龍卷風對低矮建筑破壞機理研究
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摘要:針對鹽城市阜寧縣發(fā)生的龍卷風進行數(shù)值仿真，初步探討低矮建筑發(fā)生倒塌破壞的力學機理。采用數(shù)值仿真的方法研究低矮建筑周圍的龍卷風場，通過風場的情況推斷建筑破壞情況。主要對龍卷風進行數(shù)值仿真，分析流場的壓力、流速和湍流特征沿徑向和高度方向的分布特征，對單一低矮建筑和低矮建筑群周圍的龍卷風場進行計算，分析造成低矮建筑破壞的因素和機理。結(jié)果表明，龍卷風內(nèi)部壓強下降至0．8個大氣壓，在龍卷風核心區(qū)形成了很大負壓荷載;低矮房屋受風速沖擊的前后兩側(cè)存在方向相反的較大垂向風速，是造成房屋碎片向上飛揚的主要因素。
關(guān)鍵詞:龍卷風模擬；極端風載荷；低矮建筑
1概述
2016年6月23日，鹽城阜寧發(fā)生了級別為EF4的龍卷風，其速度最高達到了73m/s以上，該龍卷風對包括阜寧板湖鎮(zhèn)在內(nèi)的7個鎮(zhèn)區(qū)22個村(居)的建筑造成了巨大的破壞、人員傷亡和財產(chǎn)損失。氣象觀測表明，6月23號下午，副熱帶高壓北抬到江蘇沿江附近，蘇北大部在副高北側(cè)西南急流中，地面在暖低壓倒槽中，濕熱異常，露點溫度超過28℃，達到廣東沿海的水準，大氣能量極為充沛;同時東北冷渦也在行動，它從高空甩下來的一小股干冷空氣侵入西南濕熱氣流中，誘發(fā)出強度驚人的超級單體，并最終導(dǎo)致極端龍卷風的誕生。此次鹽城阜寧的龍卷風發(fā)生的過程與中氣旋的理論較為符合，角動量守恒原理和氣體自由渦理論并不能解釋氣流從上向下發(fā)展的過程，也難以解釋龍卷風蘊含巨大能量的事實。然而，現(xiàn)有資料很難重現(xiàn)龍卷風發(fā)生時對建筑及周圍環(huán)境的損壞過程，本文采用龍卷風流體動力學仿真，再次重現(xiàn)出龍卷風發(fā)生時的流場狀況，并通過流場分析初步揭示了低矮建筑在龍卷風中的破壞機理。
2龍卷風風場的數(shù)學建模
本文龍卷風發(fā)生的物理模型采用自然狀態(tài)的龍卷風模型［1］，包括入口風嘴、入流區(qū)域和出流區(qū)域三個部分。具體為:入口數(shù)量16個，入口寬度5m，入口高度200m，出流區(qū)域為100m，出流半徑為50m;風速入射角為60°，入口風速為20m/s，湍流度和耗散率用大氣湍流公式進行計算;采用四面體網(wǎng)格對計算域進行劃分，計算網(wǎng)格430萬個(如圖1所示)。邊界條件設(shè)置:1)入口定義為速度入口，風速吹入方向與入口邊界垂直，且不隨高度發(fā)生變化;2)出口為出流邊界條件，保證入口和出口質(zhì)量差小于0．5%;3)地面認為是無滑移邊界條件，定義為壁面;4)模型內(nèi)部的連續(xù)性類型定義為流體。在已有的模擬中，湍流模型曾選用SST模型［2］、RNGk-ε模型［3］、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬［4］，本文選用雷諾應(yīng)力模型，此模型已被證明與大渦模擬精度相當［4］，計算采用SIMPLEC算法，壓強松弛因子采用0．8，動量采用二階迎風格式。計算在3000左右穩(wěn)定，故取3000步的計算結(jié)果進行分析。
3龍卷風風場分析結(jié)果及討論
3．1阜寧龍卷風規(guī)模
龍卷風模擬結(jié)果顯示(見圖2)，龍卷風最大風速為75m/s，與觀測結(jié)果相符;最大風速對應(yīng)的直徑約為50m，且在80m以下沒有明顯變化，在100m直徑的龍卷風范圍內(nèi)風速超過35m/s。在核心區(qū)，龍卷風風速只有每秒幾米的量級，接近為0。在50m以內(nèi)，龍卷風近似隨半徑線性增大，而在50m以外則基本與半徑成反比關(guān)系。
3．2龍卷風壓強分布和垂向風速
由圖3可知，從龍卷風外圍至核心，壓強逐漸下降，壓強梯度近似與半徑成反比，在核心區(qū)壓強下降至0．8個大氣壓，在龍卷風核心區(qū)形成了很大負壓荷載。此外，計算結(jié)果表明，龍卷風經(jīng)過區(qū)域具有強烈的上升氣流，最大風速所在的環(huán)形區(qū)域垂向風速達到最大，且此處的垂向風速隨高度增大而增大，在80m處可達10m/s。這一垂向風速是建筑碎屑、塵土和重物被龍卷風卷上高空的主要原因。
3．3近地面龍卷風湍流特征
由圖4可知，龍卷風發(fā)生時地表面附近(3m以下)的湍動能、湍流強度及耗散率均達到最大，這些量隨高度的增加而迅速減小，如5m處的湍動能為3m處的1/3，為1m處的1/7;而5m處的湍流耗散率僅為3m高度的1/5，為1m處的1/30。由于地表的摩擦作用，近地面的湍流生成率也僅限于3m以下，5m以上基本為0。垂向風速的脈動強度也表現(xiàn)為隨高度增加迅速衰減的趨勢。
4龍卷風對低矮建筑的破壞機理
下面來分析龍卷風風場對低矮建筑房屋的破壞作用，首先分析龍卷風對單一建筑房屋的影響。在前述龍卷風風場中添加建筑房屋模型，為了簡化計算，本文采用長方體代表房屋，房屋長8m，寬6m，高3m，屋頂坡度30°，位置為距離龍卷風中心25m處，即處在最大風速處。計算結(jié)果表明，房屋側(cè)向迎風面上受正壓(見圖5a))，單位面積受力為28kN，表明龍卷風沖擊力可能是導(dǎo)致建筑墻面倒塌的原因。其次，屋面兩側(cè)垂向流速差異明顯(見圖5b))，表明繞流導(dǎo)致氣流沖擊屋頂側(cè)產(chǎn)生了強烈的垂向風速(大于20m/s)，可導(dǎo)致屋面構(gòu)件破壞并使碎片飛離屋面，部分飛向高空，另一部分則飛向房屋背風側(cè)。為了研究龍卷風對低矮建筑群的破壞機理，我們對低矮建筑群周圍的流場進行了模擬(見圖6)，并據(jù)此推斷建筑群中的房屋破壞。在CFD模型中，沿x和z方向2倍核心半徑(25m)的矩形設(shè)置為建筑區(qū)域，共15個房屋，房屋:8m×6m×3m，屋頂坡度30°。計算結(jié)果表明，房屋位置不同，造成氣流沖擊建筑的角度不同，從而造成建筑群中建筑屋頂?shù)膲簭姾土魉俜植嫉牟町?，如圖7所示。一般來說，龍卷風核心區(qū)內(nèi)，存在著壓差達0．1個大氣壓的負壓(見圖7a))，核心區(qū)外部負壓對屋頂破壞影響相對較小。而垂向風速的分布規(guī)律是迎風側(cè)具有顯著的正向氣流，背風側(cè)存在顯著的下沉氣流，這與單一房屋的結(jié)果相符。計算結(jié)果表明，龍卷風核心區(qū)內(nèi)存在很強的垂向氣流和垂向風速脈動(見圖8)，核心區(qū)外的房屋屋角處仍存在很大的垂向氣流，可能是核心區(qū)外部建筑破壞的一個重要原因。
5結(jié)語
根據(jù)本次龍卷風模擬，可以猜測:1)龍卷風內(nèi)部的負壓是造成建筑門窗破碎原因;2)近地面強烈的湍動能、垂向脈動強度將造成房舍等發(fā)生振蕩破壞，且建筑碎屑四處飛濺;3)顯著的垂向氣流將造成大質(zhì)量物體或碎屑飛上高空或拋向離建筑較遠的地方。因此，在建筑的屋頂設(shè)計時，應(yīng)考慮采用不易碎的材料作為屋面材料，且最好應(yīng)進行防爆泄壓設(shè)計。
參考文獻:
［1］王新．運動龍卷風沖擊高層建筑［D］．合肥:中國科學技術(shù)大學碩士論文，2015．
［2］劉道永，呂令毅．考慮龍卷風作用方位效應(yīng)的矩形結(jié)構(gòu)屋面風壓分布研究［J］．工程建設(shè)，2016，48(3):6-12．
［3］唐飛燕，湯卓，呂令毅．龍卷風場中沙粒對結(jié)構(gòu)沖擊作用的研究［J］．工程建設(shè)，2013，45(3):19-23．
［4］潘玉偉．龍卷風風場與結(jié)構(gòu)風荷載CFD數(shù)值模擬［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2013．
作者：張靜 紅荀勇 單位：鹽城工學院土木工程學院