【某超高層結構受相鄰幹擾體影響的數值風洞模拟】公式引用了有相鄰附加數值的範圍

來源:好詞好句 發布時間:2019-07-23 04:39:14 點擊:

  摘要: 為分析上、下遊幹擾體對超高層結構風載荷的影響,以452 m超高層塔樓為例,将風載荷作為控制載荷分别建立單塔以及有相鄰315 m超高層幹擾體的數值風洞模型;分析單塔以及幹擾體分别在塔樓風向上遊和下遊3種計算工況,得出各自的風場流線圖和塔樓風載荷體型因數.結果表明,幹擾體對塔樓風載荷的幹擾效應不僅在315 m高度範圍内存在,在此高度之上也有比較明顯的幹擾效應;幹擾體對塔樓主要立面的風載荷的影響有較強的規律性.
  關鍵詞: 超高層結構; 數值風洞; 幹擾體; 體型因數
  中圖分類号: TU382 文獻标志碼: B
  Numerical wind tunnel simulation on effect of adjacent
  interference building on super high-rise structure
  JI Jun
  (East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002, China)
  Abstract: To analyze the effect of upstream and downstream interference buildings on the wind load of super high-rise structure, a 452 m super high-rise tower is taken as an example, for which a wind load is taken as its control load. Two numerical wind tunnel models are built respectively. One is the single tower model and the other one is the model with a 315 m interference building. The cases including the single tower and the tower with the interference building located in wind upstream or wind downstream are analyzed respectively. The wind field streamlines and the wind load shape factors under three calculation cases are obtained. The results demonstrate that, the effect of the interference building on the super high-rise tower is not only within the height scope of 315 m, but also above 315 m; the effect of the interference building on the wind load of main facades of the tower is with strong regularity.
  Key words: super high-rise structure; numerical wind tunnel; interference building; shape factor
  收稿日期: 2013-06-13 修回日期: 2013-07-13
  作者簡介: 季俊(1985—),男,江蘇鹽城人,高級工程師,博士,研究方向為土木工程計算機仿真,(E-mail)jj14490@ecadi.com
  0 引 言
  風載荷是很多超高層結構的控制載荷,對超高層結構生命周期的安全性和使用的舒适性起關鍵作用.[1]風洞試驗是目前研究超高層結構風載荷的首選方法,但其并不适合工程勘察設計院(所)的研究與應用.[2]數值風洞技術僅使用計算機即可完成真實風環境、足尺模型以及高重複性的模拟等,成為風工程在結構工程領域大面積研究應用的解決方案[3-4];依據既有文獻結果,實際進行數值風洞模拟研究的超高層工程非常有限.本文應用基于流固耦合技術的通用有限元軟件ADINA對某超高層結構進行數值風洞模拟,并研究其風向上遊和風向下遊幹擾體(同樣為超高層)對其風載荷大小的影響.
  1 工程概況
  該工程包括相鄰的2棟超高層塔樓,其中塔樓T1建築總高度為452 m,标準樓闆平面尺寸為60 m×60 m,角部帶有3.0~4.5 m的凹角;塔樓T2建築總高度為315 m,标準樓闆尺寸為54.8 m×54.8 m.2棟塔樓的控制載荷均為風載荷.塔樓T1和T2的立面和平面位置見圖1.
  圖 1 工程立面和平面圖
  Fig.1 Project facade and plane diagrams
  依據《建築結構載荷規範》中100 a重現期的風載荷,換算到C類地貌,50 a重現期,10 m高度處,10 min平均的基本風速為18.66 m/s.[5-6]C類地貌對應梯度風高度為ZG=450 m,由此可得梯度風風速UG=43.11 m/s,梯度風風壓PG=1.139 kPa.
  2 數值風洞模型的建立
  2.1 數值風洞計算工況
  為研究T1塔樓風向上遊和下遊幹擾體T2塔樓對T1塔樓風力因數(風載荷體型因數)的影響,對3種工況進行建模和計算.
  (1)風向沿x軸正方向風向角270°和風向沿x軸負方向風向角為90°情況下,T1塔樓單塔的數值風洞計算及塔樓所有立面體型因數統計.計算風向角示意見圖2.   圖 2 T1的計算風向角
  Fig.2 Calculation angles of wind direction of T1
  (2)T1塔樓的上遊在有T2塔樓的情況下,90°風向角的數值風洞計算以及T1塔樓所有立面體型因數統計.
  (3)T1塔樓的下遊在有T2塔樓的情況下,270°風向角的數值風洞計算以及T1塔樓全部立面體型因數統計.
  帶幹擾體塔樓的風向角示意見圖3.
  圖 3 帶幹擾體塔樓的風向角
  Fig.3 Wind direction angles of tower with interference building
  2.2 數值風洞和塔樓有限元模型
  在ADINA數值風洞計算中,需要分别建立數值風場的有限元模型和塔樓的有限元模型,見圖4和5.流體域采用基于FCBI-C的六面體流體單元,塔樓表面采用四節點SHELL單元.[7]在有限元網格劃分時,綜合考慮網格的均勻性與重點研究區域的精确性,采用漸變網格劃分法.[8]流場和塔樓網格劃分後的網格數量約為140萬個.
  圖 4 單塔有限元模型和數值風洞模型
  Fig.4 Finite element model and numerical wind
  tunnel model of single tower
  圖 5 雙塔有限元模型和數值風洞模型
  Fig.5 Finite element model and numerical wind
  tunnel model of double towers
  2.3 數值風洞的邊界條件和自然風的數值模拟
  數值風洞的出口采用完全發展出流條件,各個變量梯度變化為0.[9]流體域的左右兩側面和頂部都采用對稱邊界條件,地面采用壁面條件,流固耦合邊界采用光滑壁面條件.[10]
  模拟風速采用工程所在地實際風速;湍流采用平均風速加上脈動風速;根據達文波特風速譜模拟的風速時程,在湍流的近壁面附面層内采用RANS方法模拟,而在其他區域采用LES方法模拟[10];計算時空氣密度取1.23 kg/m3,體積彈性模量為1.4×105 Pa.[12]模型的邊界條件和數值模拟的自然風示意見圖6.
  圖 6 數值風洞邊界條件和數值模拟的自然風示意
  Fig.6 Schematic diagram of boundary condition of numerical wind tunnel and natural wind obtained by numerical simulation
  3 塔樓數值風洞分析結果
  3.1 T1塔樓單塔的風場流線圖和風載荷體型因數
  T1塔樓單塔在風向角為90°和270°時,位于塔樓高度100 m處的風場流線見圖7.
  圖 7 T1在100 m高處的風場流線
  Fig.7 Wind field streamlines of T1 at 100 m height
  在風向角為90°和270°時,T1單塔迎風面、背風面以及南北立面的風載荷體型因數見圖8.
  3.2 有上遊幹擾體時T1塔樓的風場流線圖和風載荷體型因數
  有上遊幹擾體(T2塔樓,風向角為90°)時T1塔樓的計算模型見圖9.
  有上遊幹擾體時塔樓高度100 m處風場流線圖分析結果見圖10.
  有上遊幹擾體時T1塔樓迎風面,背風面和南、北立面的風載荷體型因數見圖11.
  有上遊幹擾體時T1塔樓風載荷體型因數與單塔時的體型因數差值百分比見圖12.
  圖 8 T1風載荷體型因數
  Fig.8 Wind load shape factors of T1
  圖 9 有上遊幹擾體時雙塔數值風洞模型
  Fig.9 Numerical wind tunnel model of double towers
  with upstream interference building
  圖 10 有上遊幹擾體時100 m高處的風場流線
  Fig.10 Wind field streamlines at 100 m height under
  effect of upstream interference building
  3.3 有下遊幹擾體時T1塔樓的風場流線圖和風載荷體型因數
  有下遊幹擾體(T2塔樓,風向角為270°)時T1塔樓的計算模型見圖13.
  有下遊幹擾體時塔樓高度100 m處風場流線分析結果見圖14.
  有下遊幹擾體時T1塔樓迎風面,背風面和南、北立面的風載荷體型因數見圖15.
  有下遊幹擾體時T1塔樓風載荷體型因數與單塔時的體型因數差值百分比見圖16.
  圖 11 有上遊幹擾體時T1風載荷體型因數
  Fig.11 Wind load shape factors of T1 under effect of
  upstream interference building
  圖 12 有上遊幹擾體時與單塔情況下T1風載
  荷體型因數差值百分比
  Fig.12 Shape factor differential percentages between T1 with upstream interference building and single tower
  圖 13 有下遊幹擾體時雙塔數值風洞模型   Fig.13 Numerical wind tunnel model of double towers
  with downstream interference building
  圖 14 有下遊幹擾體時100 m高處的風場流線
  Fig.14 Wind field streamlines at 100 m height under
  effect of downstream interference building
  圖 15 有下遊幹擾體時T1風載荷體型因數
  Fig.15 Wind load shape factors of T1 under effect of
  downstream interference building
  圖 16 有下遊幹擾體時與單塔情況下T1風載荷體
  型因數差值百分比
  Fig.16 Shape factor differential percentages between T1 with downstream interference building and single tower
  4 結 論
  使用國際通用流固耦合分析軟件ADINA對某452 m高超高層結構進行數值風洞模拟,并定量研究其在風向上遊和風向下遊有相鄰315 m高塔樓時的風載荷影響程度,數值風洞計算表明:
  (1)無論幹擾體T2塔樓位于風向的上遊還是下遊,均對T1塔樓的風載荷産生較為明顯的影響.T2塔樓位于風向上遊時幹擾效應更強.
  (2)T2塔樓(315 m)對T1塔樓(452 m)風載荷的幹擾效應不僅在其高度範圍内,在315 m高度之上也比較明顯.
  (3)由流場流線圖可知,T1塔樓凹角處(尺寸為3 m左右)的風環境非常複雜,風壓較集中,體型因數遠高于大面數值,并且在有幹擾體時局部凹角處風壓變化的規律性不如大面強.
  (3)當T2塔樓位于風向上遊時:①對于迎風面的大面,由于T2塔樓遮擋的影響,在T1塔樓的北側,體型因數降低近40%;②對于背風面的大面,帶幹擾體的T1塔樓的體型因數比單塔模型增加少于20%;③對于南立面的大面,由于T2塔樓偏于T1的北側,施繞體T2對T1塔樓南立面的影響較弱;④T1塔樓北立面的大面是T2塔樓遮風效應最明顯的側邊,在T2塔樓的高度範圍内,體型因數降低50%,在T2塔樓高度以上50 m内,體型因數降低45%;在T2塔樓頂高度50 m以上,體型因數最高降低30%.
  (4)當T2塔樓位于風向下遊時:①對于迎風面以及南立面的大面,由于T2塔樓位于風向下遊,對T1塔樓的影響基本可以忽略;②對于背風面的大面,由于T2塔樓對風場的幹擾,在靠近T2塔樓的一側,雙塔與單塔二者的體型因數相當接近,而在遠離T2塔樓的南側,由于漩渦的形成,大面體型因數增加10%;③T1塔樓的北立面大面是T2塔樓的幹擾效應最明顯的側邊,雙塔體型因數降低約30%.參考文獻:
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  (編輯 武曉英)

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