汕头市某超高层建筑施工期风场有限元分析

汕头市某超高层建筑施工期风场有限元分析

樊乐

（中交第三公路工程局有限公司）

摘要：为了得到汕头市某超高层建筑施工期的风场特性，运用有限元软件中的FLUENT模块并使用k-ω湍流模型对该超高层建筑进行了数值风洞模拟。研究发现，建筑物侧面由于流体的分离形成了旋涡，导致建筑物侧面承受风吸力。在绕过建筑物后，同样出现了两个大的旋涡，背风面同样承受风吸力。随着距离建筑物的远离，旋涡逐渐消失；随高度的增加，迎风面局部风压在建筑中上部达到最大值，背风面风压均为负压且分布较为均匀。

关键词：超高层建筑；CFD；风场；有限元分析

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风荷载是在超高层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载之一。研究风对超高层建筑的影响，对于超高层建筑结构的优化设计以及确保超高层建筑的安全性、舒适性等具有重要意义。

从结构全寿命周期的角度来看，风对超高层建筑的影响主要表现在施工阶段和使用阶段。目前关于风对处在使用阶段超高层建筑的影响研究已有很多。申建红等[1]对强风作用下超高层建筑的风场特性进行了实测研究，表明特殊地形环境下的风速脉动不完全符合典型的风速谱；李正农等[2]对沿海某高层建筑的台风特性和风致响应进行了现场实测研究，并对结构动力特性进行分析，得到了台风登陆前后的风特性和风压特性变化规律；黄东梅等[3]通过改变建筑模型表面粗糙度，对超高层建筑进行了风洞试验，获得了不同粗糙度工况下模型的表面风压分布特征；毛璐璐等[4]针对类矩形截面和圆形截面的超高层建筑进行了数值模拟，分析了不同截面建筑表面风压规律，以便进行抗风形体优化；Kato等[5]对高层建筑进行了风速风压的实测研究，并对风振内部压力进行了分析，发现其风振内部压力系数沿整栋建筑物高度相对不变，内部平均压力系数与风洞试验获得值吻合较好；Wu等[6]通过对帝王大厦的风振响应作了实测研究工作，从实测结果中得到幅值依赖系数，发现幅值依赖特性在顺风向及横风向风振响应中的作用非常明显；Mou等[7]基于CFD方法，研究了高宽比等建筑尺寸变化对高层建筑风压分布的影响，发现高宽比和高厚比对建筑物的风特性影响都较大，建筑物周围的正面和负面影响随宽度的增加而增大，而负面影响则随着建筑物厚度的增加而减弱；Li等[8]通过对香港超高层建筑的风振响应作了实测研究工作，揭示了台风在不同地形上的风场，并对超高层建筑的结构动力特性及其使用性能进行了评估；Wang等[9]基于对实际顶层风速的测量，研究了台风“莫兰蒂”下A、B、C三个相邻高层建筑的脉动特性，并探明了各脉动参数之间的关系以及脉动参数与阵风持续时间之间的关系；Kang等[10]基于超级台风“芒库特”期间某420m高层建筑现场实测，通过采用协方差驱动随机子空间辨识(SSI-COV)方法，对台风作用下高层建筑的时变结构动力特性进行了分析，发现结构固有频率呈先减小后增大的趋势，而阻尼比和模态方向在台风过程中基本保持不变；Xu等[11]采用健康监测系统对上海环球金融中心(SWFC)在超强台风“利奇马”作用下的风场特性进行实测，在此基础上对其振动特性进行分析。但是，关于风对处在施工阶段超高层建筑的影响研究较少。

东南沿海地区是我国的大风区，每年7~9月易遭遇台风，台风灾害是该地区的主要自然灾害之一。位于汕头市龙湖区的某超高层住宅，建筑高度150米，建设周期长。为了探明该超高层住宅在施工期的风场特性，本文采用CFD软件对其在不同施工阶段的风场和风压进行数值分析，以期得到一些对东南沿海地区超高层建筑施工安全有指导意义的结果。

1 工程概况

汕头市龙湖区地处南海东部海域边缘，为热带风暴多发区，台风登陆时风速记录曾达到53m/s，沿海多年平均风速在2.4m/s以上。

某超高层住宅位于汕头市龙湖区阿里山路东北侧，矩形平面，尺寸为36.8m×15.7m，地上45层，建筑高度152.85m。查建筑结构荷载规范可知该地区的基本风压为0.8kN/m2。

2 数值计算模型

本文运用有限元软件中的FLUENT模块并使用k-ω湍流模型对该超高层建筑进行了数值风洞模拟。FLUENT是一款广泛用于流体动力学模拟的软件，能够模拟复杂的三维流动现象。

2.1 几何建模与网格划分

超高层建筑的几何尺寸为36.8m×15.7m×152.85m。本文在建立超高层建筑的数值计算模型时进行了简化。流场尺寸为900m×200m×400m，来流方向横截面阻塞率小于规范中3%的规定。超高层建筑物数值计算模型居中放置在流场的中部，距离入口300m。

流场网格的生成是计算流体动力学中的一个重要步骤。网格生成可以采用不同的方法，如结构化网格、非结构化网格和混合网格等。文中流场采用四面体网格，靠近建筑物表面的网格最大尺寸为1m，流场周边网格最大尺寸设置为20m，生成的流体域网格如图1所示。超高层建筑物数值计算模型同样采用四面体网格，最大单元尺寸为1m，生成网格如图2所示。

图1 流场网格划分

图2 CAARC标准高层建筑模型

2.2 边界条件

本文研究的超高层建筑位于汕头市，地面粗糙度类别为A类。根据基本风压0.8kN/m2，汕头市海拔高度6.6m。空气密度与海拔的关系式：

式中，z为海拔高度。

根据上式可换算得到汕头地区空气密度为1.249×10-3t/m3。

基本风压和基本风速的关系式：

式中ρ为空气密度，v0为基本风速。

根据上式可以换算得10米处风速为35.79m/s，根据指数风剖面关系式，可以得出100m处，即建筑模型2/3H处测压点的风速为50.55m/s，模型顶部风速为53.72m/s。

入口处边界条件采用速度入口，入口处速度根据下式计算：

出口采用压力出口边界条件，相对静压设置为0Pa，流体域底面设置为无滑移壁面，此处流体速度为零，流体域侧面及顶面设置为对称边界条件。

3 计算结果和分析

3.1 风速

流场内超高层建筑周围流速的分布如图3~图5所示。选取50m、75m和125m高度处的流速分布进行分析。

50 m高度处超高层建筑周围的流速分布如图3所示。从图中可以看出，由于建筑物对风的阻碍作用，建筑物迎风面附近流场的流速较小，距离迎风面越远流场的流速越大；在两侧面和背风面由于旋涡的存在形成对称的负压区，流场的流速从建筑物表面开始由近及远逐渐增大，整个流场内流速以建筑中线为轴对称分布。

图3 50m高度处流速分布图

75 m和125m高度处超高层建筑周围的流速分布如图4和图5所示。从图中可以看出，随着高度的增加，超高层建筑对于流场流速的影响范围在不断减小。

图4 75m高度处流速分布图

图5 125m高度处流速分布图

3.2 风压

超高层建筑迎风面和背风面的风压分布如图6和图7所示。从图6中可以看出，迎风面风压以建筑模型中线为轴对称分布，整体呈“子弹”形，上部压力较大，下部压力偏小，中间压力最大，随着向四周扩散，压力值逐渐减小，大部分范围呈正压，在迎风面边缘处有极小范围的负压区。

图6 迎风面风压分布图

从图7中可以看出，背风面风压同样以建筑模型中线为轴对称分布，但均表现为负压，背风面下部风压绝对值较小，随着向周围扩散，风压绝对值逐渐增大，在边缘达到极值。

图7 背风面风压分布图

4 结论

1）流场的流速从建筑物表面开始由近及远逐渐增大，流场的流速以建筑中线为轴对称分布，随着高度的增加，建筑物对于流场流速的影响范围在不断减小。

2）随高度的增加，迎风面局部风压在建筑中上部达到最大值，背风面风压均为负压且分布较为均匀。

参考文献

[1] 申建红,李春祥.强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究[J].振动与冲击,2010,29(05):62-68+77+240.

[2] 李正农,潘月月,桑冲等.厦门沿海某超高层建筑结构风致振动动力特性研究[J].建筑结构学报,2013,34(06):22-29.

[3] 黄东梅,何世青,朱学等.表面粗糙度对超高层建筑风荷载与风振响应的影响[J].湖南大学学报(自然科学版),2017,44(09):41-51.

[4] 毛璐璐,韩兆龙,周岱等.典型形体超高层建筑的风压风场与抗风优化研究[J].振动与冲击,2019,38(18):215-222.

[5] KATO N,NIIHORI Y,KURITA T,ET AL.Full-scale measurement of wind-induced internal pressures in a high-rise building[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，69-71：619-630.

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