单体低矮双坡建筑表面风压分布特征研究

单体低矮双坡建筑表面风压分布特征研究

高歌1

1.中国铁路广州铁路局集团有限公司  广东广州

摘要：为研究单体低矮双坡建筑的表面风压特性，基于LSDYNA—ICFD建立了数值仿真模型，分析了两种典型建筑高度和风速条件对单体低矮双坡建筑物表面风压特性的影响。结果表明：当风向垂直于建筑屋脊线时，流域内的最大风速位于建筑的迎风侧屋面区域，侧面区域风速次之；流体在建筑处产生绕流，并在其背面形成两个上升旋涡湍流，导致该区域形成负压区；建筑迎风侧墙面始终受风压作用，其它区域均受风吸作用，迎风侧屋面区域的风吸压力大于侧墙与背风墙面的风吸压力，最大风吸负压位于迎风侧屋面的中间区域；相同条件下，建筑表面最大风吸负压随风速与建筑高度的增大而增大。

关键词：低矮建筑；表面风压；建筑高度；风速

1.引言

低矮双坡屋面轻钢结构建筑是典型的风灾易损结构[1]，建筑高度与来流风速均会对其表面风压分布产生较大影响。因此，分析典型建筑高度与风速条件对单体低矮双坡建筑表面风压特性的影响规律对其抗风性能研究是很有必要的。

国内外学者采用足尺模型试验、风洞缩尺试验和数值风洞模拟等方法，对低矮双坡建筑的表面风压分布特性开展了大量研究。吉柏锋[2]等采用CFD方法研究了下流暴击对低矮双坡建筑表面风压分布特性的影响规律，表明剪切应力运输湍流模型更适合于模拟下击暴流作用下大坡角低 矮双坡建筑物屋脊处风压以及处理小坡角低矮双坡建筑物沿来流方向屋面上下两边缘棱角处的强分离流动问题。丛顺[3]等采用典型低矮房屋的原型试验，研究了沙漠地貌下低矮建筑屋面和墙面的风压分布规律，并对荷载规范中相应的风荷载体型系数进行了修正，为低矮建筑风压以及风沙压力特征规律的研究奠定了基础。闫旭光[4]采用数值模拟方法，分析了沿海地区低矮建筑在强风影响下的屋面风压分布规律，结果表明：屋面破坏最严重区域集中在迎风靠山墙及屋檐角部区域，特别是受斜风向影响下，最大风荷载体型系数达-2.1，大于荷载规范设计值。董欣[5]等通过风洞测压试验，研究了扰流板对平屋盖表面风压特性的影响规律，结果表明：设置扰流板后，屋面平均和脉动风压均减小，分离区内风压偏度和峰度值显著降低，非高斯脉动特性减弱；综合多因素推荐平屋盖表面扰流板设置倾角为10°。杨庆山[6]等对比TTU试验、现场实测以及风洞实验数据，基于大涡模拟方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理，阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理，有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理。戴益民[7]等给予数值风洞试验和数值模拟研究了低矮房屋的屋面局部平均风压，结果表明，数值分析与风洞试验结果温和良好。

大量研究表明，现有数值风洞模拟方法计算结果与试验结果基本一致，满足定量分析低矮建筑表面风压分布特性的精度要求。本文将基于现有研究成果，采用数值风洞模拟方法，将低矮双坡建筑表面划分为若干区域，系统研究建筑高度与风速对其表面风压的影响规律，为低矮建筑的抗风性能研究提供依据。

2.数值模拟模型

2.1 几何模型

为研究单体低矮建筑表面的风压分布特征，根据空气来流方向，将建筑表面分为迎风墙面（YQ）、背风墙面（BQ）、山墙左侧面（SCZ）、山墙右侧面（SCY）、迎风屋面（YW）、背风能屋面（YB）六个大区；依据维护彩钢板的宽度，将每个大区进一步细分为若干小区，建筑几何模型共划分为40个小区域，见图2.1所示。

图2.1 建筑表面分区示意

为避免单体建筑四周的流场受边界干扰，建筑物高，设置风速入口至建筑物迎风面的距离为，流域侧壁和顶壁至建筑物表面的距离均为，出口至建筑物背风面的距离为，从而确保流域的阻塞率小于3%[8]。

图2.2 流域几何模型示意

2.2 计算设置

根据结构几何模型与流域模型，分析两种典型高度建筑在不同风速条件下的数值风洞模型，计算工况见表2.1所示。

表2.1 数值模拟工况

流场的入口边界为入口流速（ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_VEL），入口风向垂直于建筑屋脊线，入口风速沿竖向呈梯度变化，工况设置风速为距地面10m高度的风速，并依据《建筑结构荷载设计规范》计算竖向风速梯度。出口边界为（ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_PRE），出口压力设置为零；流域的顶壁和侧壁为自由滑移边界（ICFD_BOUNDARY_FREESLIP）；建筑表面和地面为无滑移边界（ICFD_BOUNDARY_NONSLIP）。采用大型CFD软件LS-DYNA完成对数值模型的计算。其中，空气与建筑的流固耦合方式采用ICFD算法，并选取SA湍流模型，计算参数选用默认的缺省值，湍动能、湍流耗散率和质量连续方程相对残差较小，计算结果收敛性较好。计算域设置见图2.3所示。

图2.3 计算域设置示意

同时，为提升数值模型的计算速度，采用LSPP前处理中的自动划分网格功能，对建筑网格进行加密处理，对流域网格进行过渡处理，见图2.4所示。

图2.4 流体网格划分示意

3.计算结果

3.1流域风场特性

三种工况条件下，流域的稳定风速与风场分布基本一致。图3.1为工况三流域稳定风速剖面图，图3.2为工况一流域稳定风场分布图。流域内的最大风速均位于建筑的迎风侧屋面区域，结构侧面区域处风速次之；空气在结构处遇到阻碍并产生绕流，流体横向扩散幅度随离地面高度逐渐减小，流体在结构背风面形成两个上升旋涡湍流，旋涡中心风速最大，旋涡边缘风速最小，湍流沿空气流动方向逐步释放，并恢复为梯度风速情况。

图3.1 风速剖面图

图3.2 流场分布图

3.2建筑表面风压分布特性

三种工况条件下，流域稳定后建筑的表面平均风压分布规律基本一致，以工况三的表面风压为例。图3.3为工况三流域稳定后结构的表面平均风压分布图。结构的迎风面均受正压；结构侧面均受负压作用，并在在迎风侧形成负压集中区，该区域宽度约为0.25m；背风面极小区域受风压荷载作用，导致整体呈现由内向外风吸负压逐渐增大的趋势；结构屋盖全部受风吸负压，迎风侧形成两个负压集中区，其宽度约为0.25m，越靠近迎风面边缘，负压越大，整体负压呈现由中间向两侧，由迎风侧向背风侧逐渐递减的趋势。

三种工况条件下，建筑的迎风面均受风压荷载，为风荷载有利区，其它区域均受风吸压力，为风荷载不利区域。其中，迎风侧屋面YW区的风吸压力显著大于其它区域，最大风吸压力均位于YW4区域；工况一最大风吸负压为-33.95Pa，工况二最大风吸负压为-276.4Pa，工况三的最大风吸负压为-311Pa。

根据上述结果可知，当建筑高度相同时，建筑表面最大风吸负压随风速的增大而增大；当风速相同时，建筑表面最大风吸负压随建筑高度的增大而增大。

4.结论

根据上述分析，可得如下结论：

（1）当风向垂直于建筑屋脊线时，流域内的最大风速位于建筑的迎风侧屋面区域，侧面区域风速次之；流体在建筑处产生绕流，并在其背面形成两个上升旋涡湍流，导致该区域形成负压区。

（2）当风向垂直于建筑屋脊线时，建筑迎风侧墙面始终受风压作用，其它区域均受风吸作用；迎风侧屋面区域的风吸压力大于侧墙与背风墙面的风吸压力，最大风吸负压位于迎风侧屋面的中间区域。

（3）相同条件下，建筑表面最大风吸负压随风速与建筑高度的增大而增大。

参考文献

[1]赵明伟，顾明.轻型钢结构风灾易损性概率分析[J].中南大学学报(自然科学版)，2012，43(09):3609-3618.

[2]吉柏锋，邱鹏辉，柳广义等.下击暴流作用下低矮双坡建筑表面风压特性研究[J].应用基础与工程科学学报，2023，31(04):865-875.DOI:10.16058/j.issn.1005-0930.2023.04.006.

[3]闫旭光.强风影响下低矮建筑屋面风荷载分布规律研究[J].四川水泥，2022(05):56-58.

[4]丛顺，李正农，刘增夕等.基于风洞试验的沙漠地区低矮建筑实测体型系数修正[J].应用基础与工程科学学报，2022，30(04):918-935.DOI:10.16058/j.issn.1005-0930.2022.04.011.

[5]董欣，邹云峰.扰流板对分离泡诱导下平屋盖表面风荷载的影响研究[J].工程力学，2022，39(01):59-68.

[6]杨庆山，陈飞新，赵乐等.基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究[J].工程力学，2021，38(12):25-38.

[7]戴益民，闫旭光.低矮房屋屋面局部平均风压数值模拟与分析[J].建筑结构，2014，44(19):34-39+56.DOI:10.19701/j.jzjg.2014.19.007.

[8]R. Yoshie，A. Mochida，Y. Tominaga，H. Kataoka，K. Harimoto，T. Nozu，T. Shirasawa. Cooperative project for CFD prediction of pedestrian wind environment in the Architectural Institute of JaPan[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2007，95(9).