田承昊，米宏廣，王彥芳，齊雅榮

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

空間結(jié)構(gòu)自重輕、柔性大、阻尼小、自振頻率較低，對風(fēng)荷載十分敏感，且隨著跨度的增加和輕質(zhì)屋面材料的使用，風(fēng)敏感性不斷增強(qiáng)，風(fēng)荷載往往成為這些結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載［1-3]。哈大客運專線沿線無站臺柱雨棚屋蓋為波浪形，四周開敞，雙側(cè)懸挑7.5 m，站臺柱雨棚由多榀剛架組成，結(jié)構(gòu)采用空間桁架體系，由組合鋼柱、桁架梁、H型實腹檁條及其他屋面支撐組成，桁架梁采用空間三角形鋼管桁架，柱為組合鋼管混凝土柱。該屋蓋結(jié)構(gòu)是一種典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一。對于這種體型相對獨特的四周開敞式單跨雙挑波型屋蓋，現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)［4]無法提供對應(yīng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，主要通過風(fēng)洞試驗獲得。該方法雖然有效但耗資巨大，試驗周期長。研究人員開始采用基于CFD理論的數(shù)值模擬方法研究結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載［5-7]，以用于結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計。本文介紹了基于FLUENT6.3軟件平臺，利用RSM湍流模型對此雨棚上的平均風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 計算方法及參數(shù)選取

雨棚其四周開敞式的建筑特點決定了數(shù)值風(fēng)洞計算可以做以下簡化:不考慮雨棚格構(gòu)柱及主桁架的影響;不考慮雨棚周邊環(huán)境的影響;所考慮雨棚體型多為單軸對稱，為減少計算量，采用對稱面法處理。模擬工況:因雨棚外形近乎為雙軸對稱，風(fēng)向角為90°時，據(jù)大量風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)可知，風(fēng)對雨棚影響最小，數(shù)值模擬可以忽略該風(fēng)向角的研究，故可只研究0°、45°二個風(fēng)向角。計算方法及參數(shù)見表1。

表1 計算方法及參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

進(jìn)行建筑物風(fēng)場模擬的首要工作是建立計算模型。計算模型不考慮周邊建筑的影響。限于計算條件，如圖1所示的雨棚結(jié)構(gòu)沿長軸取3跨作為分析計算對象，實體模型在CITIA V5軟件中制作，使用流體力學(xué)專用網(wǎng)格劃分軟件ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后把實體模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果導(dǎo)入Fluent6.3軟件上去進(jìn)行流場分析。為了讓計算邊界條件更符合實際物理邊界條件，數(shù)值風(fēng)洞的邊緣距離建筑物必須足夠大［10]，計算流域取為1 000 m ×300 m ×180 m，建筑物置于流域前部1/3處。計算采用的體網(wǎng)格均為6面體，雨棚局部模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 邊界條件的設(shè)定

CFD模擬中，計算域的尺寸、計算網(wǎng)格、對流項插值階數(shù)、湍流模型是模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵因素。

圖1 計算域

圖2 雨棚局部模型

圖3 網(wǎng)格劃分

(1)進(jìn)流面:流域的進(jìn)流面選用速度入口(velocity inlet)。速度邊界條件為

式中，z0、u0分別為標(biāo)準(zhǔn)高度和標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)速，取分別是流域中任意高度和對應(yīng)的平均風(fēng)速;α為風(fēng)速剖面指數(shù)，取0.16，使用Fluent提供的用戶自定義函數(shù)功能來實現(xiàn)。

(2)出流面:采用完全發(fā)展出流邊界條件。

(3)流域頂部和兩側(cè):采用自由滑移的壁面。

(4)建筑物表面和地面:采用無滑移的壁面條件。

3 計算結(jié)果及分析

數(shù)值結(jié)果表明，站臺雨棚承受的風(fēng)壓以負(fù)壓(吸力)為主，僅在個別位置出現(xiàn)較小的正壓。適度對不同風(fēng)向角下的雨棚體型系數(shù)做包絡(luò)處理，沿垂直軌道方向，即順0°風(fēng)向角，由遠(yuǎn)及近，懸挑端分別劃分為1個單元，中間單跨弧面分為大致相等的2個單元，雨棚可依次分為1、2、3、4共4個單元區(qū)。

對模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納，0°風(fēng)向角下體型系數(shù)分布如圖4所示，對所有數(shù)據(jù)處理后可以得出不同風(fēng)向角下4個分區(qū)體型系數(shù)參考值隨風(fēng)向角變化的曲線(圖5)。

以風(fēng)向角來分析，有3類典型風(fēng)向角值得注意:

一是0°或180°風(fēng)向，風(fēng)垂直軌道方向吹來，雨棚風(fēng)壓系數(shù)最大，為最不利情況;

二是90°或270°風(fēng)向，此時風(fēng)順股道方向吹來，由于雨棚表面絕大部分均處于尾流區(qū)域，平均壓力系數(shù)較小，通常在±0.3以內(nèi);

圖4 單跨雙挑雨棚在0°風(fēng)向角下體型系數(shù)分布

圖5 分區(qū)體型系數(shù)參考值隨風(fēng)向角變化的曲線

三是小角度斜吹時的局部壓力分布相對較大。

4 結(jié)論

(1)此類結(jié)構(gòu)對風(fēng)有過敏反應(yīng)，設(shè)計時應(yīng)考慮橫向剖面各迎風(fēng)弧面及各跨相交區(qū)域附近體型系數(shù)值變號的情況。

(2)順軌道方向雨棚屋面基本處于全吸狀態(tài);垂直軌道及斜向小角度風(fēng)作用下，雨棚迎風(fēng)面有較大正風(fēng)壓，正風(fēng)壓隨仰角變大有增大趨勢。

(3)從工程應(yīng)用角度，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測雙懸挑雨棚的表面風(fēng)壓分布進(jìn)行初步設(shè)計是可行的，但完全使用化還需理論的突破。

［1]李慶祥，樓文娟，楊仕超，等.大跨單層球面網(wǎng)殼的風(fēng)振系數(shù)及其參數(shù)分析［J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006，27(4):65-72.

［2]田玉基，楊慶山，范 重，等.國家體育場大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)研究［J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(2):26-40.

［3]周岱，舒新玲，周笠人.大跨空間結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)及其計算與試驗方法［J].振動與沖擊，2002，21(4):8-12.

［4]GB50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S].

［5]NBCC—1995 National Building Code of Canada［S].

［6]金 涌，顧 明.超高層建筑橫風(fēng)向氣動力譜［J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2002，30(5):627-632.

［7]KAREEM A.Across.-wind response of buildings［J].Journal of the Structural Division，ASCE，1982，108(ST4):869-887.

［8]張兆順.湍流［M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［9]朱家鯤.計算流體力學(xué)［M].北京:科學(xué)出版社，1985.

［10]BRADSHAW P.Understanding and prediction of turbulent flow［J].International Journal of Heat and Fluid，1996，18(1):45-54.

［11]高 劍.無站臺柱雨棚大跨開敞結(jié)構(gòu)的風(fēng)工程設(shè)計研究［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(S).