50009－2019［S］. 2019 版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［作者簡介］謝濟陽（1996—），男，碩士，研究方向為結構工程。