CFD|格构式造型斜柱风荷载分析
摘 要:
在保证结构安全和施工简便的前提下，设置百叶外形能够为格构式造型斜柱提供建筑美感，但百叶的长度、间距和倾角均会影响整体结构的风荷载分布以及体型系数。数值模拟结果表明，百叶与下部结构的迎风面位置体型系数最大，随后由中部向两侧方向逐渐减小。百叶设置长度、间距增大时，迎风面的风荷载体型系数呈现减小的趋势，其系数降幅达28%；而百叶设置倾角、厚度的增加会令系数增幅达到30%，因施工误差而导致风荷载体型系数的变化在-10% ~+10%。
关键词:
格构式造型斜柱;百叶;风荷载体型系数;数值模拟
0 引言
格构式造型斜柱建筑是一种现代结构体系，以其独特的斜向构件布局和格构式框架，广泛应用于各种建筑物设计中[1]。由于其斜向柱体的特殊几何形状和多开口格构式框架立面，在风荷载作用下，该类建筑的风压分布与空气动力学行为极为复杂[2-3]。众所周知，确定风荷载的体型系数及分布特性，对于建筑结构整体稳定性[4-5]和抗风设计至关重要[6-7]。百叶组件的长度、厚度、间距和倾角等[8-9]参数变化均会直接影响到结构风荷载体型系数[10-11]，因此，研究这些参数变化对格构式造型斜柱建筑风荷载分布特性的影响具有重要的理论和实际意义。本文以南宁北站工程为例，对由四根钢管斜柱通过水平钢箱梁连接而成的巨型格构式造型斜柱进行数值模拟，研究百叶造型对格构式钢管造型斜柱及整体结构抗风的影响，优化调整百叶造型方案，以期对该类异型建筑的抗风设计提供科学依据，并使建筑兼顾实用性和美观性的同时显著提升经济效益。
1 工程概况
本文讨论的格构式造型斜柱位于南宁北站站房区前端,详见图1
该造型柱则采用四根等截面方管600mm×600mm×25mm 连接而成的组合柱。
图2为钢百叶的示意形状。
图3展示了格构式造型斜柱的立面尺寸及钢百叶位置。
2 有限元模型的建立
2. 1 模型的建立及网格划分
本节研究百叶窗对格构式造型斜柱风速分布的影响，按照整体结构长18m、宽9m、高30m，并将实物进行合理简化并建立三维几何模型。取CFD流场计算域高度为建筑物主体最高点的5倍(150m)；入口处、出口处与建筑物距离为建筑宽度的15倍(135m)；计算域的两侧与建筑物的距离为建筑物长度的10倍(180m)。整个流场采用局部加密的六面体网格划分，以保证计算结果的精准度。流体域底部设置为无滑移壁面，模拟实际地表，建筑表面设置为无因次距离壁面，流体可附着但不可穿透，其余的流体域表面设置为滑移壁面，流体可自由穿行。场域入口风速取9.5m/s
2. 2 周围流场分析
图4为横向来风时格构式造型斜柱周围风速矢量图。
由图4可知,来流风撞击迎风面并发生分离、再附着；建筑物两侧的剪切流在其背面引起回流现象，并且产生涡流；随着尾流和建筑物之间距离的增加，流场的分布逐渐恢复。可见，有限元计算结果能够良好地反映出该结构钝体绕流的典型物理现象。
3 不同参数的影响分析
图5展示了基准尺寸的风荷载体型系数分布情况,尺寸的基本信息如下。百叶长度为0.8m，百叶厚度为0.05m，百叶厚度为0.05m，百叶倾角为30°。将该百叶尺寸作为以下影响因素分析的基准模型
3. 1 百叶悬挑长度的影响
百叶与下部结构的迎风面位置体型系数最大，迎风面中部位置的体型系数达到峰值，并向两侧方向逐渐减小。迎风面处受风压力，且体型系数大部分为正值。不同百叶悬挑长度(0.8、1. 0、1. 2m)的最大体型系数分别为0.41、0.39 和0.32，而与百叶连接部位的体型系数很小。相对于迎风面,背风面的体型系数顺着来流方向不断减小，逐渐变为负值，对于不同百叶长度下 体型系数的最不利极小值依次为-0.10、-0.08 和-0.08。在相同风速的情况下，百叶长度增加会使得建筑迎风面积变小，从而降低风荷载体型系数。
3. 2 百叶厚度的影响
当依次改变厚度(0.050,0.075,0.100m)时，体型系数极值分别为0.41、0.45 和0.54；负极值分别为-0.10、-0.13 和-0.15。增大百叶厚度通常会使迎风面的投影面积增加,更大的迎风面积意味着更多的风力作用在百叶结构上。随之气流可能在百叶的前缘或后缘发生更早的分离，使得涡流区域增大，进而增加紊流和压力阻力,导致体型系数增大。因此，实际工程中，在满足受力要求情况下，可采用厚度较小的百叶尺寸，以减小体型系数的同时获得建筑美感及经济效益。
3. 3 百叶间距的影响
考虑改变百叶间距时，三种间距(1.00,1.27,1.54 m)的体型系数极值分别为0.50、0.41和0.39；最大负体型系数的负极值分别为-0.009、-0.010 和-0.008。迎风面与背风面交接处百叶窗的体型系数出现突变，由正值突变到负值，归因于顺风方向下连接处的两截面突变。此外，体型系数极值随间距增大呈现降低的趋势,原因在于紧密的百叶间距可能会导致某些区域产生集中的风压,较大的间距则会使风压分布更为均匀。
3. 4 百叶倾角的影响
改变倾角(30°,45°,60°)后的体型系数极值分别为0.41、0. 48 和0.53;最大负体型系数则在建筑下部结构的背风面处。可见，风荷载体型系数随着百叶倾角的增大呈现上升的趋势。原因可能是较大的百叶倾角产生更大的紊流或涡流区域,而较小的倾角则会使气流较为平滑地通过,紊流和涡流的区域得以减少。因此,适当地减小百叶倾角可以降低建筑的体型系数。
3. 5 百叶施工误差的影响
在施工过程中,百叶的长度、间距和角度可能出现误差,若该影响较大,施工过程中应采取有效措施来确保百叶的准确安装。因此,在考虑施工误差前,将百叶长度、间距和角度的基准尺寸分别设置为1.27 m,30°和 0.8 m。当百叶长度的施工误差在-10% ~+10% ,其体型系数分别为0.398、0.428,与基准尺寸相比,其系数误差分别为3.2%和4.1%。若考虑百叶倾角和间距的施工影响,该体型系数的误差分别为1.1%、1.8%和3.3%、5. 8% 。综上,因施工误差而导致风荷载体型系数的变化幅度在-10% ~+10% ,且集中在5%以下。
4 结语
midas NFX 软件能够良好地反映结构钝体绕流的典型物理现象。增加百叶的悬挑长度、间距时，其系数呈现下降的趋势。而较小的间距、较大的倾角、厚度会导致气流在百叶之间产生较多的紊流和涡流,使得风荷载体型系数增加;因施工误差而引起的风荷载体型系数变化可忽略不计。
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