交錯布局輕型四坡房屋群風致干擾效應研究

顏衛亨, 王西鳳, 代 鵬

(長安大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710061)

輕型四坡房屋布置方便快速、機動性強,廣泛應用于野營房屋、災后安置和大型工程建設項目臨時用房中,同時也屬于風敏感低矮房屋,風荷載往往是其控制荷載。而此類房屋使用時常以群體布置出現,交錯布局也是群體布置的常見形式。群體布置當房屋間距小于臨界間距時,房屋之間存在風致干擾效應。而我國《建筑結構荷載規范》[1]僅規定了平面矩形高層建筑相互干擾的群體效應,對低矮建筑的群體風致干擾效尚未明確規定。國外荷載規范對低矮建筑群風致干擾效應也未見取值方法[2-3]。國內外關于群體干擾效應的研究大多針對大型冷卻塔、高層建筑和其他形體低矮房屋[4-9],對于輕型四坡房屋在交錯布局下的群體干擾效應尚未有相關研究。實際應用中若僅參考單體房屋體型系數進行交錯布局抗風設計,則存在安全隱患。

本文通過與TTU實測結果對比驗證數值模擬可行性,確定數值風洞主要技術參數,利用數值模擬方法進行交錯布局四坡房屋群風致干擾效應研究,以期有效應對干擾效應的不利影響,為輕型四坡房屋群體規劃布局和結構設計提供參考依據。

1 數值模擬基礎性研究

1.1 邊界條件的設定

數值模擬時計算域入口設置為速度入口,出口采用完全出流,側壁和頂面設置為對稱邊界,流場地面和模型表面設置為無滑移壁面[6, 10-11]。選取非平衡壁面函數能更好地模擬氣流在鈍體周圍的碰撞、分離、再附、回流和旋渦等復雜流動現象。

大氣邊界層平均風剖面按文獻[1]采用指數率描述如下式:

(1)

數值模擬時與TTU實測對應,A類地貌取α=0.12,U0取離地10 m高度處平均風速10 m/s。

流域入口湍動能k和湍流耗散率ε取值如下:

k=1.5(UIu)2

(2)

ε=0.090.75k1.5/l

(3)

式中:l=0.07L代表湍流積分尺度,其中L為建筑物特征尺寸;湍流強度Iu參照文獻[3]給出的取值范圍。

利用UDF編程將以上公式與Fluent作接口導入。

1.2 計算域大小

數值模擬精度與計算域大小密切相關,計算域太大會增加網格數量,影響計算效率,太小則無法準確模擬建筑物風壓分布特性。對于低矮建筑,若其高度為H(群體布置為最高建筑物高度Hmax),計算域入口距建筑迎風面應大于4～5H,頂壁和側壁與建筑頂面和側面的距離應大于4H。建筑模型背風面后的氣流流動應能夠充分發展,通常情況下模型背風面與出口的距離應大于9～10H。同時,數值模擬時模型的阻塞比不宜大于5%[6,11-12]。

基于計算流體動力學軟件Fluent,控制阻塞比小于3%,建立三種不同尺寸的計算域對圖1中90°風向角下TTU低矮建筑模型橫向中軸線1～11監測點進行數值模擬,結果見圖2。圖2中,為提高計算效率,在首先保證計算精度的基礎上,計算域尺寸選用150 m×100 m×60 m精度較高。

圖1 TTU低矮建筑尺寸及典型測點分布

圖2 不同計算域大小下TTU模型1～11測點平均風壓系數

1.3 網格劃分方式及數量

網格是CFD數值模擬和分析的載體,也是分析模型的幾何表達方式。網格分為結構化網格和非結構化網格,結構化網格節點排列有序、相鄰點之間的關系明確,網格適應了幾何體的規則形狀。非結構化網格無法用固定法則對節點位置加以命名,網格生成復雜,但其對復雜邊界有極強適應性和有效性。本文為提高計算效率,采取在模型所在的核心區采用靈活的非結構化網格,在外圍區域采用計算效率高的結構化網格的分區混合網格劃分形式[11-12]。

選擇計算域大小為150 m×100 m×60 m,對三種網格數量下TTU模型進行數值模擬計算,所得結果見圖3。由圖3,網格數量越大,數值模擬與實測結果越接近,但網格過密則計算耗時過長,考慮計算精度同時兼顧計算效率,取網格數量為224.6萬,數值模擬時控制網格數量在2.5個/m3左右。

圖3 不同網格數量下TTU模型1～11測點平均風壓系數

1.4 湍流模型和離散格式

控制單參數變化,對不同湍流模型和離散格式下TTU模型進行數值模擬,結果見圖4。

圖4 不同湍流模型及離散格式下TTU模型1～11測點平均風壓系數

由圖4(a),除標準k-ε模型在背風向誤差偏大外,其他4種湍流模型均能較好的預測各監測點的風壓系數,對比知RNGk-ε模型精度較高,本文湍流模型采用RNGk-ε模型。由圖4(b),三種對流項離散格式中,一階迎風格式數值耗散較大,作定量分析誤差較大,而二階迎風格式計算精度較高,故本文采用二階迎風格式。

綜上,采用數值模擬方法對TTU低矮建筑進行分析與實測數據吻合較好,說明利用數值模擬對低矮房屋表面風壓分布規律進行研究是可行有效的。

2 輕型四坡房屋群數值模擬

2.1 研究對象

本文研究對象為應用較廣泛的輕型四坡房屋,房屋外形和三維尺寸見圖5(a)。群體布置時房屋表面較單體會出現放大和遮擋效應,氣流在房屋表面的碰撞、分離、再附、回流和旋渦等流動現象比單體表面復雜。結合四坡房屋表面物理分區和雙軸對稱特點,選取0°,45°,90°三種風向角并對房屋表面分區見圖5(b)所示。

2.2 群體交錯布局及參數選取

由文獻[13],群體布置時房屋之間應有大于2 m的人行通道。經對圖6(a)中0°風向角下三個四坡房屋交錯布置的試算,由圖6(b)知,房屋間距達到24 m時,房屋表面各區平均風荷載系數與單體基本相同,因此可認為24 m為群體干擾效應消失的無干擾間距,房屋間距布置在2～24 m之間。

結合輕型四坡房屋使用情況,設計了如圖7所示8個四坡房屋交錯布局的布置方式。為反映群體布置的疏密程度,探討群體風致干擾效應隨疏密程度的變化規律,根據交錯布局時四坡房屋間距與房屋平面對應尺寸的相對關系,定義無量綱的疏密系數為:

圖7 四坡房屋交錯布局

Rx=Sx/L= 0.5, 1, 1.5, 3, 5

(4)

Ry=Sy/B= 0.5, 1, 1.5, 3, 5

(5)

式中:Rx、Ry表示橫、縱向疏密系數;Sx、Sy為交錯布局的橫、縱向間距,取Sx= 0.5L,L, 1.5L, 3L, 5L,Sy= 0.5B,B, 1.5B, 3B, 5B,其中L和B分別為房屋長度和寬度。圖7中黑體房屋為所研究的目標房屋,各風向角下處于迎風前排的房屋為目標房屋一,處于后排的為目標房屋二。

2.3 風壓系數等值線

以3個風向角和5種橫、縱向疏密系數為參數,進行75種工況數值模擬,得到目標房屋表面風壓系數等值線。限于篇幅,本節取90°風向角時最具代表性的Rx=0.5,Ry=0.5和Rx=3,Ry=5時的目標房屋表面風壓系數等值線云圖進行分析,目標房屋各區域風壓系數等值線見圖8～11。

由圖8,90°風向角下,單體房屋迎風山墻C區受正壓控制,風壓系數呈環狀分布,迎風山墻中上部出現正壓極值0.9,由中心向外側遞減,直至迎風山墻邊緣處出現負壓,負壓極值為-0.2。目標房屋一C區風壓分布基本不受疏密系數變化的影響。當Rx=Ry=0.5時,由于上游及同排房屋的遮擋和干擾,與單體房屋相比,目標房屋二迎風山墻風壓系數出現變號現象,表現為整個C區受負壓控制,負壓極值為-0.36。當Rx=3,Ry=5時,由于房屋群布置間距較大,目標房屋二迎風山墻風壓分布規律與單體房屋相似,但風壓系數值較單體房屋為小。

由圖9,單體房屋背風山墻D區受負壓控制,負壓極值-0.25。交錯布局下,當Rx=Ry=0.5時,目標房屋一背風面主要承受負壓,D1和D2區負壓值外側較內側為大。但由于房屋布置較密,流經背風面的氣流受到后排房屋的碰撞后形成回流,在目標房屋一背風面中下部出現小塊低正壓區域,從而使其背風面平均風荷載系數絕對值較單體減小。Rx=3,Ry=5時目標房屋一D區風壓分布與單體近似。不同疏密系數下目標房屋二D區風壓分布與單體近似。

圖9 90°風向角典型疏密系數下目標房屋背風山墻風壓系數等值線

由圖10,單體房屋屋面受負壓控制,負壓極值-1。流經屋面的氣流在迎風屋面C區屋脊線附近出現較強的氣流分離,屋脊線處出現高負壓區域,然后經屋脊線向后發展并再次附著到側風屋面和背風屋面上,形成再附。Rx=Ry=0.5時,目標房屋一同排及后排其他房屋的存在抬升了經由其迎風屋面屋脊線處出現分離而向后發展的氣流,減弱了氣流在側風和背風屋面的再附程度,目標房屋一側風屋面A、B區及背風屋面D區風壓系數絕對值較單體有所減小,出現遮擋效應,D3和D4區遮擋效應最為明顯;但對于目標房屋二,來流經上游房屋抬升使其迎風屋面C3和C4區風壓系數絕對值較單體有所增大,出現了放大效應。Rx=3,Ry=5時,由于房屋群間距較大,兩目標房屋屋面風壓分布與單體近似。

圖10 90°風向角典型疏密系數下目標房屋屋面風壓系數等值線

由圖11,單體房屋側面B區受負壓控制,側面上游B1區邊緣處風壓系數變化梯度大,B1區風壓系數絕對值也較大,負壓極值-0.85,側面下游B2區負壓值較小,梯度變化均勻。Rx=Ry=0.5時,在交錯布局下,房屋布置較密,目標房屋一與兩側其他房屋間形成狹窄氣流通道,此時順風向縱向間距較小,氣流流經此通道時形成急流出現峽谷效應,導致目標房屋一B1、B2區風壓系數較單體有所增大,出現了放大效應;同時,由于上游房屋的干擾和遮擋,目標房屋二B區出現了遮擋效應,B1區上游腳部出現小塊低正壓區域。Rx=3,Ry=5時,目標房屋B區風壓分布與單體相似。

圖11 90°風向角典型疏密系數下目標房屋側面風壓系數等值線

3 風致干擾效應

為分析群體交錯布局時的風致干擾效應,引入干擾因子IFμ量化交錯布局下目標房屋相對于單體房屋的受擾程度。干擾因子IFμ定義為:

(6)

式中:μSI為單體房屋的平均風荷載系數;μSA為受擾后房屋的平均風荷載系數。

IFμ絕對值大于1,說明出現放大效應;IFμ絕對值小于1,說明出現遮擋效應;IFμ小于0,說明受擾前后風壓反向;IFμ絕對值在[0.95, 1.05]時,認為無干擾[6,14]。本節以45°和90°風向角時為例對風致干擾效應展開分析。

3.1 45°風向角干擾效應

45°風向角下目標房屋干擾因子變化趨勢分別見圖12和圖13。

圖12 45°風向角目標房屋一干擾因子

圖13 45°風向角目標房屋二干擾因子

見圖12,交錯布局下目標房屋一表面各區域既有放大效應也有遮擋效應。當疏密系數較小,Rx=0.5和0.5≤Ry≤1.5時干擾效應最為顯著。此時,目標房屋表面大部分區域均出現較強的放大效應,如迎風屋面A4、C3區,迎風山墻C2區,背風山墻D2區及背風屋面D3區干擾因子最大值均大于等于1.38。該風向角下最大干擾因子1.68出現在Rx=1.5且Ry=3時的C4區,平均風荷載系數較單體增大了68%,群體風致干擾效應不可忽略。隨著縱、橫向疏密系數的增加,目標房屋表面所有區域干擾效應趨于穩定,干擾因子值逐漸接近于1。當Rx≥3且Ry≥5時,干擾效應基本消失。

見圖13,目標房屋二表面出現明顯放大效應和風壓反號現象,干擾效應強于目標房屋一。當疏密系數較小,Rx=0.5和0.5≤Ry≤1.5時干擾效應最為突出,迎風屋面A4、C3、C4區,迎風山墻C2區,背風山墻D1、D2區和背風屋面D3區的干擾因子最大值均大于等于1.70。該風向角下目標房屋所有區域的干擾因子最大值3.41出現在Rx=3且Ry=0.5時目標房屋二A3區,平均風荷載系數較單體增大了241%,干擾效應較強,設計時應予以重視。迎風屋面上游A3、C3區為受干擾程度最重的區域,房屋布置較密,0.5≤Rx≤1.5且0.5≤Ry≤1.5時,這兩個區域出現明顯的風壓變號現象,最大負干擾因子-3.03出現在Rx=0.5且Ry=0.5時C3區,相比于單體房屋,風壓變號且平均風荷載系數絕對值增大了203%。隨著疏密系數的增加,目標房屋表面各區干擾效應趨于穩定,干擾因子值逐漸接近于1。當Rx≥3且Ry≥5時,干擾效應基本消失。

綜上,45°風向角下群體風致干擾效應不可忽略。疏密系數為影響群體風致干擾效應強弱的關鍵參數,0.5≤Rx≤3,0.5≤Ry≤1.5時,干擾效應較強;隨著疏密系數增大,當Rx≥3且Ry≥5時干擾效應消失。

3.2 90°風向角干擾效應

90°風向角下目標房屋干擾因子變化趨勢分別見圖14和15。

見圖14,目標房屋一大部分區域表現為放大效應,局部出現弱遮擋效應。除Rx=0.5時D1和D2區外,其他區域干擾因子隨疏密系數的增大而接近于1。0.5≤Rx≤1.5,0.5≤Ry≤3時,目標房屋一各區干擾因子隨Ry變化而變化幅度較大,此時保持Ry不變,干擾因子隨Rx增大而逐漸減小。目標房屋一最大干擾因子1.64出現在Rx=0.5且Ry=3時迎風屋面C區。對于Rx=0.5時背風面D1和D2區,隨著Ry由0.5增至5,干擾因子由0.79增至1.56,0.5≤Ry≤1.5時出現遮擋效應,3≤Ry≤5時出現放大效應。這是因為Rx較小,順風向的Ry也較小時,氣流經目標房屋一與兩側房屋間形成的狹窄氣流通道向后發展時與后排房屋碰撞形成回流,導致背風面負壓絕對值值較單體為小。而Ry較大時,氣流能充分向后發展,在背風面出現較高負壓,Ry=5時放大效應最強,較單體放大了1.56倍。Rx≥5且Ry≥3時,各區域干擾因子接近于1,干擾效應基本消失。

見圖15,目標房屋二主要表現為遮擋效應,但局部區域的放大效應不容忽視。Rx=0.5且Ry=1時A1和B1區遮擋效應最強,平均風荷載系數較單體分別減小了75%和82%。當0.5≤Rx≤1.5,0.5≤Ry≤1.5時,C區干擾因子為負,表明該區在交錯布局房屋間距較密時相比單體會出現風壓反向現象。然而90°風向角下最大干擾因子1.67出現在Rx=1且Ry=0.5時背風面D區,平均風荷載系數較單體房屋增加了67%,這表明,對于處于下游受遮擋位置的目標房屋二,雖然其表面大部分區域出現遮擋效應,但房屋部分區域仍會出現較強放大效應,放大效應不可忽略。隨著疏密系數的增大,干擾效應逐漸減弱,當Rx≥5,Ry≥3時,干擾效應基本消失。

綜上,90°風向角下,群體風致干擾效應不可忽略。疏密系數為影響群體風致干擾效應強弱的關鍵參數,當0.5≤Rx≤5,0.5≤Ry≤3時,干擾效應較強;隨著疏密系數增大,當Rx≥5且Ry≥3時干擾效應消失。

4 風荷載體型系數

表1為單體房屋各區平均風荷載系數和目標房屋各區最大干擾因子。當房屋間距小于臨界間距時,干擾效應不可忽略。實際應用時若僅參考單體體型系數進行群體抗風設計,則存在安全隱患。為計及交錯布局帶來的放大效應,根據四坡房屋使用情況,房屋表面沒有分區且不會有特定迎風面、側面、迎風屋面或背風面,在表1基礎上,結合四坡房屋雙軸對稱的特點,按照最不利系數包絡原則,將房屋表面簡化為迎風山墻、其他山墻和屋面三個區域,在單體房屋表面各區域體型系數上乘以最大干擾因子作為放大因子,得到交錯布局時的風荷載體型系數見圖16。

表1 單體房屋各區平均風荷載系數和目標房屋最大干擾因子

圖16 交錯布局下輕型四坡房屋風荷載體型系數

圖16中正號表示風壓力,負號表示風吸力,括號中數值為放大因子,交錯布局輕型四坡房屋風荷載體型系數為單體房屋體型系數與放大因子的乘積,Rx≥5且Ry≥5時群體干擾效應基本消失,此時可按單體房屋體型系數進行抗風設計。

5 結 論

1) 對于交錯布局輕型四坡房屋群風致干擾效應的數值模擬控制網格數量2.5個/m3,湍流模型采用RNGk-ε模型,離散格式采用二階迎風格式是可行有效的。

2) 風向角一定時,疏密系數為影響群體風致干擾效應強弱的關鍵參數。交錯布局房屋布置間距分別為:0°風向角下1倍房屋長度和1倍房屋寬度、45°風向角下3倍長度和1倍寬度、90°風向角下1倍長度和0.5倍寬度時干擾效應最強。

3) 0°風向角交錯布局房屋布置間距大于等于3倍長度和5倍寬度;45°風向角大于等于3倍長度和5倍寬度;90°風向角大于等于5倍長度和3倍寬度;所有風向角下大于等于5倍長度和5倍寬度時干擾效應消失。

4) 0°,45°,90°風向角下,群體交錯布局時目標房屋與單體房屋相比,出現最強放大效應區域的平均風荷載系數分別放大了1.77倍,3.41倍,1.67倍;45°風向角時干擾效應最強。房屋群間距小于臨界間距時,群體干擾效應不可忽略,實際設計中應引起重視。

5) 在單體房屋體型系數基礎上乘以放大因子以計及交錯布局相對于單獨布置的干擾效應,得到交錯布局輕型四坡房屋風荷載體型系數(見圖16)。