低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟

低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟 低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟 第32卷第5期 2011年9月 华侨大学(自然科学版) JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience) Vo1.32No.5 Sep.2011 文章编号:1000-5013(2011)05—0579—05 低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟 彭兴黔,刘春艳,徐刚 (华侨大学土木工程学院,福建泉州362021) 摘要:采用剪切应力输运(SST)尼一模型,对门式刚架屋面风场和表面风压进行数值模拟分析.在不同高 宽比,长宽比及不同坡度情况下,研究低矮双坡房屋的屋面风荷载体型系数的变化规律和分布特征.结果表 明,低矮建筑的屋面分压分布与屋面的长宽比,高宽比及主导风向均有很大的关系;随着高宽比和长宽比的增 大,屋面分区的风荷载体型系数的变化呈先平缓后增加的趋势,而屋面坡度变化对风荷载体型系数的影响较 小.在门式刚架抗风 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时,高宽比和长宽比最优选择分别为0.38和2.5. 关键词:低矮建筑;体型系数;风荷载;屋面;数值模拟 中图分类号:TU312.1文献标志码:A 在我国风灾造成的人员伤亡及财产损失中,由于低矮建筑的局部掀落,结构损坏和风毁倒塌而产生 的人员伤亡及财产损失占了很大一部分.历次风灾调查表明[1],低矮型建筑物特别是轻钢工业厂房,往 往是从其薄弱部位如外表面围护结构,屋面结构开始破坏的.在台风袭击过程中, 这些薄弱部位由于没 有加强抗风处理而往往先行破坏,且大多源于屋面结构的破坏,导致整个维护结构破坏I2].我国尚未对 屋面构造优化以提高结构的抗风性能提出相应的规定,这与美国,加拿大,澳大利亚等国的规范存在着 明显的差距[3].因此,深入开展低层房屋风荷载特性的研究,提出有效的抗风措施,具有十分重要的意 义.本文在屋面的细部构造上,以门刚常用的几何尺寸作为影响风荷载体型系数的主要因素,通过结构 优化来定量沿海地区轻钢工业厂房的最优尺寸. 1数值风洞模拟 1.1数值风洞与计算模型的选择 分别采用ANSYSICEMCFD10.0软件和计算流体动力学软件ANSYSCFX10.0进行建模和计 算.为适应低矮建筑的体型要求,模拟区域内风的流动特性,要求 计算模型附近的网格小,分布密集,而远离模型的网格较大,分布 稀疏.采用具有良好适应性的四面体网格离散单元[4_],每种工况 产生约100~120万个四面体单元,如图1所示. 为了便于比较分析,主要对不同屋面坡度,高宽比和长宽比 等工况进行数值模拟.CECS102:2002((门式刚架轻型房屋钢结 构技术规程》(简称"门刚规程")对围护结构风荷载体型系数分区 的规定是,将门式刚架划分成若干区域.屋面分区及风向示意, 如图2所示. 1.2基本方程及湍流模型的选择 图1建筑表面的网格划分 Fig.1Gridofbuildingsurface 1.2.1控制方程采用由湍流模型封闭控制方程进行求解的时均模拟方法,其气流流动控制方程s的 收稿日期:2010-11—22 通信作者:彭兴黔(1959一),男,教授,主要从事钢结构抗风抗火的研 究.E-mail:pxq@hqu.edLLcn 基金项目:福建省自然科学基金资助项目(E0510022);福建省泉州市科技计划重点 项目(2007G7);福建省厦门市 发改委科技计划项目(2008—70) 580华侨大学(自然科学版) 通用形式为 +div(pug)一div8t(厂.grad)+s.'6……' 式(1)中:各项依次为瞬态项,对流项,扩散项和源项;P 为空气的质量密度;U为速度矢量;为通用变量;r 为广义扩散系数;S为广义源项. 1.2.2湍流模型和边界条件湍流模型采用剪切应力 输运模型(SST是一模型),在分离流场可以给出较高精 度,而且收敛性好.人口边界条件取u(Z)一u×(Z/ )..其中:地面粗糙度指数为0.22,ub一5.35m? s一,Z一10m.人口湍流剖面按湍动能走(Z)和耗散率 ,(Z)的形式输入,其表达式[.]为 走(z)一y[J(z)(z)].,] ,fz)一3/43/'2})…KL'J 式(2)中:系数C一O.09;),===1.2;一1;K一0.4;按文献 0.风向角 图2屋面分区及风向示意 Fig.2Layoutofroofand winddirection 90.JXll;,J角 B [7]经验式,湍流积分尺度L===100(Z/30);按文[8]经验式,湍流强度j(Z):0.1× (z/)._'...地 面建筑物表面采用非滑移壁面,数值风洞的两侧面和顶面采用自由滑移壁面,出口 采用开放式的压力出 口,湍流已经充分发展(静压为零). 为保持人口处的边界条件,在内部无扰动的空风洞中进行实验.人口处的边界条件对风场模拟的影 响很大],距入口一段距离后,未受扰动新位置的平均风速和湍流剖面不一定与入口保持一致.在数值 风洞模拟的稳态计算中,对建筑物表面平均压力起主要作用的是平均风剖面,如图3所示.通过修改式 (2)中的参数y一0.5和口一4,修正湍流风剖面,重点保证平均风剖面在流场中的保持,同时尽量考虑湍 流强度的保持. (a)平均速度剖面(b)湍流强度 图3C类地貌入El和距人口1/3风剖面比较 Fig.3Windprofileattheentranceand1/3awayfromtheentranceofexposurecategoryC 1.3风速矢量模拟结果 流体的风速矢量图,体现了气体分离和背风面处大涡流的气流流态和相对数量的大小.矢量图中, 箭头指向为速度方向,而箭头的大小为风速值.在4.5m高度处,不同风向角度对应的水平剖面的风速 矢量,如图4所示. 从图4(a)可以看出,0.风向与90.风向的情况类似,气流的分离区增多,气流扰动更加剧烈,表现出 强烈的分离,附着和回流,在背风面后部均出现了对称的涡流,长度较长而强度却较小.在转角处湍流分 离强度增大,沿侧风面对称分布. 从图4(b)可知,45.风向角的气流在建筑的背风面形成强烈的回流区,转角处风速达到极值;与0. 风向相比,未形成明显的涡流.迎风面风速沿建筑的长边与短边均匀分布,较好地反映出建筑周围平均 风速的相对量值大小和流线分布情况. ??,????, _,r 第5期彭兴黔,等:低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟581 (a)0.风向角(b)45.风向角 图4水平剖面的风速矢量 Fig.4Windvelocityvectorofthehorizontalcrosssection 2屋面各分区体型系数的影响因素分析叩 2.1不同高宽比 在长宽比为2.5,坡度为1/10时,考察高宽比对屋面各分区风荷载体型系数的影响,如图5所示. 从图5可看出,当高宽比在0.25,O.38时,各风向角下屋面分区的风荷载体型系数变化幅度很小. 在O.风向角,迎风面区A1面与A3面的体型系数近似,取一常数约为一0.65;A2面体型系数可简单取 -- 0.92;A6面与A4面体型系数近似,可取一1.6;A5面的体型系数绝对值递增,从1.46变化到1.75; 背风面区B4面与B6面近似,体型系数取一0.35;B1,B2面及B3面的体型系数可简单取为一0.43,而 B5近似取一0.3.在45.风向角,除A4面变化比较大,体型系数绝对值从0.50增到0.72,其他分区都 可简单取为常数计算.在90.风向角,屋面作为侧风面的区域均表现为负压,其体型系数(绝对值)变化 较小,A1面,A2面,A4面,A5面,B1面,B2面,B4面及B5面的体型系数可近似取一0.16;A3面,A6 面,B3面及B6面的体型系数可简单取为一1.0. 当高宽比在0.38,O.45时,各风向角下,屋面体型系数绝对值变化趋势较大,大部分呈递增趋势, 可按线性插值来计算. (a)0.风向角 A1A2A3A4A5A6B1日2B3B4B5B6 屋面 (b)45.风向角 A1A2A3A4ASA6B1/32B3B4B5B6 屋面 (c)90.风向角 图5屋面各分区体型系数随高宽比的变化 Fig.5Variationofshapecoefficientoftheroofsectionwithheightandwidth 2.2不同长宽比 在高宽比为0.38,坡度为1/10时,考察长宽比对屋面各分区风荷载体型系数的影响,如图6所示. 从图6可知,当长宽比在2.0~-.2.5时,0.风向角下,迎风面区A5面体型系数绝对值先减小后增大, 其极值达到一1.83,处于最不利风向角;A1面与A3面近似,体型系数取一O.69;A2面曲线趋于平缓, 体型系数取一0.9;A4面与A6面可简单取为常数,体型系数约一1.6.背风面区B1,B2面及B3面的体 型系数可近似取一O.45;B5面变化较小,体型系数可取常数约一0.3;B4与B6面变化趋势较为一致, 体型系数可取一0.36?45./xlNZj-V,屋面各分区的体型系数变化一致,绝对值呈递减趋势,可以按线性 582华侨大学(自然科学版) 插值来计算.在90.风向角下,A1面,A2面,A4面,B2面,B4面的体型系数变化趋势大致相同,取常数 一 0.O(j;A3面与B3面近似,体型系数取一1.19;A6面与B6面的体型系数为一1.14;A5面与B5面均 呈递减趋势变化,绝对值从0.21减小到0.13,可按线性插值来计算. 当长宽比在2.5,3.0时,O.风向角,屋面迎风面区A2面,A4面及A6面体型系数绝对值均先增大 后减少,其余各面均增大.45.风向角,屋面侧风面区除A4面体型系数绝对值先减小后基本趋于一致, 达到一0.52,其余分区基本保持递增趋势,个别在长宽比达到2.7时趋于平稳.9O.风向角,A3面,B3 面,A6面及B6面体型系数绝对值保持缓慢的递减趋势,其余各面趋于一致,可取常数约一0.15. 屋面 (a)O.风向角 A1A2A3A4A5A6B1132B3B4B5B6 屋面 (b)45.风向角 AlA2A3A4A5A6B1B2日3B4B5B6 屋 (c)90.风向角 图6屋面各分区体型系数随长宽比的变化 Fig.6Variationofshapecoefficientoftheroofsectionwithlengthandwidth 2.3不同坡度 在高宽比为0.38,长宽比为2.5时,考察坡度对屋面各分区风荷载体型系数的影响,如图7所示. 从图7可知,当屋面坡度在1/20~1/8变化时,0.风向角,屋面迎风面区域除A4与A6面的体型系 数绝对值保持递减的趋势,A5面先增加后趋于一致,达到极值一1.72,其余各面可取常数.45.风向角, A6面体型系数绝对值递减,而B3面体型系数绝对值递增,达到一1.17,其余各面近似不变.90.风向角, A3面与B3的体型系数可取常数一1.08;A6面与B6面的体型系数近似取一1.0, 其余面呈现基本一致 的变化趋势.总体来说屋面各分区均表现为负压,且变化幅度很小,体型系数可简单取为常数. A】A2^3A4A5A6B】B2B3B4B5B6 屋面 3结论 (a)O.风向角 AjA2A3A4A5A6B1t:12B3/34B5B6 屋面 (b)45.风向角 A1A2A3A4A5A6B1抡B3B4B5B6 屋面 (c)9O.风向角 图7屋面各分区体型系数随坡度的变化 Fig.7Variationofshapecoefficientoftheroofsectionwithgradient (1)低矮建筑的屋面分压分布与屋面的长宽比,高宽比及主导风向均有很大的关系.屋面的局部风 压峰值一般出现在迎风屋檐或屋脊附近,其值大小与屋面的几何尺寸及风向角直接有关.最大局部风压 系数出现在A5面,受湍流旋涡引起,处在高负压区域,其值为一1.9. (2)不同风向角下,当屋面的坡度在1/20~1/8时,屋面各分区均表现为负压,且变化幅度很小,实 际设计中其体型系数可简单取为常数.当高宽比增大至0.38时,屋面各分区体型系数(绝对值)大部分 第5期彭兴黔,等:低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟583 呈递增趋势;当长宽比增大至2.5时,屋面分区的体型系数变化明显.因此,在门式刚架抗风设计时,高 宽比和长宽比最优选择分别为0.38和2.5. (3)与门式刚架规程相比较,封闭的建筑类型,其门刚屋面风载体型系数极值在角 部,达到一2.9. 文中数值模拟在边缘带A5面,偏差较其他区域略大.其主要原因是这些屋檐部位的分离流或回流附 着明显,湍流模型不足以精确地反映这种复杂的细部变化.从整体看,数值模拟能较准确地反映低矮建 筑的屋面风载体型系数的分布特性,其计算误差与门刚规程通过反映湍流影响的边界层风洞试验测得 的数据误差大约在15,35. (4)由于仅对建筑体型确定情况下,改变几何尺寸和双坡屋面坡度进行数值模拟,对于因建筑体型 的变化,屋面形式的改变所引起的风荷载体型系数变化将是后续研究的重点. 参考文献: [1]孙炳楠,傅国宏.9417号台风对温州民房破坏的调查[c]?第七届全国结构风效应学术会议论文集.重庆:重庆大 学出版社,1995. Eel贾勇,彭兴黔,许清杭.轻钢建筑围护结构抗风设计的几个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 FJ'1.华侨大学:自然科学版,2006,27(3):270— 272. 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NumericalSimulationofWindLoadsShapeCoefficient ontheRoofofLow—RiseBuildings PENGXing—qian,LIUChun—yan,XUGang (CollegeofCivilEngineering,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362021,China) Abstract:SSTk-oJturbulencemodelwasusedtonumericallysimulatetheroofwindfieldandsuperficia1windpressureof portalframe.Thevariationanddistributedcharacteristicofwindloadshapecoefficientontheroofoflow-risebuildings werestudied,fordifferentparametersoftheheight-widthratio,thelength— widthratioandthepitches.Theresultsindi— catethattheheight— widthratio,thelength-widthratioandthedirectionofdominantwindgreatlyeffectonthedistribu— tionofthewindpressure.Astheheight-widthratioandlength— widthratioincrease,thewindloadshapecoefficientin— creasesslowlyatinitialstage,thenincreasesobviouslythereafter.Theroofgradienteffectsslightlyonthewind1oad shapecoefficient.Theoptimalvaluesoftheheight-widthratioandthelength-widthratioforporta1frameare2.5and 0.38,respectively. Keywords:low-risebuildings;shapecoefficient;windloads;roof;numericalsimulation (责任编辑:钱筠英文审校:方德平)