复杂体形高层建筑风压分布及干扰效应数值研究

复杂体形高层建筑风压分布及干扰效应数值研究

第一作者：陈修山,第二作者：耿庆宏

1.370303198406292118   山东淄博  255000

2.  370321198404180350   山东淄博  255000

摘要：基于软件平台，采用Reynolds平均法(RANS)，对复杂体型高层建筑群的表面风压分布及干扰效应，进行数值模拟分析，并通过CAARC标准模型检验文中数值方案与参数选择的合理性；以此为基础，在建筑物表面计算分块体型系数，将其结果与现行规范进行比较分析，得出了一些实际结论。

关键词：高层建筑；体型系数；风压分布

1、研究对象

本文以某实例工程为研究对象，该工程由两栋点式高层建筑组成，总建筑面积约11万m。其中：南楼平面呈梯形，总高168.3m；北楼平面呈矩形，总高149.2m；裙房高23.4m。在两栋主体建筑北侧附近，有一栋高140m左右的已建成的复杂体型建筑；南侧附近有两幢35m高的建筑(图1)。由于主体建筑本身外形复杂且存在群体建筑干扰效应，因此在近地风作用下本大厦的风荷载分布十分复杂。

2、计算模型及参数选择

2.1网格划分

选用计算流体动力学软件Fluent计算，按实际尺寸建立数值模型。计算域的大小取为3600m3×1800m3 ×600m3，阻塞率小于3%，建筑物计算模型置于距人口1/3计算域长度处。建筑物表面使用三角形网格划分，离散网格尺度约为0.01H，外形变化剧烈处网格尺度控制在约0.005H；体网格生成过程中先在建筑物表面生成边界层网格，然后由边界面和棱柱单元的最外层表面向中间流域生成结构化和非结构化混合的空间网格[1]。综合考虑计算精度和计算量两种因素，得到体网格单元140万个左右(图2)。

2.2本文方法的合理性检验

以CAARC标准高层建筑模型风洞实验(图3)为参考，通过考察模型2H/3高度处20个测压点的压力系数，检验本文计算方案的合理性。

压力系数Cp定义为

Cp=2p/ρu02

式中，p为相对压力；ρ为空气密度，大小为1.225kg/m3；u0为建筑物顶部的风速[2]。分别用Realizablek-ε及SSTk-ω两方程模型进行模拟计算，计算结果与TJ-2风洞实验及NPL实验结果进行比较(图3(b))，由图可知无论在正压区还是在负压区数值模拟结果与实验结果存在着一致的规律性。同时SSTk-ω模型的模拟结果较Realizablek-ε模型有所改善，特别是流动分离的部位。这说明采用本文方法对本文建筑进行的计算是合理的。

3、建筑物表面风压分布及干扰效应分析

180°风向各立面分块体型系数计算如图4。两主体建筑迎风面上的风压基本上为正压(图4(a)、图4(e))，中间值略大于两头，但北楼顶部两侧截面突变出现拐角导致气流分离，分块体型系数出现负值；北楼侧迎风面局部达到-0.6，突出部分相对尺寸的差异导致体型系数与规则建筑(以十字形平面高层建筑为例)迎风面突出部分的+0.6(图5)相差悬殊。由于侧面上来流前沿后缘均存在体型突变，且有相邻建筑的干扰作用，建筑物侧面风压分布复杂，南北两侧风压分布存在较大差别。南北楼北侧面主体部分负压偏高(图4(b)、图4(f))，且不同高度段变化较大；而南侧面北楼主体部分负压偏低(图4(c))，南楼风压分布与规则建筑差异不大(图4(g))，而两建筑物沿来流前沿均出现正压，而北楼后缘狭长矩形侧面上分块体型系数小至-1.1左右。两建筑背风面上分块体型系数沿高度变化较大，且均沿高度方向绝对值减小，若用一个平均体型系数将过于粗糙。

270°风向下，高度为140m的干扰建筑横向尺度大，且位于主体建筑上游不远处，从而主体建筑处在其下游负压区范围内，表面大部分区域为负压。计算主体建筑各区域的体型系数，进而获取各立面平均体型系数。各立面平均体型系数与单体建筑存在着很大差异，总体型系数偏小于规则单体建筑。可以通过图8的平均风流动速度矢量图来分析干扰影响。可看出由于来流方向受已建成高层建筑的影响，主体建筑附近风场发生了本质的改变，北楼与干扰建筑间形成了涡流死区。与无干扰楼时相比，主体建筑前方的风速大大降低，因而平均风压大大减小。

4、结论

(1)本文主体建筑体型复杂多变，建筑物的拐角处气流的分离与附着使得截面突变部位计算出的体型系数较为复杂：迎风面上顶部和两侧突出部分体型系数出现负值，侧面体型系数在前后缘狭长条上出现正值，其值和现行规范取值存在差异与收缩和突出截面相对尺寸有关。

(2)高层建筑国家规范规定的体型系数主要针对规则单体建筑，实际工程中建筑物平面和立面形状复杂多变，且周边环境对建筑物风压分布影响较大，宜采用物理风洞或数值风洞确定其最不利风压分布。

参考文献：

[1]唐娟,王国砚.复杂体型高层建筑风压分布及干扰效应数值研究 [J].结构工程师,2008,24(2):61-65.

[2]陈伏彬,吕记斌,李秋胜,等.前方建筑对高层建筑风压分布的干扰效应研究 [J].工业建筑,2015,(9):50-53,130.