某跨線式高鐵客站平均風(fēng)荷載數(shù)值風(fēng)洞模擬

易圖兵

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川成都610000)

西寧高鐵客站是青藏高原最大的綜合交通樞紐工程，建筑面積約6×104m2，站房主體由南站房、北站房和高架候車(chē)層組成(圖1)。站房屋蓋采用對(duì)風(fēng)荷載較為敏感的管桁架結(jié)構(gòu)形式，屋蓋尺寸為140 m×255 m，檐口懸挑最大達(dá)到15.3 m，建筑高度為47.78 m。該建筑通過(guò)流動(dòng)的水平線條來(lái)體現(xiàn)三江源的意向，同時(shí)傳達(dá)出雄鷹展翅騰飛的寓意。該建筑造型新穎，體型復(fù)雜，難以直接根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范［1］確定適用的風(fēng)荷載，利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為可能［2，3］。據(jù)此，為了保證合理的風(fēng)荷載取值，分析研究了該結(jié)構(gòu)在9個(gè)不同風(fēng)向角下的靜風(fēng)壓系數(shù)、流場(chǎng)特征及其變化規(guī)律，分析結(jié)果為該工程的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 建筑效果

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

風(fēng)荷載CFD數(shù)值計(jì)算的本質(zhì)是將流場(chǎng)的控制方程利用計(jì)算數(shù)學(xué)方法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求其離散的數(shù)值解，即聯(lián)立求解連續(xù)性方程(式(1)和N-S方程式(2))并結(jié)合雷諾平均的方式求解湍流流動(dòng)，方程的不封閉通過(guò)采用引入湍流模型的方式解決［4］。本文采用了較為新穎的k-ε EARSM湍流模型。該模型結(jié)合了k-ε模型及BSL模型的優(yōu)點(diǎn)，雷諾應(yīng)力及平均應(yīng)變率、速度張量均為非線性關(guān)系，改善了一般RANS模型鈍體擾流動(dòng)能分布的缺陷問(wèn)題，對(duì)二階流、彎曲流的適應(yīng)性很好，且求解消耗同k-ε相當(dāng)［5］，被認(rèn)為是目前最有應(yīng)用前景的RANS模型［7］。模型鈍體近壁區(qū)引入壁面函數(shù)，以解析方式求解變量［5］，很好的避免了低雷諾數(shù)時(shí)湍流模型的收斂問(wèn)題。同時(shí)采用附面貼體網(wǎng)格OGrid，其主法線與壁面垂直。對(duì)流項(xiàng)離散為二階高精度格式，計(jì)算采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)步逼近隱式耦合算法(QSMA：Quasi-Steady State Marching-on in time Approximation Techniques)，并采用多區(qū)多重網(wǎng)格技術(shù)［6］提高收斂。計(jì)算終止的控制條件為：k和ε的殘差小于5×10-5，通量不平衡殘差小于5×10-6，同時(shí)要求迭代步數(shù)不小于150，另一個(gè)判讀依據(jù)為人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)震蕩趨于平穩(wěn)。

式中：ρ為流體密度；ui(i=1，2，3)分別為在直角坐標(biāo)x(x1)，y(x2)，z(x3)方向的風(fēng)速；p為流場(chǎng)壓力；fi為質(zhì)量力；v為運(yùn)動(dòng)粘度。

1.2 網(wǎng)格模型

模型兼顧實(shí)際形狀及網(wǎng)格處理，濾除局部尺寸小于100 mm的構(gòu)造，最終采用的流場(chǎng)尺度為：B×H×L=600m×2300m×2715m(圖2)，入流阻塞率為1.5%＜3%。

圖2 計(jì)算流域示意

數(shù)值計(jì)算模型采用混合網(wǎng)格方案［8］：核心區(qū)域?yàn)?0節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格；壁面為棱柱形五面體附面網(wǎng)格，附面層厚度0.2 m，細(xì)分為10層；核心區(qū)外圍為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；核心區(qū)與外圍結(jié)合區(qū)為金字塔形網(wǎng)格。最小網(wǎng)格0.01 m，位于建筑物表面；最大網(wǎng)格15 m，位于流場(chǎng)出口位置附近?？紤]到結(jié)構(gòu)布置的對(duì)稱性，共計(jì)算了9種不同來(lái)流風(fēng)向：0～190°，風(fēng)向角度間隔為22.5°，具體布置見(jiàn)圖3。網(wǎng)格數(shù)量約為330×104/個(gè)，網(wǎng)格最低質(zhì)量為0.1，低于0.5的網(wǎng)格數(shù)量不超過(guò)5%，且均為最小網(wǎng)格角度起控制作用，各風(fēng)向角模型具體的網(wǎng)格信息見(jiàn)表1。

圖3 建筑平面布置與風(fēng)向角

表1 各風(fēng)向角模型信息

1.3 邊界條件

流場(chǎng)邊界主要包括入流邊界、出流邊界、流場(chǎng)側(cè)壁和頂壁、地面以及鈍體壁面［4］。本文各邊界條件的設(shè)置如圖4所示：入流邊界采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)剖面公式，見(jiàn)式(3)～式(7)；出流邊界為Outlet，出口位置沿流線方向的壓力梯度為0；流場(chǎng)側(cè)壁及頂壁均為自由滑移壁面，沿著壁面的速度垂直方向梯度在壁面處為0；地面為無(wú)滑移壁面，在壁面處，沿著壁面的切向風(fēng)速為0；建筑物壁面也為無(wú)滑移壁面。

圖4 流場(chǎng)邊界示意

風(fēng)速剖面：

湍流動(dòng)能剖面：

湍流動(dòng)能耗散率：

湍流積分尺度：

湍流強(qiáng)度函數(shù)：

式中：z為任一高度或離地高度(m)；zb參考高度，取值10 m；Vz、Vb分別為高度z處、標(biāo)準(zhǔn)參考高度zb處對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速(m/s)；α為地面粗糙度指數(shù)，取值0.16；l為湍流特征長(zhǎng)度，按CFX取值為0.07D，D為鈍體的特征尺度；zG為梯度風(fēng)高度，取值350 m。

2 結(jié)果分析與設(shè)計(jì)建議

本文中的壓力正方向定義為垂直測(cè)量表面向內(nèi)的方向，具體表現(xiàn)為：對(duì)于上表面測(cè)點(diǎn)，正值表示受到指向表面的壓力(向下)，負(fù)值表示受到向外的吸力(向上)；對(duì)下表面測(cè)點(diǎn)，正值表示受到指向表面的壓力(向上)，負(fù)值表示受到向外的吸力(向下)。

本文中壓力系數(shù)指建筑表面動(dòng)壓與來(lái)流參考高度(建筑物最大高度)動(dòng)壓的比值(式8)，實(shí)際上已經(jīng)考慮了高度換算系數(shù)γ［1］，具有與工程設(shè)計(jì)所用的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs相同的物理意義。

風(fēng)壓系數(shù)：

入流風(fēng)壓：

式中：Pref為參考點(diǎn)高度位置上(建筑最大高度處)的入流風(fēng)壓；Vref為入流斷面上對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)高度的風(fēng)速(m/s)；為空氣密度，取值1.225 kg/m3，Pi為屋蓋表面的計(jì)算風(fēng)壓；P∞為大氣壓；Cpa為模擬風(fēng)壓系數(shù)。

圖5、圖6分別為各風(fēng)向角時(shí)屋蓋及雨棚風(fēng)壓系數(shù)分布圖和流線特征分布圖，可知：

圖5 屋蓋上表面C pa分布等值線

圖6 流線分布

0°風(fēng)向時(shí)，屋蓋前緣氣流發(fā)生碰撞分離，分離尺度不顯著，前緣出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，風(fēng)壓等值線均勻。前緣的Cpa范圍為-1.2～-0.4。由于氣流翻越主站房帶來(lái)的下泄作用，靠近主站房側(cè)的兩跨雨棚出現(xiàn)了較為明顯的大面積負(fù)風(fēng)壓，Cpa達(dá)-0.6。

22.5 °風(fēng)向時(shí)，由于斜風(fēng)作用，前側(cè)屋面的風(fēng)壓分布與0°風(fēng)向角不同，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa范圍為-1.8～-0.4。左側(cè)雨棚仍然大面積的負(fù)壓，Cpa達(dá)-0.6～-0.4，右側(cè)雨棚受主站房的阻擋，風(fēng)壓區(qū)減小。

45°風(fēng)向時(shí)，前側(cè)屋面的風(fēng)壓分布改變明顯，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa范圍為-1.8～-0.4，屋面其余部分風(fēng)壓分布均勻。雨棚上表面風(fēng)壓與22.5°相似。

在67.5°風(fēng)向，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa范圍減小，為 -1～-0.4。左側(cè)屋面的風(fēng)壓密集，皆為負(fù)風(fēng)壓，Cpa范圍為-0.8～-0.4。雨棚上表面風(fēng)壓減小，Cpa約為-0.2。

在90°風(fēng)向時(shí)，屋面左前側(cè)負(fù)壓區(qū)Cpa約為-1.6～-0.4。左側(cè)雨棚受來(lái)流的影響，為正風(fēng)壓區(qū)，Cpa范圍為0.2～0.4，右側(cè)雨棚受站房阻擋，仍為負(fù)風(fēng)壓區(qū)。

在112.5°風(fēng)向時(shí)，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa范圍為-1.4～-0.4，后側(cè)及左側(cè)屋面的負(fù)壓區(qū)變化均勻，范圍加大，Cpa為-0.6～-0.4。雨棚上表面風(fēng)壓與90°風(fēng)向角相似。

在135°風(fēng)向時(shí)，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa為-1.2～-0.2，后側(cè)屋面負(fù)壓區(qū)加大，Cpa范圍為-1.4～-0.2。左側(cè)雨棚受氣流作用，經(jīng)歷了從下壓到上翻的過(guò)程，Cpa范圍為-0.2～0.2，右側(cè)雨棚均勻，為-0.2左右。

在157.5°風(fēng)向時(shí)，前緣負(fù)壓區(qū)的Cpa為-1.2～-0.2。而后側(cè)屋面負(fù)風(fēng)壓區(qū)達(dá)到加大，Cpa范圍為-1.4～-0.2。雨棚風(fēng)壓分布與112.5°相似。

在180°風(fēng)向時(shí)，前緣負(fù)壓區(qū)較均勻，為-0.2，后側(cè)屋面負(fù)壓達(dá)到最大，Cpa范圍為-1.4～-0.2。左右兩側(cè)的雨棚負(fù)風(fēng)壓分布均勻，Cpa范圍為-0.4～-0.2.

主站房前側(cè)屬于風(fēng)敏感部位，最不利風(fēng)壓表現(xiàn)在0°來(lái)流時(shí)，對(duì)應(yīng)上表面的Cpa約-1.8～-0.2，考慮下表面風(fēng)壓疊加作用則更為不利。雨棚部位的上表面最不利負(fù)風(fēng)壓同樣主要受0°來(lái)流影響，由于氣流翻越主站房帶來(lái)的下泄作用，靠近主站房側(cè)的兩跨雨棚出現(xiàn)了較為明顯的大面積負(fù)風(fēng)壓，Cpa達(dá)-0.6～-0.4，遠(yuǎn)離主站房位置的雨棚風(fēng)壓則相對(duì)平穩(wěn)，平均約為-0.2左右；當(dāng)180°來(lái)流時(shí)，由于受主站房阻滯，雨棚下部空間空氣流動(dòng)阻塞，湍動(dòng)不明顯，但仍然以負(fù)壓為主，平均約為-0.2，和上表面風(fēng)壓反向削弱。隨著風(fēng)向角變化，斜風(fēng)向來(lái)流逐漸受到高架通廊的阻滯，產(chǎn)生回流與逆向梯度風(fēng)，上游雨棚出現(xiàn)正壓。當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，來(lái)流側(cè)雨棚上表面大部分區(qū)域均表現(xiàn)為正壓，此時(shí)如果雨棚下部空間氣流阻滯很小，雨棚下表面氣流將平穩(wěn)剝離，由此上下表面風(fēng)壓可能會(huì)疊加向下作用，與其他豎向荷載組合后對(duì)結(jié)構(gòu)變形、受力控制較為不利。90°來(lái)流時(shí)，處于下游的雨棚上下表面均表現(xiàn)為氣流剝離作用，平均約為-0.2左右，其中上表面附近偏高，也是由于氣流翻越通廊后產(chǎn)生的下泄作用所致。

3 結(jié)論

綜上所述，可得如下結(jié)論：

(1)站房屋蓋整體風(fēng)荷載以風(fēng)吸為主，上表面大多數(shù)區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)為-1.4～-0.6，個(gè)別挑檐位置達(dá)到-1.8。

(2)站房雨棚風(fēng)荷載同樣以風(fēng)吸為主，大多數(shù)風(fēng)壓系數(shù)為-0.6～-0.4，但90°風(fēng)向角時(shí)，來(lái)流側(cè)雨棚受正風(fēng)壓作用，風(fēng)壓系數(shù)為0.2～0.4，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。