大跨度屋盖结构的风荷载特性不仅与其结构外形有关, 还与其所处的建筑环境有关。现代建筑分布非常密集, 一般待建建筑的周围均会有其他已建的建筑物或构筑物, 这些建筑物或构筑物对待建建筑的气动干扰是不能忽视的, 当两者间距很近时, 这种干扰会相当显著^[1,2,3]。这种干扰效应与干扰体的位置、形状等很多因素密切相关, 要想给出一个普遍意义的结论是很困难的, 但可以通过对具体实例进行分析, 得出一些具有参考意义的结论。

　　 本文以闽南某大跨体育场馆为工程背景, 该工程由体育场 (敞开悬挑结构) 和体育馆 (封闭结构) 组成, 是2008年全国农运会的主场馆 (图1) 。一场一馆相距大约30m, 其中体育馆总平面布置由一个椭圆形和一个半圆筒状网壳组成, 为空间网壳结构。其平面是单轴对称的羽毛球拍形, 长轴218m, 短轴109.8m, 屋盖最高点距地面为32.5m。体育场建筑结构新颖, 造型独特, 总平面布置由四个独立的挑篷组成空间曲面网壳结构, 东西长约92m, 南北长约220m, 挑篷最高处距地面45.5m, 跨度最大达48m。

　　 本文运用计算流体动力学软件CFX10.0, 采用SST k-ω湍流物理模型, 对一场一馆屋盖风荷载进行数值模拟, 并将计算结果与风洞试验数据进行比较, 对一场一馆大跨度屋盖结构之间的风干扰效应进行分析, 探讨不同的相对位置对一场一馆大跨屋盖风荷载的影响, 分析一场一馆之间的干扰机理, 并对一场一馆的建筑规划进行了整体评价。

　　 一场一馆模型数值模拟方位、风向角及测点布置图见图2。采用CFX10.0软件按照实际建筑施工图对体育场建立足尺模型, 忽略火炬柱等附属构件, 经多次试算, 最终选择计算域为6 000m×4 000m×250m, 流域的设置满足阻塞率小于3%的要求, 体育场模型置于流域前沿1/3处, 整个计算域分为计算域一和计算域二, 该区域已经足以模拟该建筑所处的整个大气环境。计算域一划分网格时采用非结构的六面体网格, 共划分非结构化的六面体单元408 744个;计算域二共划分四面体单元和非滑移近壁面的六面体单元1 108 692个, 整个计算域总计划分1 517 436个单元。其模型网格图如图3所示。

　　 图2 模型方位、风向角及测点布置示意图

　　  

　　 图3 一场一馆模型网格图

　　

　　 采用完整的SST k-ω湍流物理模型, 近壁面采用壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。SST k-ω模型是k-ω模型的改进模型, 由Menter模型发展而来^[4,5,6,7,8]。SST k-ω剪切应力输运模式在近壁处采用Wilcox k-ω模式, 在边界层边缘和自由剪切层采用k-ε模式, 其间通过一个混合函数来过渡, 属于积分到壁面的不可压缩/可压缩湍流的两方程涡粘性模式。  

　　 入口风速U_Z计算公式为:

　　 $U{}_{{\rm Z}}=U{}_0({\rm Z}/{\rm Z}{}_0){}^{\alpha }$

　　 式中:Z为测量点处的高度;Z₀为参考高度, 取200m;U₀为参考高度处的风速, 按照风洞试验结果取14m/s;α为地面粗糙度系数, B类地面取0.15^[9]。

　　 入口处的湍流强度I_Z按下式计算:

　　 ${\rm I}{}_z=\{\begin{array}{cc}0.23\hfill & \left({\rm Z}\le 5\text{m}\right)\hfill \\ 0.094\times \left({\rm Z}/350\right){}^{-0.21}\hfill & \left(5\text{m}<{\rm Z}\le 350\text{m}\right)\hfill \end{array}$

　　 出口处采用充分发展的湍流模型模拟;计算区域上表面及侧面采用自由滑移的壁面模拟;地面采用无滑移的粗糙壁面模拟;建筑物壁面采用无滑移的光滑壁面模拟。

　　 在空气动力学中, 物体表面的压力通常用无量纲压力系数C_p (t) 表示:

　　 $C{}_{\text{p}}\left(t\right)=\frac{p{}_i(t)-p{}_{\infty }}{p{}_0-p{}_{\infty }}(1)$

　　 式中:C_p (t) 为模型上测点i所在位置的风压系数;p_i (t) 为测点i所在位置测得的表面风压;p₀和p_∞分别为参考点处测得的平均总风压与平均静风压。

　　 对两面受风处和悬挑部分, 内外 (上下) 表面同步测量的各对测点上的净压力系数ΔC_pi (t) 为:

　　 $\Delta C{}_{\text{p}i}\left(t\right)=\frac{p{}_i^{\text{u}}(t)-p{}_i^{\text{d}}(t)}{p{}_0-p{}_{\infty }}(2)$

　　 式中p^u_i (t) 与p^d_i (t) 分别为该位置内外 (上下) 表面的风压值。

　　 风对挑蓬的整体作用主要是向上的升力作用, 引入总体升力系数C_F, 以确定不同风向角下单个挑蓬所受的升力值, 其计算公式为:

　　 $C{}_{\text{F}}={\displaystyle \int \overrightarrow{C}}{}_{\text{Ρ}}\overrightarrow{A}{}_i/A(3)$

　　 式中:$\overrightarrow{C}{}_{{\rm P}}$为测点i处的平均风压系数;$\overrightarrow{A}{}_i$为测点i对应的面积;A为挑蓬的整体面积;α为测点表面的法线方向, 本工程取15°;C_P为测点i的风压系数, 可以为上下表面的风压系数, 也可为合力风压系数。

　　 为了验证数值模拟结果的可靠性, 首先对一场一馆的数值模拟结果与风洞试验数据进行比较, 限于篇幅, 本文只给出影响较大位置体育场0°, 90°风向角下屋盖合力分块风压系数对比, 见图4, 5。

　　 可以看出, 对几何外形比较复杂的大跨体育场悬挑屋盖结构来说, 数值模拟结果与风洞试验结果比较接近, 平均误差在33%左右, 整体上能够满足工程精度要求。0°风向角下的平均误差33.28%, 90°风向角下的平均误差33.65%, 由于一场一馆结构比较复杂, 风荷载数值建模难度较大, 计算机的计算能力有限, 计算时网格不能划分得足够精细, 因屋面分块误差、边界条件不能完全吻合、入口的风剖面、粗糙度等因素影响, 不能完全模拟风洞试验的环境, 导致流体在建筑物周围产生漩涡、分离等, 与试验有一定的差别, 致使数值模拟难度加大;从总体上来说, 除迎风面前缘、尾流后缘及拐角处数值模拟结果比风洞试验结果大, 其余部位数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合, 模拟结果可行。

　　 从体育场馆方位图 (图2) 可以看出, 体育馆对体育场东西挑蓬的气动干扰较大, 本文重点对东挑蓬风荷载的干扰效应进行分析。

　　 对体育场单体和一场一馆的数值模拟结果进行分析, 计算各个风向角下东挑蓬的升力系数, 图6 (a) 为上下表面风压的升力系数, 图6 (b) 为风压合力的升力系数。图中a表示无干扰体, b表示有干扰体。定义风向在45°～135°时, 体育馆位于东挑蓬的上方, 称为上游位置;风向在210°～330°时, 体育馆位于东挑蓬的下方, 称为下游位置;风向在0°～30°, 345°～360°及150°～195°时, 体育馆位于东挑蓬的右侧, 称为平行位置。从图6可知:

　　 (l) 对于上表面风压的升力系数, 当体育馆处于下游位置时, 升力系数较无干扰体时减小5%, 说明下游体育馆一定程度上减缓了风的流动, 导致风压变小, 但是变化幅度不大, 因为东挑蓬较体育馆高, 体育馆阻挡风流动的作用较小;当体育馆在平行位置时, 升力系数较无干扰体时提高近30%, 主要是由于风从两者中间穿过, 形成一种狭管效应, 风速加剧, 导致上表面的风压变大;当体育馆在上游位置时, 由于其阻挡了气流的通过, 会在一定程度上减弱来流的速度, 同时气流在建筑物表面上的分离再附, 使得下游屋盖来流的紊流度更高, 削弱了其在屋盖前缘的分离, 导致风压变小, 其升力系数比无干扰体时减小15%。

　　 (2) 对于下表面风压的升力系数, 当体育馆处于下游位置时, 升力系数较无干扰体时提高10%, 主要是由于下游的体育馆使风速变缓, 导致下表面的兜风效应更明显, 但是变化幅度不大, 因为东挑蓬位于西挑蓬的尾流区, 上下表面风压均较小;当体育馆在平行位置时, 由于狭管效应, 风速加剧, 风的快速流走减少了下表面负压, 导致升力系数变小;当体育馆在上游位置时, 由于东挑蓬位于体育馆的尾流区, 气流先在体育馆前缘分离, 再后附于东挑篷上, 致使下表面的负风压减小, 使得负的升力系数减小5%。

　　 (3) 对于风压合力, 当体育馆位于下游位置时, 由于体育馆的干扰, 对气流有一定的阻挡, 合力的升力系数略小于无干扰体情况。但由于挑蓬较体育馆高, 对气流的阻挡作用较小, 所以上表面和下表面的升力系数减小了3%;当体育馆在平行位置时, 合力的升力系数较无干扰体时提高35%, 说明狭管效应一定程度上增加了东挑篷风压合力的升力;当体育馆处于上游位置时, 风压合力的升力系数小于无干扰体情况。由于上游体育场的存在, 下游气流减缓, 致使东挑蓬风压合力的升力系数变小, 在90°风向角时, 东挑蓬风压合力的升力系数最大。

　　 为了定量反映体育场对体育馆的干扰效应, 采用干扰因子IF来进行分析:

　　 ${\rm I}F=C{}_{\text{Ρ}i}/C{}_{\text{Ρ}\text{A}}(4)$

　　 式中C_Pi, C_PA分别为建筑物有干扰和无干扰时的平均风压。

　　 体育馆结构由比赛馆和训练馆两部分组成, 中间设置了90mm宽的伸缩缝, 其中训练馆屋面分块为1～15, 比赛馆屋面分块为16～62 (图2) , 对体育馆单体和一场一馆的数值模拟结果进行分析, 由于一场一馆是关于中心轴对称的结构, 这里只对0°, 45°, 90°, 270°风向角进行分析, 计算各个风向角下体育馆屋面分块的干扰因子, 各风向角下屋面分块干扰因子分布图如图7所示。

　　 图7 各风向角下体育馆屋面分块干扰因子分布

　　 (1) 在0°风向角时, 训练馆屋面分块1～15干扰因子值较大, 正值最大为2, 负值最小为-4, 越往后缘干扰因子正值绝对值越小, 比赛馆屋面分块干扰因子大部分在1.2左右。因为气流在一场一馆之间通过时, 气流加速, 产生狭管效应, 所以距体育场较近的训练馆屋面分块1～15干扰因子较大, 干扰效应相当明显, 分块1和2由原来的正压变成了负压, 干扰因子也为负值;而比赛馆屋面距体育馆较远, 所以屋面分块16～62干扰因子较小。

　　 (2) 在45°风向角时, 训练馆屋面分块1～15干扰因子值较小, 最小为0.48, 越往后缘干扰因子越大;比赛馆屋面分块16～62干扰因子大部分在1.0附近。因为体育场的存在, 且体育场较体育馆高, 气流经过训练馆时受阻, 风速减小, 训练馆屋面风压减小, 干扰因子较小。

　　 (3) 在90°风向角时, 体育馆风压变化趋势与45°风向角时相似, 训练馆屋面分块1～15干扰因子值较小, 最小为0.20, 干扰效应更明显, 比赛馆屋面分块干扰因子大部分在1.0附近。

　　 (4) 在270°风向角时, 训练馆屋面分块1～15干扰因子值较小, 最小值为0.18, 干扰效应相当明显, 越往后缘干扰因子越小;比赛馆屋面分块1～62干扰因子大部分在0.8～1.0之间, 其中屋面分块22～32干扰因子较小, 大部分在0.6左右。因为体育场处在体育馆屋盖的上游, 由于其阻挡了气流流动, 产生了明显的遮挡效应, 会在一定程度上减弱来流的速度, 屋盖风压减小, 干扰因子较小;由于比赛馆处于尾流区, 遮挡效应不明显, 对比赛馆风压影响不大, 故比赛馆干扰因子稍大。

　　 (5) 体育场的形状与位置很大程度影响了体育馆屋盖的平均风压, 由于一场一馆为关于中心轴对称的流线型结构, 且体育场挑蓬较体育馆高, 当体育场处于体育馆下游时, 对来流产生阻挡作用, 风速变缓, 体育馆屋面风压减小;当体育场处于体育馆上游时, 对体育馆产生遮挡, 体育馆屋面风压减小, 对体育馆抗风较为有利, 总体来说, 一场一馆的建筑规划是合理的。

　　 (1) 通过对闽南某大跨体育场馆建筑群屋盖风荷载的风洞试验和CFD数值模拟对比, 发现两者在风压分布的规律上基本保持一致, 证明了CFD数值模拟技术在研究大跨度建筑群屋盖结构风荷载的可行性。

　　 (2) 体育馆对于体育场临近的挑篷风压的干扰:体育馆在上游时减少风对挑篷的升力作用, 减少幅度约15%;在平行位置增加对挑篷的升力作用, 增加幅度约20%;在下游时减少对挑篷的升力作用, 减少幅度约10%。

　　 (3) 体育场对于体育馆屋面的风压的干扰:体育场在上游时对来流风产生阻挡, 体育馆屋面风压减小, 遮挡效应明显;在下游时对体育馆来流减缓明显, 体育馆中的训练馆屋面风压明显减小;在平行位置时, 一场一馆之间风速增大, 狭管效应明显, 体育馆屋面风压增大, 干扰因子在-4～2之间。

　　 (4) 干扰体的形状与位置在很大程度上影响了待测建筑物上的平均风压, 一场一馆为关于中心轴对称的流线型结构, 并且体育场挑蓬较体育馆高, 对体育场馆风荷载有利。