单墙开洞对工业厂房平均内外压的影响研究

蒋 瓅，吴 宏，瞿 革，李庆武

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引言

大型工业钢结构厂房对风荷载较敏感，特别是一些大型船厂等均建在沿海地区，风荷载往往会成为其控制荷载[1]。根据各类使用、工艺设计及建筑设计要求，工业厂房往往需要考虑山墙、纵墙的不完全封闭，甚至是完全开敞的情况，开洞率的变化区间也较大。具有大开洞墙面的厂房(如开洞率≥50%)与传统封闭厂房相比，其风荷载分布和取值都会有很大的不同，对主体结构、围护结构的抗风设计也会造成影响。

目前，现行规范对建筑在不同风向角、不同开洞情况下的风荷载取值少有较细致的规定，风洞试验是此类结构抗风设计最重要的依据。然而，由于风洞试验常需要在建筑方案已确定的情况下开展，建筑工程方案阶段、初步设计阶段往往缺乏较详细的风洞试验数据，因此，理论分析及数值模拟成为这两个阶段获取结构风荷载数据的主要途径。

近年来，较多学者对单开洞建筑的风致内压进行了研究[2]。余世策等[3]研究了多个单一开孔刚性建筑模型(开洞率为0～5%)内压的空间分布特性，指出内压在结构内部均匀分布，可用统一值来表示，得到的平均内压系数在0.6～0.85范围内(以屋顶高度为参考高度)。Ginger等[4]在Texas Tech University的现场实测风洞试验室[5-6]进行了试验研究，实测得到仅迎风面有单一主洞口(开洞率5.5%)情况下的迎风墙面洞口处平均外风压系数CpW=0.65(以屋面高度为参考高度)，根据平均内压系数计算公式[7]，算得平均内压系数Cpi=CpW=0.65；宋芳芳等[8]在此基础上还进行了数值分析，得到的迎风纵墙在单一开洞情况下的结构表面平均内风压系数为0.982 1。樊友川等[9]进行了不同条件下的单个常开洞单跨厂房刚性模型风洞测压试验，对风向角、开洞位置、开洞形状及开洞大小对内压平均值与脉动值的影响进行了研究，以屋盖平均高度为参考高度时开洞率为5%，10%的模型的内压系数均值分别为0.54，0.67。徐海巍等[10]结合超高单层厂房的测压风洞试验，研究了不同开洞工况对厂房纵墙内外表面风压分布的影响。上述研究中，针对开洞率在0～10%范围内的单开洞建筑的风致内压研究较多，而大面积开洞情况的研究则相对较少。

基于此，本文结合某超高单层工业厂房，进行了单墙开洞对工业厂房平均外压的影响研究，并对不同洞口高度、洞口宽度及开洞位置对建筑平均内压的影响进行了分析。

1 案例概况

某超高单层工业厂房的尺寸为220m×117m×88m(长×宽×高)，一侧山墙(西山墙)大门单独开敞的情况较常出现，门洞水平居中布置，尺寸为100m×52m(宽×高)，开洞率达51%，具体尺寸如图1所示。由于案例工程厂房体积较大，开洞率较高，墙面及排架所受风荷载的分布尚不明确，因此需要研究大面积开洞下结构的受风情况，从而确保厂房的安全性。此外，当门洞开敞时，墙面所受风荷载是由外压和内压叠加而成的，由此研究将分别研究单开洞对墙面外压和内压的影响。

图1 单开洞工业厂房示意图

为了研究单墙开洞对建筑内外压的影响，在案例工程西山墙单独开洞工况的基础上，形成了多个不同洞口高度、洞口宽度及开洞位置的模型进行数值模拟。设定对比模型的长、宽、高为L，B，H，洞口宽、高为b，h；洞口中心距开洞墙体中心线的水平距离为a，在中心线北侧为负值、南侧为正值；开洞率δ=bh/(BH)，对比模型如图2所示，模型参数如表1所示。其中，开洞模型M4与案例厂房的西山墙单独开洞情况一致；所有开洞模型与案例厂房的建筑尺寸一致，开洞率变化范围为5%～75%；开洞模型M6a，M6b，M6a′，M6b′与开洞模型M6的洞口高度、宽度相同，仅洞口中心偏移距离不同。

图2 对比模型示意图

对比模型参数 表1

2 计算流体力学数值模拟计算

2.1 计算模型及网格划分

为保证流动能够充分发展，设定整个计算域的尺寸为3 750m×2 500m×400m，阻塞率为0.7%～4.4%，计算域网格的划分情况如图3所示。为节省计算资源并保证计算精度，设定数值模型的几何缩尺比为1∶10。为了兼顾计算精度及不同风向角的模拟需求，将计算域划分为内部核心区和外部区域，均采用结构化网格进行划分。不同开洞模型的总网格数量约630万～800万。

图3 计算域网格划分示意图

2.2 边界条件以及计算设置

计算域入口采用速度入口，设置A类风场对应的风剖面，由不同粗糙度类别风场的梯度风风速一致换算得到A类风场10m高度处100年一遇的风速为31.3m/s；出口采用压力出口边界；顶面和侧面采用对称边界；地面以及建筑固壁采用无滑移壁面边界。

空气风场选用不可压缩流场；压力速度耦合采用SIMPLEC算法，并打开倾斜修正；选用较常用的Realizablek-ε湍流模型，配合非平衡壁面函数(Non-equilibrium Wall Functions)来考虑壁面存在对流场的影响，以模拟壁面附近复杂的流动现象。

2.3 数值模拟有效性验证

为确保案例工程结构的安全性，对案例厂房进行了测压风洞试验[10]。模型几何缩尺比为1∶250，模型尺寸为880mm×468mm×352mm，采用ABS塑料制成。其中，风向角示意如图4所示，四面封闭及西山墙单独开洞对应的试验模型如图5所示。建筑表面测点的内外压均为同步测试，采样频率为312.5Hz。

图4 风向角示意图

图5 风洞试验模型

根据试验结果可得到原型厂房风荷载的分布情况，并与数值模拟结果进行对比。风压系数由式(1)计算得到：

(1)

式中：Cpi为建筑表面某测点i的风压系数；Pi为测点i的风压值；P∞为参考点静压力值；ρ为空气密度；V∞为参考点风速，参考点高度取厂房檐口高度。

为便于分析，分别设开洞厂房外墙风压系数为Cp,out，平均内压系数为Cp,in。

设厂房纵墙上的测点至西山墙的水平距离为x，山墙上的测点至南纵墙的水平距离为y；测点高度取建筑高度2/3处，此高度处风压较大，比较具有代表性；厂房长度为L、宽度为B，则数值模拟与测压风洞试验得到的外墙风压系数Cp,out分布如图6所示。由图6可见，数值模拟得到的开洞建筑外压与测压风洞试验较接近。

图6 外墙风压系数Cp,out分布曲线

开洞模型M4的内压系数分布如图7所示。由图可知，数值模拟得到的厂房平均内压分布较均匀。该模拟结果与测压风洞试验得到的内压均匀分布的试验结果较吻合，数值对比详见表2，即Cp,in可用同一个值来表示[3]。由表2可见，Cp,in的数值模拟结果与试验较一致。所有开洞模型的Cp,in数值模拟结果见表3。由表3可见，采用数值模拟方法得出的模拟结果较准确且具有参考价值，有限元模型可靠且有效，可在此基础上进行其他开洞模型的数值模拟分析。

(ⅱ) f=ξη。即证对任意x∈X,f(x)=ξη(x)=ξ({x}-)。由Y为T0空间,只需证clY{f(x)}=clY{ξ({x}-)}。注意到clY{ξ({x}-)}=clYf({x}-)。又只需证clY{f(x)}=clYf({x}-)即可。

图7 开洞模型M4的风压系数分布

数值模拟与风洞试验平均内压系数Cp,in对比 表2

开洞模型平均内压系数Cp,in数值模拟结果 表3

此外，由试验结果可知，厂房排架结构所受内、外压叠加作用下的风荷载在0°和90°风向角下较不利[10]，因此后文主要针对这两个风向角工况进行研究。

2.4 洞口附近气流特性分析

由于厂房开洞面积较大，来流如何影响厂房内部气流，从而形成较稳定的内压系数，还需要结合洞口附近的气流特性进行分析。

以开洞模型M3，M4，M8为例，0°风向角下开洞厂房周边及内部的气流特性如图8，9所示，由图可见：1)洞口高度范围内的大部分气体会受厂房内部气体的阻挡而在洞口前形成漩涡；仅小部分气流会在开洞墙体的遮挡下向下偏转，并从洞口顶部进入厂房内部。2)洞口处的气流方向大部分为竖直向下，仅两侧边缘位置会有气流向洞口外流动，使洞口侧边处的外墙风压系数Cp,out低于厂房平均内压系数Cp,in；流速会受到洞口尺寸的影响，流速较大时会出现洞口侧边处Cp,out<0的情况。3)整个洞口处风压系数数值在空间上的大小关系大致为底部>顶部>中部，洞口顶部的外墙风压系数与厂房平均内压系数Cp,in较一致。

图8 0°风向角下厂房纵向风压系数分布及流线图

以开洞模型M4，M8为例，90°风向角下开洞厂房周边及内部的气流特性如图10，11所示，由图可见：1)开洞山墙及厂房内部均被分离区吞没而处于负压状态；洞口附近及厂房内压系数分布均匀，数值较一致。2)相同高度处，开洞山墙沿来流方向的外墙风压系数的变化梯度则会受到洞口开敞的影响。3)整个洞口处风压系数为负数，其绝对值在空间上的大小关系大致为上游侧边>中部>下游侧边，洞口左上角处的外墙风压系数与厂房平均内压系数Cp,in较一致。

图10 90°风向角下洞口中心高度处风压系数分布及周边流线图

通过分析发现，对于开洞率较大的单开洞工业厂房，0°风向角下，厂房平均内压系数Cp,in与洞口顶部的外墙风压系数Cp,out相近；90°风向角下，厂房平均内压系数Cp,in与洞口左上角处的外墙风压系数Cp,out相近。分析结果表明，大开洞率单开洞建筑的内压遵循稳态理论[9]，进行试验时可根据数值模拟得到的洞口附近外压系数与内压系数的对应情况，选取一致程度较高的测点，对大开洞率厂房的内压系数平均值进行估算。

3 单墙开洞对工业厂房平均外压的影响研究

为研究单墙开洞对外墙风压系数的影响，对开洞模型M4及洞口封闭模型在0°，90°风向角下的外墙平均风压系数分布进行了研究，对比结果如图12所示。由图12可见，门洞开敞后，除受洞口影响的分离区覆盖范围内的外墙风压系数略有偏差外，两对比模型其余部位的外墙风压系数分布大致相当。

图12 洞口开敞、封闭模型的Cp,out分布云图

结合图13所示的洞口封闭情况下厂房附近的气流特性进行分析可知：1)0°风向角下，如图8所示的开洞模型迎风墙前的大部分气流流线与如图13(a)所示的洞口封闭情况一致，仅少部分气体在洞口处有流入流出，因而单墙开洞对除受洞口影响的分离区外的墙面外压影响较少。2)90°风向角下，单墙开洞使洞口所在一侧的分离区体积发生了变化，因而对该分离区作用范围内的西山墙和部分北纵墙的外压系数分布会有一定影响；对比图10、图13(b)可见，其余墙体受影响较少，因而外墙风压系数的分布也与洞口封闭模型较接近。

图13 洞口封闭模型风压系数分布及流线图

由此可见，单墙开洞对建筑外墙平均风荷载的影响总体较小。进行结构抗风设计时，除开洞墙体以外的墙面外压平均值，可近似按封闭建筑取值。

4 单墙开洞对工业厂房平均内压的影响研究

由于0°，90°风向角下，周边气流对建筑内压的影响机理不同，下面分别对这两个工况下不同参数对厂房平均内压系数Cp,in的影响进行分析。

图11 90°风向角下厂房横向Cp,in分布及洞口处流场速度矢量

4.1 洞口高度h

图14 0°风向角下开洞模型Cp,in、封闭模型Cp,out与z/H关系对比

90°风向角下，开洞模型M1～M16的平均内压系数Cp,in在-0.596～-0.479内，变化区间相对较小。对洞口宽度相同的开洞模型M1～M5(b=0.85B)、M13～M14(b=0.33B)进行对比分析，Cp,in与h/H的关系如图15所示。由图15可见，随着洞口高度h的增加，Cp,in的变化幅度很小，表明洞口高度h不是90°风向角下Cp,in的主要影响因素。

图15 90°风向角下开洞模型Cp,in与h/H关系

4.2 洞口宽度b

0°风向角下，单开洞工业厂房的内压受洞口高度h影响较大，为研究洞口宽度b对厂房内压的影响，分别选取洞口高度h相近的开洞模型进行对比，得到Cp,in与b/B的关系如图16所示。

图16 0°风向角下开洞模型Cp,in与b/B关系图

由16图可见，0°风向角下，随着b的增加，h相近的开洞厂房平均内压系数的变化幅度较小，总体呈减小的趋势。结合图9(a)，9(c)进行分析，开洞建筑的洞口处会有少量气体流出，以平衡建筑内外的压力，随着洞口宽度b的增加，洞口侧边处气流的流出速度、流量均有增加，厂房内部正压得到一定释放，因而Cp,in会随洞口宽度b的增加而减小。

图9 0°风向角下厂房横向Cp,in分布及洞口处流场速度矢量

90°风向角下，各开洞模型的Cp,in与b/B的关系如图17所示。由图17可见，当b<0.5B时，Cp,in的绝对值大致与b呈反比；当b≥0.5B时，Cp,in的变化幅度较小，即b对Cp,in的影响较小。

图17 90°风向角下开洞模型Cp,in与b/B关系图

结合图10进行分析，当b较小时，洞口对开洞墙体外墙风压系数的变化梯度影响较小，气流分离使开洞山墙上游墙体处形成了较大负风压；随着b的增大，开洞山墙上游墙体的长度减小，负风压区的形成受到影响，因而受其影响的厂房内部负风压的绝对值也有所减小；当b较大时，开洞外墙风压系数的分布越均匀，因而数值变化幅度也减小。

4.3 开洞位置

根据开洞模型M6，M6a，M6b，M6a′，M6b′的内压系数Cp,in模拟结果，研究不同开洞位置对厂房内压的影响。设定洞口中心至开洞墙体水平中心线的水平距离为d=a，则0°，90°风向角下开洞厂房内压系数Cp,in和d/B的关系如图18所示。由图18可见：

图18 开洞模型Cp,in、封闭模型Cp,out与d/B关系对比

(1)0°风向角下，当a=0时，Cp,in数值最大；随着a绝对值的增加，Cp,in逐渐减小。这是由于随着洞口的偏移，洞口前部的来流向侧边偏转的程度更大，垂直于洞口的冲撞作用越小，因而厂房内部正压也逐渐减小。开洞模型Cp,in随a的变化规律与洞口封闭模型的迎风面外墙在洞口高度h处的外墙风压系数Cp,out随测点至墙体水平中心线的水平距离d的变化趋势较一致。

(2)90°风向角下，Cp,in的绝对值随着a的增加而逐渐增大。这是由于随着a的增加，洞口不断向迎风面靠近，分离点处较大的负压区对洞口及厂房内部风压的影响也越大，因而厂房内部负压也逐渐增大。开洞模型Cp,in随a的变化规律与洞口封闭模型横风向控制的侧墙在洞口高度h/2处的外墙风压系数Cp,out随测点至墙体水平中心线的水平距离d的变化趋势较一致。此外，考虑到来流方向的任意性和风荷载作用的对称性，90°风向角下，a<0的开洞模型Cp,in绝对值要小于a=0的开洞模型Cp,in绝对值；而270°风向角下，a<0的开洞模型洞口距离迎风面更近，因而其Cp,in绝对值要大于a=0的开洞模型。所以随着|a|的增加，厂房内部的最大负风压数值也将增加。

5 结论

本文结合某超高单层工业厂房，通过数值模拟分析，研究了单墙开洞对工业厂房平均内外压的影响，得到以下结论：

(1)单开洞建筑的内压分布较均匀，开洞墙体正面受风时内压为正，洞口被分离区覆盖时内压为负。

(2)单墙开洞对0°，90°风向角下建筑外墙平均风荷载的影响总体较小，除受洞口影响的分离区覆盖范围内的外墙平均风压系数略有偏差外，其余部位的风压系数分布与洞口封闭建筑大致相当。

(3)当开洞墙体为迎风面且与来流方向垂直时，厂房内正压受洞口高度影响较大，随洞口宽度的增加总体呈减小趋势，随洞口偏置程度的增加而减小。

(4)当开洞墙体平行于来流方向时，厂房内负压受洞口高度影响小，在洞口宽度较小时与洞口宽度呈反比，随洞口偏置程度的增加而增大。