建筑物平面形状对其表面风压特性影响研究
VIP免费
摘 要
随着我国城市规模与建设水平的提高，高层建筑数量越来越多；同时伴随着
人们审美的水平提高，各种形式复杂，外形独特的建筑涌现。由于条件的限制，
大部分高层建筑表面风压特性无法通过《建筑结构荷载规范》展现，因此本文对
高层建筑结构表面风压特性的研究对建筑规划布局和建筑抗风设计有着重要的理
论意义和现实意义。
（1）归纳总结了风工程的研究内容，阐述了本课题的研究背景与研究意义;
简要介绍了现场实测、风洞试验、理论分析及数值模拟四种研究手段, 归纳总结了
各自的优缺点；回顾建筑结构表面风压的国内外研究现状，指出高层建筑风工程
研究存在的不足之处。
（2）介绍了大气边界层自然风特性，讨论了我国《建筑结构荷载规范》与国
外标准规范关于风荷载参数规定的异同，并对比了我国 2001 年版和 2012 年版《建
筑结构荷载规范》关于风荷载参数规定的异同。
（3）给出了 CFD 数值模拟的一般步骤；介绍了计算流体力学的基本理论，
包括钝体绕流的基本方程、各种湍流模型以及偏微分方程组等等。此外，介绍了
计算流体力学模型建立的注意事项。
（4）选取 CAARC 的标准模型进行数值模拟，对比了本文模拟结果与原有五
大研究机构和 TJ-2 风洞试验结果，验证了数值模拟的正确性和可行性。通过讨论
了风向角、湍流模型、来流风速、网格数量、网格类型等因素对标准模型表面风
压特性的影响发现：风向角对建筑周围流场性质有很大影。Realizable 与SST
湍流模型的数值模拟精度最高，建议在数值模拟中优先采用。来流风速和网格类
型对数值结果影响较小，而网格数量却有一定影响。当网格较为稀疏时，计算结
果与试验值存在较大偏差，模型不能精确地模拟流体绕流过程。
（5）选取了《建筑结构荷载规范》规定的 D类地貌，基于 Realizable 湍
流模型，模拟了 182.88m 高的矩形、椭圆形和十字形平面高层建筑模型三维定常
流场，研究了建筑表面平均风压系数分布特征，讨论高宽比、高厚比对建筑表面
平均风压系数的影响。结果表明：不同平面形状高层建筑周围流场也不尽相同。
对于特定平面形状的高层建筑，建筑周围流场随着高宽比和高厚比的变化而改变。
本文综合分析了规则形平面与异形平面形状高层建筑的数值模拟结果，总结
了建筑表面风压分布规律，进而为建筑结构抗风设计提供依据。
关键词：风压特性 平均风压系数 计算流体力学 高层建筑 平面形状
ABSTRACT
With the increase of urban scale and improvement of construction technology,
high-rise developments in urban areas have rapidly grown. Enhanced aesthetics have
also become significantly more desired, creating the demand for buildings with various
forms and complex shapes to emerge in large numbers. Currently, due to the high
complexity of wind pressure around buildings, the Chinese code titled Load Code for
the Design of Building Structures (LCDBSs), is unable to show complete wind pressure
characteristics on the surface of high-rise buildings. Therefore, research on wind
pressure characteristics against the surface of high-rise buildings, as discussed in this
thesis, has important significance in both aspects of theory and practice.
(1) The main content of the research work on wind engineering is summarized.
Both the foundation of and implications for this subject are introduced. Presented are
the research methods in wind engineering including field measurement, wind tunnel test,
theoretical analysis and numerical simulation. The four methods are introduced and
their respective merits and demerits are given. In addition, by reviewing the current
domestic and overseas research about wind pressure on high-rise buildings, drawbacks
encountered in the research are indicated in Chapter 1.
(2) Chapter 2 discusses the characteristics of natural wind in the atmospheric
boundary layer in the aspects of boundary layer height, mean wind speed profile and
turbulent boundary conditions. The Chinese load standard LCDBSs and some foreign
standards are compared in regards to the similarities and differences of wind load
parameters. Additionally, wind load parameters in both 2001 edition and 2012 edition of
the LCDBSs are compared.
(3) General steps of CFD numerical simulation are given, and then basic theory of
Computational Fluid Dynamics (CFD) including fluid governing equations, turbulence
models and partial differential equations are introduced in Chapter 3. In addition, factors
those need attention when establishing CFD model are determined and discussed.
(4) Chapter 4 numerically simulates a three-dimensional stationary flow field
around the standard model provided by Commonwealth Advisory Aeronautical
Research Council (CAARC). A comparison has been made between simulated results
and wind tunnel test results given by the former five major research institutions and
Tongji University (TJ-2) to verify and prove the correctness and feasibility of the
numerical simulation used in this thesis. Taking the CAARC standard building as an
example, the effects of some factors including wind angel, turbulence model, Wind
velocity, grid number and its type on the wind pressure characteristics are discussed in
detail. We can conclude the following: The wind angle has a great influence on the flow
field around buildings; Realizable and SST have the features of the highest
precision in numerical simulation, and should be given priority in actual project cases;
The wind velocity and grid type have a small influence on numerical results, the grid
quantity has certain influence. When the grid blocks are too coarse, they are unable to
accurately and precisely show the nature of wind environment around building, which is
shown in the fact that a large deviation exists between the numerical results and the
wind tunnel test results. Therefore, the conclusion that the model cannot accurately
simulate real fluid flow can be drawn.
(5) According to the LCDBSs, class D terrain roughness was selected in Chapter 5.
Based on realizable turbulence model, three-dimensional steady flow field
models were created around 182.88m high-rise buildings. Rectangular, oval and
cruciform layouts were used for simulation. Additionally, distribution of mean wind
pressure coefficient against on the building surfaces are studied in detail. Then, the
influences of the depth-width ratio and height-thickness ratio on the mean wind pressure
coefficient are analyzed. Results indicate that flow fields around tall buildings vary with
the architectural layouts. For a special architectural shape, factors such as depth-width
ratio and height-thickness ratio have exerted an obvious effect on wind fields around
buildings.
Overall, using comprehensive analysis of the wind pressure coefficient on high-rise
buildings, with regular-shaped and special-shaped layouts, some conclusions about
wind pressure against on structure are drawn, intending to provide some valid and
effective data for wind-resistant design of high-rise structures.
Key Words: Wind pressure characteristics, Mean wind pressure
coefficient, Computational fluid dynamics (CFD), High-rise building,
Building shapes
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
1.1 引言 ....................................................................................................................1
1.2 结构风工程研究方法 ........................................................................................3
1.2.1 现场实测 .................................................................................................... 3
1.2.2 风洞试验 .................................................................................................... 4
1.2.3 理论分析 .................................................................................................... 5
1.2.4 数值模拟 .................................................................................................... 6
1.3 高层建筑表面风压研究现状 ............................................................................7
1.3.1 国外高层建筑表面风压研究现状 ............................................................ 7
1.3.2 国内建筑表面风压研究现状 .................................................................... 9
1.4 计算平台简介——ANSYS FLUENT 14.0 .....................................................10
1.5 本文主要工作 ..................................................................................................11
第二章 大气边界层自然风特性 ...............................................................................13
2.1 大气边界层概述 ..............................................................................................13
2.2 大气边界层平均风特性 ..................................................................................13
2.2.1 风剖面模型 .............................................................................................. 13
2.2.2 时间特性 .................................................................................................. 17
2.3 大气边界层的脉动风特性 ..............................................................................20
2.3.1 湍流强度（平均强度） .......................................................................... 20
2.3.2 湍流积分尺度 .......................................................................................... 21
2.3.3 相干函数 .................................................................................................. 22
2.3.4 脉动风速功率谱 ...................................................................................... 22
2.4 结构风荷载 ......................................................................................................25
2.4.1 基本风压 .................................................................................................. 25
2.4.2 平均风荷载 .............................................................................................. 25
2.5 建筑结构荷载规范 ..........................................................................................28
2.5.1 风压高度变化系数 .................................................................................. 28
2.5.2 湍流强度 .................................................................................................. 30
第三章 CFD 数值模拟技术及其原理 ......................................................................32
3.1 引言 ..................................................................................................................32
3.2 控制方程 ..........................................................................................................33
3.2.1 连续性方程 .............................................................................................. 33
3.2.2 动量守恒方程 .......................................................................................... 34
3.2.3 能量守恒方程 .......................................................................................... 35
3.2.4 组分质量守恒方程 .................................................................................. 35
3.2.5 控制方程的一般形式 .............................................................................. 35
3.3 离散化方法 ......................................................................................................36
3.3.1 离散化方法 .............................................................................................. 36
3.3.2 计算算法 .................................................................................................. 37
3.3.3 离散格式 .................................................................................................. 38
3.4 网格划分 ..........................................................................................................38
3.4.1 结构化网格 .............................................................................................. 39
3.4.2 非结构化网格 .......................................................................................... 39
3.4.3 混合网格 .................................................................................................. 40
3.5 湍流模拟方法 ..................................................................................................40
3.5.1 湍流数值模拟方法 .................................................................................. 40
3.5.2 湍流模型 .................................................................................................. 41
3.6 其他参数设置 ..................................................................................................44
第四章 CAARC 标准高层建筑模型与数值模拟研究 ............................................46
4.1 引言 ..................................................................................................................46
4.2 CAARC 标准高层建筑模型 ............................................................................46
4.3 计算模型 ..........................................................................................................47
4.3.1 几何模型与网格划分 .............................................................................. 47
4.3.2 湍流模型与边界条件 .............................................................................. 48
4.4 CAARC 数值模拟结果 ....................................................................................49
4.4.1 试验结果分析 .......................................................................................... 49
4.4.2 建筑表面风压分布 .................................................................................. 51
4.5 数值模拟影响因素分析 ..................................................................................53
4.5.1 湍流模型 .................................................................................................. 53
4.5.2 入流风速 .................................................................................................. 54
4.5.3 网格精度 .................................................................................................. 55
4.5.4 网格类型 .................................................................................................. 56
4.6 本章小结 ..........................................................................................................58
第五章 建筑平面布置对其表面风压特性的影响研究 ...........................................59
5.1 引言 ..................................................................................................................59
5.2 试验参数设置 ..................................................................................................59
5.2.1 几何模型与网格划分 .............................................................................. 59
5.2.2 湍流模型与边界条件 .............................................................................. 60
5.3 矩形平面高层建筑风压特性 ..........................................................................61
5.3.1 矩形平面高层建筑模型 .......................................................................... 61
5.3.2 矩形高层建筑表面风压分布 .................................................................. 61
5.3.3 高宽比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 62
5.3.4 高厚比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 65
5.3.5 小结 .......................................................................................................... 67
5.4 椭圆形平面高层建筑风压特性 ......................................................................67
5.4.1 椭圆形平面高层建筑模型 ...................................................................... 67
5.4.2 椭圆形高层建筑表面风压分布 .............................................................. 68
5.4.3 高宽比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 69
5.4.4 高厚比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 71
5.4.5 小结 .......................................................................................................... 73
5.5 十字形平面高层建筑风压特性 ......................................................................73
5.5.1 十字形平面高层建筑模型 ...................................................................... 73
5.5.2 十字形高层建筑表面风压分布 .............................................................. 74
5.5.3 高宽比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 76
5.5.4 高厚比对建筑表面风压特性的影响 ...................................................... 79
5.5.5 小结 .......................................................................................................... 83
5.6 本章小结 ..........................................................................................................84
第六章 结论与展望 ...................................................................................................85
6.1 本文结论 ..........................................................................................................85
6.2 展望 ..................................................................................................................86
参考文献 .....................................................................................................................87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .........................................95
致 谢 ...........................................................................................................................97
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 引言
随着人口的聚集以及城市的不断扩张，城市高层建筑数量迅速增加。同时人
们审美的水平不断提高，各种形式复杂，外形独特的建筑不断出现，尤其是大型
的公共建筑项目，受到建筑师和业主的青睐。这些不断增加的高层建筑不但改变
了原有的自然风场，而且对城市规划、城市气候、建筑环境以及建筑结构与城市
安全有很大的影响，因此风工程研究正在成为一个新兴的课题。
风工程的主要目的是研究大气边界层内的风、人以及地表物体之间的相互作
用。目前来讲，建筑风工程并没有形成一个独立的学科，而是风工程的一个重要
分支，是跨越空气动力学、气象学、结构动力学、建筑学等多学科的一门边缘学
科。上世纪 60 年代，世界风工程协会进行的关于建筑风工程的学术讨论，将其分
为三个主体，即风——建筑——人[1]。这三者中的要素两两结合，构成了建筑风工
程研究的三大主要内容[2-7]，如图 1-1 所示。
图1-1 建筑风工程的范畴及主要研究内容
在结构风工程中，对于高层建筑自身而言，一方面由于迎风面的增大以及风
速沿着高度呈指数分布的特性，造成风对高层建筑的影响远远高于低层建筑；另
建
筑
风
工
程
结构风工程
（风与建筑）
行人风舒适度
（人与自然风）
建筑学
（人与建筑）
研究风与建筑结构之间的相互作用，也称作
结构风效应问题。主要包括：
（1）平均风引起的结构静力效应；
（2）紊流、尾流以及平均风引起的结构动
力效应。
研究人与行人高度风环境的相互关系，即风
对人体活动以及心理的影响。主要包括两方
面内容：
（1）风速比对人类活动的影响；
（2）单位时间内，阵风时长对人体的影响。
研究建筑与人居环境的相互关系，主要是建
筑满足人类的生理需求以及心理需求，主要
包括：
（1）解决有关人体生理的需求；
（2）满足人类的心理需求；
（3）满足社会性需求和精神文化需求。
上海理工大学硕士学位论文
2
一方面由于建筑结构复杂多样，其自身的构件或者各部位也会干扰自身风场，增
大建筑结构的荷载效应，具体地表现为以下几点：
（1）建筑外形通常情况下是非流线形的，因此风流场就会出现分离、流动、
脱涡、振荡以及回流等现象[8]，如图 1-2 所示。
（2）建筑物对区域风环境有干扰作用。在高层建筑比较密集的地域，建筑群
体除了具有单体建筑绕流产生的流体分离和回旋特性之外，还存在着各单体建筑
风场的耦合作用，造成局地风速极值增大，也改变了建筑物表面的风压系数分布[9]。
特别地，此类情况对建筑结构的围护结构、幕墙系统有重大的影响。
（3）风荷载是一种随机荷载，与建筑体型、尺寸、风向、风的强度以及周期
有关。在迎风面，风受到建筑物阻挡，对结构产生压力，引起结构的变形与振动，
甚至造成结构不能正常工作，或者结构的局部破坏或整体破坏。在高层建筑结构
背风面，容易形成局部负压；如果局部负压过大，就会引起玻璃、装饰物、维护
结构破坏[10]。因风灾引起的建筑结构损毁的案例并不少见：1940 年，美国 Tacoma
大桥因风振作用导致整座桥梁坍塌；1985 年，德国 Bielstein 的电视塔因风荷载过
大而倒塌；2004 年，河南省体育中心屋盖被掀起，导致采光天窗以及雨篷破坏[11]；
2003 年在韩国釜山地区居民区，40%玻璃因台风海鸥作用破碎[12]。
图 1-2 风流体绕流示意图
事实证明，风荷载计算是建筑结构设计中不可缺少的一部分[13,14]。然而在我
国的《建筑结构荷载规范》[15]并没有给出高层建筑结构的直接计算方法，而是建
议采用风洞试验的方法确定其风压特性。从目前来看，建筑荷载规范无法完全展
现结构表面的风压特性，因此本文对高层建筑结构表面风压特性的研究对建筑抗
风设计有重要的理论意义和现实意义。
停滞
回流
分离
自由剪切层
再附着
驻涡
建筑物
循环区
第一章 绪 论
3
1.2 结构风工程研究方法
自上世纪 60、70 年代开始，人们开始认识到建筑风荷载的重要性，并进行了
一些基础性的研究，现在风工程已成为一个独立的学科。结构风荷载的研究方法
包括：现场实测、风洞试验、理论分析和数值模拟。早期人们对建筑风场与结构
响应的观测，为以后各种研究方法的发展奠定了基础；风洞试验和数值模拟技术
是目前普遍采用的方法，但是它们的试验和模拟结果与规律往往需要进行现场实
测验证；而理论分析是在上述三者观测结果的基础上，结合随机振动理论，归纳
分析结构振动与响应。下面将介绍以上四种方法在结构风工程研究中的应用特点
与不足。
1.2.1 现场实测
现场实测是利用风速仪、加速度仪以及变形计等多种测量仪器，在实际自然
风环境中，测量结构的风响应（变形、应变以及振动频率），从而可以获得风特性
和结构相应的第一手资料。通过现场实测采集的数据，经过统计分析，人们可以
归纳总结结构风荷载作用、特点及其破坏机理，进而为荷载规范的修订提供依据。
然而，现场观测存在很多的劣势，制约着其在实际工程中的应用：一是自然风是
随机变化的，难以捕捉平均风作用下的风响应；二是测量环境存在着安全隐患，
特别是风速较大的情形；三是测试过程较为复杂，对人力和物力的要求较高，增
加了现场实测的成本与时间；四是测量的精度问题，对测量和传输设备的要求很
高[16]。尽管如此，在结构风荷载研究过程中，国内外的学者对低矮房屋进行了大
量的现场实测工作，研究了建筑结构表面的风压特性，为以后的风洞试验提供了
依据。
世界上最早的现场实测试验为上世纪 70 年代的英格兰艾尔斯伯里（Aylesbury）
人字形屋顶建筑试验。该建筑的平面尺寸为 7m 13m，檐口高度为 5m，最突出
的特点是屋面坡度能够从 5°~45°之间自由变换，如图 1-3(a)所示[17]。世界风工程
协会在全世界范围内建立了 17 个1:100 艾尔斯伯里建筑模型的风洞实验室，经过
风洞试验发现建筑高度与粗糙长度的比值（），即 Jensen 数，并不能完全反映
局地粗糙度因素（树木与篱笆），同时也发现数据采集方法对风洞试验结果有很大
的影响[18]。最为著名的现场实测模型是 1980 年美国德克萨斯理工大学建造的 9.1m
13.7m 4.0m 的近似平屋顶模型（Texas Tech University，TTU 模型），该模型建
立在拉伯克（Lubbock）校区，四周平坦且空旷，模型能够在平面上 360°转动，从
而能够实现全风向角风压观测[19]，如图 1-3(b)所示。为了获得周围自然风场的数据
资料，在距离模型不远处设立了 49m 高的气象塔。同时，在 TTU 模型中观测得到
的数据是对外公开的，这有助于国内外学者进行风洞试验验证，从而推进了风洞
上海理工大学硕士学位论文
4
试验技术的发展。
上世纪 70 年代，我国的一些学者开始意识到结构风效应的重要性，并对沿海
地区和山地地区的风特性和结构风压进行了现场实测。除此之外，他们先后观测
了广州宾馆、白云宾馆和以及深圳国贸大厦等建筑结构表面风压[20]。随着我国城
市经济的发展，逐渐增多地高层建筑改变了原来的风粗糙度系数。2003 年，李秋
胜、郅伦海等人对香港中环广场大厦（374m）[21]、深圳地王大厦（325m）[22]、金
茂大厦（420.5m）[23]进行了现场实测，采用频谱和概率方法分析了风速和风加速
度，同时探讨了高层建筑的风致振动问题，为风致响应观测和测点优化布置提供
了宝贵经验。
图1-3 现场观测试验建筑模型
1.2.2 风洞试验
风洞是在空气动力学领域中研究空气对钝体作用的一种试验装置，主要包括
洞体、动力装置以及测量控制系统三部分。1871 年，Wenham 通过封闭风洞首次
测量了钝体对流动空气的阻力。自第二次世界大战结束后，世界上的风洞开始大
量出现，风洞类型也开始不断增多[24]。20 世纪 50 年代，美国和加拿大相继建成了
大气边界层风洞，标志着风工程的模拟研究的成熟。目前我国已建造了低速、高
速、超高速以及激波、电弧等风洞，国内主要风洞实验室包括同济大学土木工程
防灾国家重点风洞实验室、湖南大学建筑与环境风洞实验室、建筑安全与环境国
家重点风洞实验室等。
风洞试验采用了相似性原理和相对性原理[25]。在风洞试验中，基于相似性原
理，可以建成与原型具有相同运动规律、与运动参数具有一定的比例关系（几何
形状、运动状态以及动力特性）的模型。目前，这种缩尺试验通过划定边界条件
(b)
美国
TTU
模型
5.0m
𝛽
5.0m
(a) 英格兰 Aylesbury 模型
𝛽
𝜃
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：100 页
大小：5.29MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
