孙相雨; 张明亮; 陈伏彬
【期刊名称】《《建筑施工》》
【年(卷),期】2019(041)008
【总页数】4页(P1565-1568)
康q
【关键词】塔吊结构; RNG k-ε湍流模型; SST k-ω湍流模型; 风荷载 【作 者】孙相雨; 张明亮; 陈伏彬
【作者单位】湖南建工集团有限公司 湖南长沙 410004; 长沙理工大学土木工程学院 湖南长沙 410114
【正文语种】中 文
【中图分类】TU312+.1
塔式起重机（塔吊）作为一种高耸机械设备被广泛应用于建筑工地、港口码头以及工矿企业等。随着基础建设的快速发展，塔吊结构高度越来越高，其自振频率越来越低，风荷载对其影响越来越明显。在台风作用下，塔吊的风毁事故时有发生。
然而，现阶段对塔吊的抗风研究相对较少。近些年来业内学者通过计算流体力学（CFD）模拟对高耸建筑物风效应做了相关研究。陈伟等[1]通过定义风载荷系数表达式，完成塔机在均匀风场和B类风场下12个风向角的CFD数值计算，得到塔身和起重臂的体型系数、角度风系数和风压高度变化系数，并与国内外规范进行对比。结果表明：不同风向角下，塔身横向风载荷可以忽略，而起重臂的横向风载荷必须考虑；塔身角度风系数计算方法与欧洲钢结构设计规范一致，但与我国起重机设计规范相差较大，建议以欧洲规范定义塔身角度风系数；塔身和起重臂角度风系数对风场特征不敏感；塔机气动外形的影响使得风压高度变化系数在不同风向角下不一致并表现出放大效应。郑远海[2]通过以酒杯型和猫头塔型的输电塔模型所受到的风荷载进行了CFD数值模拟，并将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比。结果表明，基于标准k-ε湍流模型所得到的计算结果，与风洞实验结果误差在可接受范围内，并进一步验证了湍流度对格构式塔架结构建筑的风效应影响并不大。谢华平等[3]对风荷载作用下角钢格构塔各工况进行CFD模拟，研究其挡风系数、风向角、长宽比等 因素对阻力系数的影响，并与各国规范及实验进行对比。研究结果表明：风荷载0°风向阻力系数为挡风系数的2次多项式，其他风向角的阻力系数与0°风向的阻力系数的比值为风向角的2次多项式，最大值为30°风向；随着锥度的增加，阻力系数也增大，但是，一般塔的锥度都较小，其影响也比较小。朱小海等[4]利用CFD技术对门式起重机进行了数值模拟，得到了该门式起重机风速场、风压分布图，在此基础上首次提出用风压不均匀系数来表征门机的整体风压分布情况，并将所得风力系数、挡风折减系数与GB/T 3811—2008《起重机设计规范》进行对比，发现两者差异不大。
本文自行简化设计了某一塔吊结构，采用FLUENT软件，基于RNG k-ε和SST k-ω湍流模型，研究了塔吊结构在3个典型风向（0°、45°、90°）下的基底剪力、基底弯矩、塔臂风荷载及塔吊体型系数，为塔吊的抗风安全设计提供参考。
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1 基本原理
作为计算风工程的核心内容，简单来讲，CFD数值模拟就是把空间和时间上连续的物理量的场，利用有限个离散的变量点的值的合集来取代，通过计算物理方程获得场变量的近似值[5]。换言之，CFD数值模拟是通过建立数学方程的方法来描述流体运动的物理定律，其
中包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
通常CFD数值模拟方法分为直接数值模拟和间接数值模拟2种模拟方法[6]，其中直接数值模拟就是通过流体计算软件，首先设置计算域与模型，通过设定物理湍流模型，然后对建筑物直接进行模拟计算。与直接模拟不同，间接数值模拟分为统计平均法、雷诺应力平均法和大涡模拟3种方法。本文用到雷诺应力平均法，以RNG k-ε和SST k-ω这2种物理湍流模型来模拟动力风荷载。
1.1 RNG k-ε湍流模型
RNG k-ε模型，即重正化组模型，此模型通过修正湍流模型的时常数以及计算湍流黏度νt来考虑气流湍流流动对风场的影响。湍流黏度νt在纵向和横向分量中都是各向同性的，这种情况与实际不符，因为在现实流场中，耗散率 ε方程、湍动能k方程也很难模拟实际流体在实际流场中的弯曲流动和旋转对风场的真实影响，湍流粘度是各向异性的。在CFD数值模拟中，RNG k-ε模型与实际更加相似，不仅极大还原了实际风场的原状态，还能提高数值模拟的准确性。
1.2 SST k-ω湍流模型
地籍测量
SST k-ω湍流模型通常在数值模拟中又被称作剪切应力运输模型。k-ω物理湍流模型在边界层边缘和自由剪切层区域采用k-ω模式，在近壁面区域采用Wilcox k-ω模式，2个模式之间通过1个混合函数来过渡。k-ω模型是湍动能与耗散率的2个方程模式，是根据标准k-ε湍流模型经过改进得到的方程式，其中耗散量ε与湍动能k的比值称之为ω耗散率。通常在模拟高速流动的风荷载流场时，采用SST k-ω物理湍流模型进行模拟计算，结果较为准确。SST k-ω模型在建筑物表面附近的相应区域不需要阻尼函数的限制，壁面上耗散率方程同样能够精确地模拟边界条件，在数值模拟计算时便于处理。
2 塔吊结构数值模拟模型
2.1 模型建立
本文通过CAD 3D建模建立塔吊结构模型，其中塔身尺寸及杆件材料为：塔身、塔帽主弦杆采用150 mm×150 mm矩形钢，平衡臂主弦杆采用100 mm×100 mm矩形钢，吊臂上弦杆采用φ100 mm×6 mm钢管，吊臂下弦杆采用100 mm×100 mm矩形钢，吊臂、平衡臂拉杆采用φ100 mm钢管。根据上述参数建立塔吊数值模拟有限元模型（图1）。
图1 塔吊模型
2.2 工况介绍
高瓦纸在进行塔吊数值模拟计算的基本风速取值时，取B类地貌下基本风压为0.5 kPa，基本风速为28.0 m/s。
数值计算取塔吊3个不同的受力角度作为3个工况：工况1为来流顺着塔臂方向，工况2为来流与塔臂呈45°夹角，工况3为来流垂直于塔臂（图2）。
图2 风向角示意
2.3 网格划分
为了保证模拟结果的准确性，建议将被研究的建筑物置于计算域纵向的1/3处（图3）。
考虑到计算机的容量限制和计算时间，计算域的集合尺寸B×D×H=400 m×150 m×600 m。计算域入流面距离结构模型4 h（200 m），出流面距离结构模型6 h（300 m），计算域侧面距离结构模型4 h（200 m），计算域的高度约为3 h（150 m）。因为塔吊结构为类似于桁架的杆件结构，划分结构网格极其困难，故将流体域通过四面体（非结构网格）采用CF
音圈电机模组X-mesh模块进行划分，并在塔吊结构模型表面及地面处布置5层厚度为10 mm的三棱柱附面层网格（图4），便于提高网格质量与计算的精准度。
图3 计算域
图4 网格划分
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本文通过导入定义好入口处风剖面的UDF[7-8]来对入口处面的风速剖面、湍动能、湍流耗散率等进行定义。计算域出口边界条件采用outlet作为出口边界，建筑物表面和地面均采用相同的光滑固体壁面No slip wall边界条件。
3 数值模拟结果及分析
3.1 均匀流场下体型系数的对比分析
通过设置均匀风速流场，将湍流强度、湍动能、湍动能耗散率均设置为0，根据式（1）求出塔吊模型整体的体型系数：
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