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        哈大客運(yùn)專線雙臺四線雨棚數(shù)值風(fēng)洞模擬

        2012-08-04 06:34:06田承昊米宏廣王彥芳齊雅榮
        關(guān)鍵詞:雨棚體型風(fēng)壓

        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(yùn)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(dú)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].

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