雄安站大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)與風(fēng)致響應(yīng)研究

張 宇， 何連華， 符龍彪， 范 重， 朱 丹， 劉 濤， 李保衛(wèi)， 周鵬飛

(1中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044；2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3 中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，武漢 430040)

0 引言

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1]，重要且體型復(fù)雜的房屋宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定其風(fēng)荷載體型系數(shù)；對(duì)于風(fēng)敏感或者跨度大于36m的柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生風(fēng)振的影響，屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，宜依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果按隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算確定。

作為雄安新區(qū)設(shè)立后開(kāi)工建設(shè)的一個(gè)大型交通基礎(chǔ)設(shè)施，雄安站屋蓋結(jié)構(gòu)體型獨(dú)特、復(fù)雜，單體面積較大；同時(shí)柱網(wǎng)稀疏，跨度大，結(jié)構(gòu)剛度偏柔，風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)顯著，屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此類(lèi)復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)振響應(yīng)分析，得到很多可供工程設(shè)計(jì)參考的結(jié)論[2-6]。本文對(duì)雄安站進(jìn)行了剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算。

如圖1所示，雄安站的屋蓋和雨棚具有以下四個(gè)突出特點(diǎn)：一是雄安站屋蓋輪廓呈橢圓形(圖1(a))，屋蓋周邊懸挑長(zhǎng)度10～20m不等；二是屋頂在建筑中部向上抬起，東西側(cè)邊緣又逐層向內(nèi)收進(jìn)、形成錯(cuò)層退臺(tái)的建筑效果(圖1(c)，(d))；三是在近、遠(yuǎn)期車(chē)場(chǎng)屋蓋之間15m寬的光谷將整個(gè)屋蓋沿順軌向分為東、西兩大部分(圖1(b))；四是考慮到整個(gè)屋面的排煙要求，在雨棚區(qū)域每跨軌道間上方屋面設(shè)置帶形鏤空區(qū)域(圖1(b))；五是東、西兩側(cè)立面設(shè)置通高玻璃幕墻(圖1(c)，(d))。

圖1 建筑效果圖

列車(chē)高速通過(guò)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周?chē)目諝夤餐\(yùn)動(dòng)，形成所謂的“列車(chē)風(fēng)”。列車(chē)風(fēng)形成的附加荷載也會(huì)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)物造成影響[7-11]。雄安站共有6條正線(xiàn)，列車(chē)高速過(guò)站時(shí)列車(chē)風(fēng)的影響不可忽略。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的“動(dòng)網(wǎng)格”技術(shù)，對(duì)雄安站列車(chē)過(guò)站列車(chē)風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬高速列車(chē)自進(jìn)入雨棚并穿越雨棚、高架候車(chē)層的整個(gè)過(guò)程，研究列車(chē)高速通過(guò)站房時(shí)列車(chē)風(fēng)所引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)估列車(chē)風(fēng)作用下建筑結(jié)構(gòu)的舒適性問(wèn)題。

1 工程概況

雄安站車(chē)站總規(guī)模為11臺(tái)19線(xiàn)，總建筑面積47.52萬(wàn)m2，站房屋蓋平面呈橢圓形，長(zhǎng)450m，寬360m。雄安站站房建筑主體共5層，地下2層，地上3層分別為地面候車(chē)層、承軌層、高架候車(chē)層，頂部為橢圓形雨棚屋蓋。下部承軌層及以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部高架候車(chē)層、雨棚屋蓋為大跨度鋼結(jié)構(gòu)[12]。

為了降低結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，將橢圓形屋蓋劃分6個(gè)結(jié)構(gòu)單元，屋蓋單位分區(qū)如圖2所示。Ⅰ1，Ⅰ3，Ⅱ1和Ⅱ3區(qū)主要為站臺(tái)雨棚區(qū)域，Ⅰ2和Ⅱ 2區(qū)屋蓋下部為高架候車(chē)層候車(chē)廳結(jié)構(gòu)。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)單元分區(qū)圖

雨棚采用鋼框架結(jié)構(gòu)，跨度為(15～23)m×24m。高架候車(chē)層屋蓋跨度為78m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。高架候車(chē)層樓蓋采用鋼梁-鋼筋桁架樓承板組合結(jié)構(gòu)，列車(chē)頂距離高架候車(chē)層鋼桁架、主鋼梁底為0.42m，距離上弦層混凝土樓板底為2.7m，距離夾層混凝土板底為0.72m。

2 剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)在中國(guó)建筑科學(xué)研究院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室低速試驗(yàn)段進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為6m寬、3.5m高。雄安站及干擾建筑平面尺寸約620m×480m，站房最高47.2m，雨棚最高處標(biāo)高30.2m。根據(jù)風(fēng)洞阻塞度要求、轉(zhuǎn)盤(pán)及原型尺寸，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比確定為1∶200，如圖3所示。試驗(yàn)中使用恒溫式熱線(xiàn)風(fēng)速儀配合單絲熱線(xiàn)探頭測(cè)量風(fēng)速剖面，采樣時(shí)間15s，采樣頻率1kHz。采用電子壓力掃描閥系統(tǒng)DSM4000對(duì)模型表面進(jìn)行平均和脈動(dòng)壓力測(cè)量。試驗(yàn)風(fēng)速14m/s，壓力采樣頻率為400.6Hz，采樣時(shí)間31s，所有測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)均為同步獲得。

圖3 模型在風(fēng)洞中的照片

本次試驗(yàn)在B類(lèi)地貌下進(jìn)行。在風(fēng)洞中采用尖劈配合粗糙元的方法模擬得到的風(fēng)速剖面，見(jiàn)圖4。

圖4 大氣邊界層風(fēng)速及湍流度剖面

根據(jù)風(fēng)工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本工程的特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行了優(yōu)化和完善。在屋蓋周圈的懸挑邊緣、逐層退臺(tái)位置、光谷兩側(cè)及東西立面幕墻等重點(diǎn)位置均布置有測(cè)點(diǎn)。模型上共布置了989個(gè)測(cè)點(diǎn)(其中391個(gè)為雙面測(cè)點(diǎn))。本試驗(yàn)測(cè)量了試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌L(fēng)向角下的表面壓力分布。從0°風(fēng)向角開(kāi)始，每隔10°測(cè)量一次，獲得了模型在36個(gè)風(fēng)向角下的表面壓力分布。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

建筑物表面每個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力均為隨時(shí)間變化的隨機(jī)量，可以將瞬時(shí)壓力分為平均壓力和脈動(dòng)壓力兩部分：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p∞為來(lái)流的靜壓；σp(x)為壓力系數(shù)時(shí)程的均方根值。

由于風(fēng)洞中的風(fēng)速剖面已按實(shí)際地形進(jìn)行模擬，因而得到的平均壓力系數(shù)值已經(jīng)包含了大氣邊界層高度變化的影響，即平均壓力系數(shù)值等于風(fēng)荷載體型系數(shù)與高度變化系數(shù)的乘積。

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇各測(cè)點(diǎn)所有風(fēng)向角下的平均壓力系數(shù)的最大值與最小值(圖5)，得到屋蓋上表面平均壓力系數(shù)的包絡(luò)值，其中屋蓋懸挑端局部的上、下平均風(fēng)壓系數(shù)之和如圖6所示。

圖5 屋蓋上表面平均壓力系數(shù)的最大值、最小值

圖6 屋蓋懸挑端局部的上、下平均風(fēng)壓系數(shù)之和

由圖5，6可知，建筑物的正壓區(qū)主要在屋蓋退臺(tái)處立面及屋蓋中部抬高迎風(fēng)面，其余區(qū)域的平均正壓力系數(shù)一般都不大。在屋蓋大部分上表面為平均負(fù)壓力系數(shù)，此系數(shù)在屋蓋懸挑的端部以及中部抬高迎風(fēng)面數(shù)值較大，換算得到的風(fēng)荷載體型系數(shù)約為-2.3。

在迎風(fēng)向屋蓋前檐懸挑區(qū)域壓力系數(shù)絕對(duì)值很大，這是由于風(fēng)的分離渦引起的。對(duì)于屋蓋懸挑端，不但會(huì)因?yàn)椤吧衔马敗钡姆植硷L(fēng)壓造成合力幅值明顯增大，而且由于上、下表面壓力的負(fù)相關(guān)會(huì)造成合壓力脈動(dòng)強(qiáng)度增加，導(dǎo)致出現(xiàn)較高的極值壓力。因此，屋蓋懸挑部位的抗風(fēng)設(shè)計(jì)尤其需引起重視。

同時(shí)，在試驗(yàn)中高架候車(chē)廳屋蓋存在較大區(qū)域的負(fù)壓，這是因?yàn)樵摬糠治萆w高于整體屋面，在其屋蓋表面發(fā)生了較強(qiáng)的流動(dòng)分離。

3 風(fēng)致振動(dòng)分析

本文主要以剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的脈動(dòng)壓力值作為風(fēng)荷載自譜和相干譜的輸入數(shù)據(jù)，并基于隨機(jī)振動(dòng)理論，采用振型分解反應(yīng)譜法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的位移均方差，最后再按照等效靜力的方法確定動(dòng)力風(fēng)荷載。

3.1 等效靜力風(fēng)荷載

風(fēng)振系數(shù)反映的是順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)增大效應(yīng)，根據(jù)選取的參考量，風(fēng)振系數(shù)可分為荷載風(fēng)振系數(shù)、位移風(fēng)振系數(shù)、內(nèi)力風(fēng)振系數(shù)和應(yīng)力風(fēng)振系數(shù)。結(jié)合結(jié)構(gòu)的具體形式，分別計(jì)算了典型風(fēng)向角下的節(jié)點(diǎn)位移風(fēng)振系數(shù)βR：

(5)

(6)

式中：μ為峰值因子；σR為響應(yīng)的根方差。

相應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載WkR可以表示為：

WkR=βRμSμZw0

(7)

式中：μS為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

3.2 不利風(fēng)向角的評(píng)估

考慮大跨屋蓋表面可能同時(shí)受到正壓和負(fù)壓的作用，二者可能部分抵消，以合力(升力)作為指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映風(fēng)荷載分布的危險(xiǎn)程度。因此，采用總風(fēng)力評(píng)估風(fēng)荷載的危險(xiǎn)程度，進(jìn)而確定需進(jìn)行重點(diǎn)分析的不利風(fēng)向角。通過(guò)對(duì)屋蓋部分各個(gè)單元結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，得到100年重現(xiàn)期的最不利風(fēng)向角和總風(fēng)力如表1所示。

100年重現(xiàn)期的不利風(fēng)向角及總風(fēng)力情況 表1

結(jié)合表1和其余風(fēng)向下總風(fēng)力數(shù)據(jù)可知，對(duì)于Ⅰ1，Ⅰ3，Ⅱ1和Ⅱ3開(kāi)敞的室外雨棚結(jié)構(gòu)，超過(guò)半數(shù)風(fēng)向角下承受上吸風(fēng)荷載作用，少部分風(fēng)向角下承受下壓風(fēng)荷載作用，且上吸風(fēng)荷載對(duì)整體結(jié)構(gòu)的效應(yīng)大于下壓風(fēng)荷載。Ⅰ2區(qū)和Ⅱ2區(qū)屋蓋在所有風(fēng)向角下主要承受上吸風(fēng)荷載作用，這是由于Ⅰ2區(qū)和Ⅱ2區(qū)下部高架候車(chē)廳形成封閉空間，同時(shí)該兩部分區(qū)域較其兩側(cè)區(qū)域明顯凸出且坡度較緩。

不利風(fēng)向角通常是對(duì)整體結(jié)構(gòu)而言，對(duì)不同區(qū)域的具體桿件來(lái)說(shuō)，在此不利風(fēng)向角下產(chǎn)生的內(nèi)力不一定為最大值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到周?chē)鷱?fù)雜邊界條件的影響，其在風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力應(yīng)取各風(fēng)向角作用的包絡(luò)值?？刂乒r下,屋蓋風(fēng)振系數(shù)約為1.5～1.7。

3.3 屋蓋風(fēng)分布特征

屋蓋在10°，100°，190°，230°，280°五個(gè)風(fēng)向角下100年重現(xiàn)期的等效靜風(fēng)荷載分布如圖7所示。由圖可知，在不同風(fēng)向角下，作用在主體結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載差異很大。

圖7 不利風(fēng)向角等效靜風(fēng)荷載分布云圖/(kN/m2)

結(jié)構(gòu)在沿順軌道向南、北對(duì)稱(chēng)，通過(guò)對(duì)比10°風(fēng)向角和190°風(fēng)向角下100年重現(xiàn)期的等效靜風(fēng)荷載分布可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)風(fēng)向角下的等效靜風(fēng)荷載分布較為相似。在沿順軌向來(lái)流時(shí)，雨棚兩側(cè)懸挑區(qū)域的上吸風(fēng)荷載最大值為-1.1kN/m2。15m寬光谷兩側(cè)的局部屋面風(fēng)荷載變化較小，并未受到屋蓋在光谷斷開(kāi)的影響。在10°風(fēng)向角時(shí)，迎風(fēng)區(qū)域Ⅰ1和Ⅱ1區(qū)域的雨棚大部分區(qū)域均為負(fù)風(fēng)壓，等效靜風(fēng)荷載值為0.3～0.5kN/m2，而在Ⅰ1，Ⅱ1和Ⅰ2，Ⅱ2交界的區(qū)域風(fēng)壓發(fā)生局部變號(hào)。由于中間區(qū)域Ⅰ2，Ⅱ2局部凸起，在迎風(fēng)面和凸起部分上吸風(fēng)荷載要明顯高于平直段，等效靜風(fēng)荷載值為-0.5～0.8kN/m2；而在背風(fēng)面區(qū)域上吸風(fēng)荷載明顯下降，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)的規(guī)定基本一致。同時(shí)，在背面Ⅰ3和Ⅱ3區(qū)域，敞口雨棚的大部分區(qū)域均為正風(fēng)壓，等效靜風(fēng)荷載值為0.1～0.2kN/m2。另外，順軌向風(fēng)荷載對(duì)東西立面幕墻以及兩側(cè)屋蓋的退臺(tái)錯(cuò)層立面均為風(fēng)吸力，等效靜風(fēng)荷載值為-0.4～0.6kN/m2。從風(fēng)荷載分布情況來(lái)看，由于雨棚柱上的鏤空區(qū)域相對(duì)整體屋面區(qū)域較小，其周?chē)鷧^(qū)域在順軌向風(fēng)荷載變化較小。

通過(guò)對(duì)比Ⅰ1，Ⅰ3，Ⅱ1，Ⅱ3區(qū)域在垂軌向風(fēng)向角(即280°風(fēng)向角)下等效靜風(fēng)荷載發(fā)現(xiàn)，Ⅰ1和Ⅰ3雨棚敞口區(qū)域大部分結(jié)構(gòu)承受上吸風(fēng)荷載，經(jīng)過(guò)中間15m寬光谷后，Ⅱ1和Ⅱ3雨棚敞口區(qū)域大部分屋蓋承受下壓風(fēng)荷載，但風(fēng)荷載較小。在Ⅰ1，Ⅰ3，Ⅱ1和Ⅱ3雨棚敞口區(qū)域與Ⅰ2和Ⅱ2區(qū)域交界部位，由于受到封閉高架候車(chē)區(qū)的影響，雨棚的風(fēng)荷載顯著增大。由于東、西立面幕墻和高架候車(chē)層封閉空間的影響，Ⅰ2區(qū)和Ⅱ2區(qū)懸挑屋蓋部分的上吸風(fēng)荷載要明顯高于其他屋蓋懸挑區(qū)域。

由于雄安站東、西立面以及屋蓋造型不對(duì)稱(chēng)，且Ⅰ2和Ⅱ2區(qū)域結(jié)構(gòu)自身特性也存在較大差異；對(duì)比100°風(fēng)向角和280°風(fēng)向角下等效靜風(fēng)荷載可以發(fā)現(xiàn)，此兩個(gè)風(fēng)向角下等效靜風(fēng)荷載分布存在明顯不同，說(shuō)明建筑外形和結(jié)構(gòu)特性均會(huì)影響結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)。

西側(cè)立面幕墻長(zhǎng)度120m，為30m通高幕墻，在幕墻上部屋蓋Ⅰ2區(qū)懸挑屋蓋部分的上吸風(fēng)荷載明顯高于其他區(qū)域屋蓋懸挑部分。懸挑區(qū)域等效上吸風(fēng)荷載峰值的范圍在2.5～2.7kN/m2之間，且其作用的影響范圍向兩側(cè)雨棚和屋面內(nèi)部延伸，并迅速衰減。屋蓋中間凸起部位的等效上吸風(fēng)荷載為0.3～0.4 kN/m2。Ⅱ2區(qū)在280°風(fēng)向角下的等效靜風(fēng)荷載分布與Ⅰ2區(qū)在100°風(fēng)向角下等效靜風(fēng)荷載分布存在較大差異。由于東側(cè)立面幕墻長(zhǎng)度僅為30m，且非通高設(shè)置，Ⅱ2區(qū)屋蓋懸挑區(qū)域等效上吸風(fēng)荷載峰值較Ⅰ2區(qū)屋蓋懸挑區(qū)域的較小，為1.8～2.0kN/m2。考慮到東側(cè)高架候車(chē)廳室內(nèi)外分界不在屋面邊緣，而是在中部凸起屋面的退臺(tái)處，此處在迎風(fēng)面的等效靜風(fēng)荷載顯著高于Ⅰ2區(qū)對(duì)應(yīng)迎風(fēng)面的等效靜風(fēng)荷載。

4 列車(chē)風(fēng)研究方法與設(shè)定

列車(chē)風(fēng)的分析采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得相應(yīng)位置的列車(chē)風(fēng)荷載壓力時(shí)程后，在有限元軟件結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立荷載加載工況，計(jì)算移動(dòng)荷載下高架候車(chē)層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，提取典型位置的加速度時(shí)程，并對(duì)加速度響應(yīng)的舒適性依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 建筑結(jié)構(gòu)空間模型

模型的計(jì)算區(qū)域：列車(chē)行進(jìn)方向尺寸與實(shí)際一致；垂直列車(chē)行進(jìn)方向尺寸，根據(jù)站房、雨棚的空間尺寸，自列車(chē)中心線(xiàn)向兩側(cè)外擴(kuò)60m，可以滿(mǎn)足邊界條件的設(shè)定要求，并確保能夠模擬出高速列車(chē)過(guò)站全過(guò)程。

按照實(shí)際剖面尺寸建立三維實(shí)體模型，取正線(xiàn)處作為研究的跨中位置，保留車(chē)站的主要結(jié)構(gòu)物，對(duì)一些相對(duì)整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)細(xì)小結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 空間計(jì)算模型

4.2 高速列車(chē)模型

分析車(chē)型選取了CRH2(圖9)的外形參數(shù)，對(duì)列車(chē)外形進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并將列車(chē)表面設(shè)定為光滑無(wú)棱角。本文模擬采用“兩拖兩動(dòng)”的組合，列車(chē)總長(zhǎng)104.2m。動(dòng)力車(chē)車(chē)長(zhǎng)26.6m，拖車(chē)車(chē)長(zhǎng)25.5m、車(chē)寬3.4m、車(chē)高3.7m。

圖9 CRH2模型示意圖

4.3 網(wǎng)格劃分與動(dòng)網(wǎng)格

整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為動(dòng)區(qū)域和非動(dòng)區(qū)域兩個(gè)部分。動(dòng)區(qū)域和非動(dòng)區(qū)域分別劃分網(wǎng)格，動(dòng)區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格和六面體混合網(wǎng)格，非動(dòng)區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格，滿(mǎn)足工程計(jì)算需要的單元數(shù)約為200萬(wàn)個(gè)。

隨著列車(chē)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算域在每個(gè)時(shí)間步都發(fā)生變化，網(wǎng)格也就需要進(jìn)行相應(yīng)的更新。本文模擬采用Fluent軟件中動(dòng)態(tài)層鋪方法(Dynamic Layering)的動(dòng)網(wǎng)格，可以較好地控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算精度，局部動(dòng)網(wǎng)格的分區(qū)劃分如圖10所示。

圖10 局部動(dòng)網(wǎng)格的分區(qū)劃分

4.4 邊界條件和計(jì)算方法

(1)邊界條件

在受固體邊界限定的流動(dòng)分析時(shí)，固體壁面一般按無(wú)滑移條件處理。

除速度外的其他變量的取值則取決于近壁處空氣的流動(dòng)狀態(tài)。列車(chē)壁面采用移動(dòng)壁面，與列車(chē)具有一致的運(yùn)行速度。進(jìn)出口的邊界條件設(shè)定為常壓邊界條件。

(2)列車(chē)風(fēng)求解計(jì)算方法

利用Fluent軟件求解非定常不可壓縮流動(dòng)的RANS方程和Realiazable 的κ-ε二方程湍流模型，以獲得計(jì)算域內(nèi)的氣動(dòng)壓力和速度。用有限體積法離散方程求解計(jì)算域內(nèi)的壓力和速度，動(dòng)量、能量、κ-ε方程中的對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散，κ-ε方程中擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散；壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

在受列車(chē)風(fēng)影響的高架候車(chē)層各表面施加風(fēng)壓激勵(lì)時(shí)程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)各部分的響應(yīng)，以此進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)。

5 列車(chē)風(fēng)計(jì)算結(jié)果

5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明

為保證計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性，在雨棚及屋蓋范圍順軌向每隔24m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在高架范圍每隔12m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在軌道正線(xiàn)范圍順軌向結(jié)構(gòu)面上共布置26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

5.2 列車(chē)風(fēng)壓力時(shí)程的分析

列車(chē)風(fēng)作用為動(dòng)荷載，風(fēng)壓力隨列車(chē)運(yùn)行不斷變化。車(chē)速為120km/h工況下，14號(hào)測(cè)點(diǎn)典型的風(fēng)壓時(shí)程曲線(xiàn)如圖12所示。在車(chē)頭到達(dá)時(shí)，對(duì)高架候車(chē)層產(chǎn)生先上壓后下吸的風(fēng)荷載，在車(chē)尾離開(kāi)時(shí)，對(duì)高架候車(chē)層產(chǎn)生先下吸后上壓的風(fēng)荷載，類(lèi)似兩個(gè)單次往復(fù)沖擊荷載。

圖12 高架候車(chē)層下表面典型風(fēng)壓時(shí)程曲線(xiàn)

車(chē)速為350km/h工況下，列車(chē)風(fēng)壓沿列車(chē)兩側(cè)的典型分布曲線(xiàn)如圖13所示。可見(jiàn)隨高架候車(chē)層主體結(jié)構(gòu)距離列車(chē)車(chē)身表面距離增加，列車(chē)風(fēng)風(fēng)壓迅速衰減。

圖13 列車(chē)風(fēng)壓沿列車(chē)兩側(cè)的典型分布曲線(xiàn)

6，7，8，14測(cè)點(diǎn)在車(chē)速350km/h工況下的正、負(fù)風(fēng)壓峰值如表2所示。以表2中正風(fēng)壓峰值為例，6，7，8，14測(cè)點(diǎn)正風(fēng)壓峰值隨距車(chē)身表面距離變化趨勢(shì)如圖14所示?？梢?jiàn)，正風(fēng)壓峰值隨距車(chē)身表面距離的增大迅速衰減，至16m左右后趨于穩(wěn)定，總體呈二次曲線(xiàn)關(guān)系。車(chē)速120km/h時(shí)，正風(fēng)壓峰值隨距車(chē)身表面距離變化有類(lèi)似變化規(guī)律，但幅值明顯小于車(chē)速350km/h時(shí)，風(fēng)壓值與車(chē)速呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化。

圖14 列車(chē)風(fēng)壓隨距車(chē)身表面距離變化曲線(xiàn)

部分測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓峰值 表2

位于屋蓋部分的6，7，8測(cè)點(diǎn)距離列車(chē)距離較遠(yuǎn)，風(fēng)壓峰值較小。而位于高架候車(chē)層樓蓋的14測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓值較大，因此重點(diǎn)研究列車(chē)風(fēng)對(duì)高架候車(chē)層樓蓋的影響。

5.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)及分析

根據(jù)6條正線(xiàn)過(guò)站線(xiàn)路情況和行車(chē)速度，共設(shè)定了5組分析工況(第2，3條正線(xiàn)均在工況3)，通過(guò)對(duì)高架候車(chē)層各工況區(qū)域施加激勵(lì)時(shí)程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，得到高架候車(chē)層最大豎向振動(dòng)加速度，如表3所示。

高架候車(chē)層最大豎向振動(dòng)加速度/(m/s2) 表3

車(chē)速為350km/h工況下，對(duì)工況3的加速度時(shí)程曲線(xiàn)(圖15和圖16)進(jìn)行分析。

圖15 工況3中間點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖16 工況3端部豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)

根據(jù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)正線(xiàn)列車(chē)以120 km/h速度通過(guò)時(shí)，各條線(xiàn)路工況下，高架候車(chē)層的跨中最大豎向振動(dòng)加速度為0.000 8m/s2；正線(xiàn)列車(chē)以350km/h速度通過(guò)時(shí)，高架候車(chē)層的跨中最大豎向振動(dòng)加速度為0.15m/s2，均沒(méi)有超過(guò)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)發(fā)布的“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南AISC-11”舒適度限值0.15m/s2。鑒于正線(xiàn)列車(chē)以350km/h速度通過(guò)時(shí)，最大豎向振動(dòng)加速度已接近舒適度限值，建議在350km/h速度試運(yùn)行階段進(jìn)行實(shí)地測(cè)試振動(dòng)加速度。

6 結(jié)論

(1)對(duì)于四周敞口的雨棚結(jié)構(gòu)而言，絕大部分風(fēng)向下，表面風(fēng)壓都不高，平均壓力系數(shù)一般在-0.8～0.3 之間。

(2)屋蓋懸挑區(qū)域受局部風(fēng)壓影響很大，在來(lái)流斜吹時(shí)，懸挑上表面在劇烈風(fēng)流動(dòng)分離的影響下其平均風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)-3.6，換算到的風(fēng)荷載體型系數(shù)約-2.3。

(3)由于屋蓋中間抬起的緣故，高架候車(chē)大廳屋蓋在試驗(yàn)中出現(xiàn)較大的負(fù)壓區(qū)域。受到東、西立面幕墻和高架候車(chē)層封閉空間的影響，其屋蓋懸挑部分的上吸風(fēng)荷載要明顯高于其他屋蓋懸挑區(qū)域。

(4)在15m寬光谷兩側(cè)的屋面風(fēng)荷載變化較小，屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)及風(fēng)荷載并未受到屋蓋分開(kāi)的影響；雨棚柱上的鏤空區(qū)域?qū)τ谡w屋面相對(duì)較小，局部鏤空區(qū)域?qū)︼L(fēng)荷載的影響較小。

(5)在某些風(fēng)向角下，屋蓋和雨棚都會(huì)產(chǎn)生一邊受拉、另一邊受壓的受力特征，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)引起注意。

(6)列車(chē)風(fēng)作用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓力隨列車(chē)運(yùn)行不斷變化，為動(dòng)態(tài)荷載；單車(chē)過(guò)站列車(chē)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)壓峰值隨車(chē)體與結(jié)構(gòu)距離增大迅速衰減。

(7)列車(chē)以120km/h速度運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大豎向振動(dòng)加速度為0.000 8m/s2，對(duì)高架候車(chē)層的影響較??；以350km/h速度運(yùn)行通過(guò)時(shí)，最大豎向振動(dòng)加速度為0.15m/s2，對(duì)高架候車(chē)層跨中影響較大，但未超過(guò)規(guī)范限值0.15m/s2，尚能滿(mǎn)足舒適性要求。