考虑龙卷风作用方位效应的矩形结构屋面风压分布研究

考虑龙卷风作用方位效应的矩形结构屋面风压分布研究考虑龙卷风作用方位效应的矩形结构屋面风压分布研究考虑龙卷风作用方位效应的矩形结构屋面风压分布研究刘道永，吕令毅（东南大学土木工程学院，江苏南京210096）摘要：不同于常规风，龙卷风是极强的小尺度系统，其作用方位的变化对结构表面的不同的方位角（0°,30°,60°,90°)作用于结构，得到结构屋面风压的分布状况。研究发现：各工况下屋面均表现出较强的吸力效应；并对16种工况进行整理得到两种分压分布形式I、分布H），根据分布规律提出了屋面分区的建议方法。从所得分区风载体型系数值可看出是明显区别于现行结构风荷载规范中的取值，说明重要结构的抗龙卷风设计是非常必要的。关键词：龙卷风；矩形结构；屋面；作用方位；风压系数；风载体的研究取得了一些可喜的成果，而国内这方面的研究尚处于起步阶模型进行了简化处理，提出了一组半经验公式再到汤卓［3］于2012年龙卷风作用下的荷载计算方法的这一系列理论研究；从Chang［4］于1971年利用龙卷风发生装置对其风场进行模拟到汤卓［5］于2013年建造了国内首个龙卷风发生装置的这一系列试验移动龙卷风的这一系列数值研究，可以看出，当前对龙卷风的研究龙卷风的移动路径垂直于结构的立面。为考虑现实中龙卷风移动路径的复杂性，本文将研究龙卷风以四种不同的方位角（0°,可压缩的复杂特性，但其遵循流动的基本控制方程，即质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程。在三维直角坐标系中，守恒通采用的是Church:9］于1979年的实验模型，并根据实际需要进行尺寸改进，如图1所示，模型底部为汇集度为L=1000mm。采用分块建模，六面体结构化网格划分域示意图2结构附近网格细化图（1）边界条件：采用速度进口（velocityinlet），入流的切、径向速度为3m/s，压力出口（pressureoutlet），壁面（wall）设置为静止壁面边界条件，湍流强度设置为1%。（2）控制参数：现实世界中的龙卷风是不可控制的，但模拟的缩尺龙卷风是可控的。模拟的龙卷风主要受高宽比a,涡流比S,以及雷诺数Re参数控制，本文涡流比为0.5,雷诺数为8.3X104。其表达式采用雷诺时平均（RANS8］中对钝体结构应用较广泛的k-w采用精度较高的二阶迎风格式,控制方程的求解则采用压力修正的便,采用保持龙卷风静态,旋转建筑模型的方式。建筑结构为平屋面缩尺模型,尺寸取为LXWXH=100mmX50mmX30mm,五个表面分别标记为a,b,c,d,e。假定龙卷风以不同方位角经过建筑物中心，设龙卷风中心与建筑物中心的连线与意为体现龙卷风沿移动路径由远及近的实际情况，本文将模拟各方位角下建筑模型处在r=2.0Rm，r=1.0Rm，r=0.5Rm，r=0.0Rm等四个径向位置上的风压分布。性龙卷风是一个三维涡旋结构，风场内任意一处的风速可分解为切向、径向和竖向风速。从文献［12］可以知道龙卷风的控制速度主要为切向风速，为避免建筑对龙卷风风场的影响，文中主要以无建筑的单纯静态龙卷风风场下的切向速度来讨论龙卷风数值模型的模拟结果。为体现涡旋尺寸的控制效应，分别为水平剖面（z=30mm）和轴向剖面（y=0mm）的切向速度流向，图7给出了核心区域的速度矢量图，可以看出龙卷风风场表现出很好的涡旋特性。从图8知道龙卷风涡旋中心的切向速度较小，核心半径处达到最大，而后随着远离涡旋中心距离的变大而逐渐减小，且沿径向分布时，在核心半径以内，切向速度的变化较快，而远离核心半径时，变化则逐渐缓和，与兰金涡吻合得很好。此外可以看出随着离地高度的增加，核心半径有所增大而最大切向风速呈逐渐减低的趋势。图y=0mm）剖面切向速度云图图7核心区域水平剖面速度矢量图图8不同高度处切向速度沿径向分布2.2结构表面风压分布特性为方便系统地研究屋面的龙卷风风压分布特点，采用无量纲的风压系数表示，其表达式可定义[7]两种位置处（r=2.0Rm，r=0.5Rm）时其表面风压系数等值线展开图（图9）。从图9中可以看出，建筑物表面几乎都承受负压，且屋面四周边缘附近风压变化梯度较大，也可以看出远离龙卷风中心时，结构表面风压系数较小，接近规范[13]给出的常规风荷角两位置处的风压系数立面展开为了更细致地了解屋面风压随方位角以及径向位置的变化的情况，本文选取屋面横向中心线上的6个点作为观察点来监测其风压随方位变化的情况，编号为在30°,60°方位角时靠近背风面一侧荷载出现急剧增大趋势，这与背风面附近出现旋涡分离，产生不稳定的涡有向）时，分别呈现平缓减小和增大的趋势；②屋面位于r=0.0Rm处11不同方位角下核心半径处屋面监测点取值分布3屋面风载体型系数分区探讨图14说明屋面最大负压总体上随着龙卷风中心的逼近而增大，四种方位角下最大负压多出现在龙卷风中心处在结构中心时。这也很好地解释了为何龙卷风中心下屋面常现较大吸力而致的破坏现象。但以最大值作为工程设计值未免过于保守，且不经济。因此可根据屋面分布规律特性进行分区，得到各分区的风荷现，屋面风压分布在迎风区和近龙卷风区较大，在背风区和远龙卷风区较小。本文对模拟的16种工况进行整理得到两种工况下其风压分布能包络最不利荷载，即0°方位下核心半径处，以及各方位中心处，分别称为分布I、分布□。对这两种分布进行细分，取值点位置如图12,并给出屋出的屋面分区方法，对屋面进行分区，如图15，划分成6个区数分布图14不同作用方位下屋面最大风压系数随龙卷风中心位置的变化图15屋面分区各分区的体型系数是将该分区各点处的风压系数按其从属面积进行加权平均，结果如表1。表1分布I、分布H下屋面分区所得风荷载体型系数分区号风载体型系数分布I1-0.91-0.982-1.36-0.953-0.66-0.944-0.82-0.935-1.01-0.926-0.99-0.93图16屋面各分区风荷载体型系数建议取值同时由于看出矩形结构屋面龙卷风风荷载体型系数是明显区别于现行常规风60°,90°)作用于结构进行模拟，并研究结构表面风荷载的分作用于结构，其各表面均以吸力占主导，且屋面四周边缘风压值及屋面风压分布极不均匀，单一的体型系数难以反映真实的情况。应当依据屋面风压分布规律，对屋面进行分区，得到各分区的风荷载以及地面粗糙度的影响，仅以静态龙卷风多种径向位置的工况替代移动效应，与实际情况有一定差距。此外，本文只研究了规则立方体封闭结构的龙卷风荷载，对不同体型，不同尺寸的构筑物有待后loadsontallbuildings[J].JournaloftheStructuralDiv1975，101(1)：169-185.[ChangCC.Tornadowindeffectsonbuildingsandstructureswithlaboratorysimulation[C].ProceedingsoftheThirdInternationalConferenceonWindEffectsonBuildingsandStructures.1971：231-240.[5]汤卓，王兆勇，卓士梅，等.龙卷风作用下双坡屋112-117.[6]Rotunno.Richard.Numericalsimulationofalaboratoryvortex[J].JournaloftheAtmosphericSciences，平移速度龙卷风对高层双坡屋面的作用研究[J].建筑al.Characteristicsoftornado-likevorticesasafunctionofswirlratio：Alaboratoryinvestiga-tion[J].JournaloftheAtmosphericsolutionforthree-dimensionalvortexflowswithstrongcirculation[11]Davies-JonesRP.Thedratioinatornadosimulator[J].JournaloftheAtmospheric核电厂厂址选择的极端天气气象事件[R].HAD101/10.北京：国家buildings[J].Journal度屋面风压分布拟合公式及风荷载取值[J].同济大学张耀春.高层建筑风载体型系数取值的探讨[J].哈尔滨2191-195.StudyonwindpressuredistributionoftherectanglestructureroofinconsiderationwiththeorientationeffectundertornadoactionLiuDaoyong,Lu210096，Jiangsu)Abstract：Unliketheconventionalwind，thetornadoisastrongbutsmall-scalesystem.Changingthetornadoactingorientationwillhavesomeimpactonthewindpressuredistributionofthestructuresurface.Inordertostudythiseffect，byassumingthatthestructureisinthemovementpath，theCFDnumericalsimulationtechnologyisadoptedtosimulateeffectunderallworkingconditions，twokindsofwindpressuredistributiontypes(distributionIanddistributionn)areobtainedbyarrangingthe16workingconditions，andthesuggestionsforroofzoningareputforwardinaccordancewiththedistributionlaw.Thewindloadshapecoefficientforeachsub-regionoftheroofcanbeseentobesignificantlydifferentfromthevalu