单层工业厂房外围护墙面风荷载数值分析

单层工业厂房外围护墙面风荷载数值分析

鲁纯，成城

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

摘要：为研究厂房建筑外围护墙表面风荷载分布特征，以武汉某单层工业厂房为例建立了相应的计算流体力学模型。基于ANSYS WOKEBENCH平台流固耦合分析模块，求解了0°风向角条件下厂房周边流场分布特性。研究结果表明: 厂房纵墙和侧墙墙面风荷载分布存在较大差异，并且与规范取值相比有着显著不同，建议进行结构优化设计时宜按照体型系数的真实取值进行结构验算。

关键词：风荷载；单层工业厂房; 计算流体力学；ANSYS；流场

1引言

随着社会经济发展，各类工业厂房越来越多，该类建筑对风荷载较敏感，易出现风致损坏。据统计，其损失在全国风灾损失中占相当大的比重^［1］。因此，加强工业厂房风荷载效应的研究十分重要．

目前，建筑结构风荷载研究方法主要有风洞试验、实物监测和数值模拟计算。比较而言，风洞试验和实物监测均存在测试费用高、周期长及精度易受测试手段和仪器误差的影响等问题，一般多在重大工程或特殊建筑工程中采用。随着计算机技术的进步和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)理论的发展，数值模拟计算已逐步成为研究建筑物风效应的一种有效方法。四川大学白音夫应用CFD方法研究了某厂房气流组织特性^［2］，东南大学汤卓应用 CFD 技术对某核电站主厂房表面风压进行研究^［3］，周晅毅对大跨度屋盖结构风荷载及风致响应进行了相关的研究^［4］。

本文以一幢单层工业厂房结构为研究对象，基于ANSYS WOKEBENCH平台流固耦合分析模块，对该厂房外围护墙表面风压的分布规律和特性进行分析，并将模拟结果与现行荷载规范^［5］进行对比，为类似工程提供有益的参考。

2 CFD数值模拟基本原理

质量守恒方程、动量守恒（牛顿运动定理）和能量守恒（热力学第一定理）是CFD理论基石。式（1）~（3）是粘性流体流动的基本方程组：

（1）

（2）

（3）

其中，式(1) 为连续性方程，式(2) 为动量方程，式(3)为质量组分分数方程。通过求解上述方程组得到解析解或近似解。

3 工程实例

本文以武汉市某单层工业厂房为例。该厂房长（L）×宽（B）×高（H）=151m×54m×18.3m，为主体为门式刚架结构，四面围护墙为蒸压灰砂砖砌体砌筑，屋面为轻型彩钢瓦顶。东侧和南侧分别有两层钢筋混凝土框架裙房。该厂房气流从一侧纵墙流入，从厂房四周流出。计算风向角为0°。

图 ¹ 风向示意图

3.1计算模型与参数

一般地，CFD计算流域长度包括上游、中游、下游区域的长度，其中中上游区域的长度不小于 5倍的建筑长度，而下游区域的长度一般不小于 10L。而流域的宽度和高度则需要考虑阻塞率，一般计算流域的阻塞率应不大于5%。考虑到厂房建筑周围流场复杂，厂房计算模型不考虑东、南侧裙房。该厂房模型所采用的计算流域长2400m(>15L)，宽500m(>9B)，高度为80m(>4H)，厂房模型计算域尺寸如图 2所示。

图 ^2模型计算域

根据建筑荷载规范中相关公式确定计算流域的入口风剖面，在梯度风高度以上平均风速维持不变。严格讲，大气边界层内近地层的气流是湍流，流场中的风速除了平均风，还有脉动风。平均风速剖面等入口条件通过自定义( UDF)来定制。与CFD计算相关的各参数取值如表1所示。

表1 流场分析初始参数

本模型离散处理采用一阶迎风格式控制方程，算法为收敛速度较快的SIMPLE算法。对于速度小于0.3Ma的不可压缩钝体绕流问题，采用隐式格式分离式求解器。经多次试算，压力欠松弛系数取0.2，其他项取0.5，残差收敛标准取0.0001。

3.2计算结果

根据计算结果可知，该厂房迎风面( 纵墙面2) 主要受正压作用，最大正压系数值为0.763，出现在迎风面高度的约2/3处。计算显示该厂房的侧风面风压分布区间为的-1.046~-0.419。的背风面(纵墙1)和侧风面(山墙面1和2) 主要受负压作用。一般地，建筑侧、背风面的风场一般相对比较复杂。气流在结构侧风面和背风面因气流分离而产生复杂的碰撞、绕流、再附等过程，而且有明显的回流现象。厂房在 0°风向下的风压特性如见图3、图4所示。

图³迎风面纵墙平均风压系数分布图

^{图4 侧}山墙的平均风压系数分布图

计算了，0°风向角下迎风面( 纵墙面 1) 和背风面( 纵墙面 2) 的风荷载体型系数，并与《建筑结构荷载规范》中封闭式双坡屋面结构的风荷载体型系数进行了对比，结果列于表2 。分析可知，不论是在迎风面上还是在背风面上，数值模拟得到的风载体型系数值均小于规范值。因此，可认为荷载规范中取值是比较保守，偏于安全，但结构优化设计时按照体型系数的真实取值进行结构验算更为适宜。

表2 风荷载体型系数比较

4 结论

( 1) 本文对武汉某单层工业厂房的围护墙表面风压分布进行了 CFD 数值模拟．分析研究发现该厂房外围护墙面风荷载分布出现较大的差异。

( 2)厂房迎风面围护墙主要受正压作用，而侧风面和背风面的风荷载以吸力为主． 最大负压一般出现在侧风面或屋顶的迎风前缘． 通过对比发现，风荷载体型系数的规范值较为保守．建议优化设计时，宜按照体型系数的真实取值进行结构验算。

（3）厂房开洞、风向角等对墙面风荷载分布具有重要影响，需要进一步探讨。

参考文献：

[1] 楼文娟，卢旦.在建厂房的风荷载分布及其风致倒塌机理［J］.浙江大学学报( 工学版) ，2006, ( 11) : 1842-1846.

[2] 白音夫，敬成君，徐龙等 . 某厂房气流组织模拟分析［J］.四川建筑，2014，( 1) : 208 - 212.

[3] 汤卓，吕令毅 . 核电站常规岛主厂房龙卷风荷载的 CFD 模拟［J］. 东南大学学报( 自然科学版) ，2012，( 6) : 1164 -1168.

[4]周晅毅．大跨度屋盖结构风荷载及风致响应研究［D］.［博士学位论文］.同济大学，2004．

[5]GB50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.