高 濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路客運(yùn)專線、城際鐵路的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的大跨度鐵路客站站房及雨棚，與傳統(tǒng)鐵路站房相比，其具有自重輕、豎向周期偏大、阻尼較小等顯著特點(diǎn)[1]，屬于風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，因此風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)作用是不可忽略的[2]。由于站房及雨棚的復(fù)雜性和唯一性，不同造型的結(jié)構(gòu)具有自身特定的規(guī)律性，如女兒墻的高度、屋面坡度、檐口懸挑長度、雨棚與站房相對位置等，對風(fēng)荷載的取值和受力特征都有較大的影響。但是，現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)中并沒有給出對此類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)定，也沒有風(fēng)振系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算公式[3]。而準(zhǔn)確合理的風(fēng)荷載取值對確保結(jié)構(gòu)安全、控制工程造價(jià)都顯得十分重要[4]，所以對大型客站站房及雨棚進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究和分析是非常有必要的。

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究復(fù)雜工程中結(jié)構(gòu)風(fēng)的有效方法，在軍工及大型體育館建筑中已有很多研究成果[5]。從浙江大學(xué)對杭州市鐵路新客站進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究開始，我國對鐵路客站及雨棚的風(fēng)洞試驗(yàn)研究逐步發(fā)展并成熟。如哈爾濱西客站站房采用多目標(biāo)等效風(fēng)荷載分析方法[6]，得出該方法與動(dòng)力極值方法的一致性。武漢客站站房屋蓋和雨棚采用壓力方差的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[7]，得出吊頂鏤空與封閉的情況基本一致的結(jié)論。本文以某鐵路大型客站站房及雨棚為對象，通過風(fēng)洞試驗(yàn)給出建筑表面的平均壓力系數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過有限元風(fēng)致振動(dòng)分析，得到屋面各部分的風(fēng)振系數(shù)，計(jì)算不同風(fēng)向下的等效靜風(fēng)荷載，以用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。大型鐵路客站站房及雨棚鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 大型鐵路客站站房及雨棚鳥瞰

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本試驗(yàn)選取剛性模型作為試驗(yàn)對象，模型由ABS板和有機(jī)玻璃構(gòu)成，因此模型的剛度和強(qiáng)度均符合試驗(yàn)要求。為了符合風(fēng)洞阻塞率的幾何要求，同時(shí)考慮試驗(yàn)臺(tái)的容量，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀伪壤?∶200[9]，如圖2所示。

圖2 站房及雨棚模型外觀

試驗(yàn)共布置593個(gè)測點(diǎn)，其中站房屋面上測點(diǎn)位222個(gè)，由于雨棚上、下表面均受風(fēng)荷載作用，故在雨棚上、下表面分別布設(shè)測點(diǎn)，其上表面布設(shè)測點(diǎn)位244個(gè)，其下表面測點(diǎn)位127個(gè)。將1.2 mm×0.1 mm的不銹鋼管埋設(shè)在預(yù)先設(shè)計(jì)好的各個(gè)測點(diǎn)處，不銹鋼管長度方向與建筑物外表面垂直，且不能突出外表面，保證上表面與模型外表面處于同一平面，與實(shí)際環(huán)境一致。試驗(yàn)前對每個(gè)不銹鋼測壓管檢測，測壓孔全部有效。風(fēng)洞流場利用粗糙元、擋板、尖塔等擾流裝置進(jìn)行模擬B類場地。通過測量風(fēng)速設(shè)備，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，滿足力學(xué)相似的要求，可以得到可靠的試驗(yàn)測量值[10]。

1.2 平均風(fēng)壓系數(shù)

平均風(fēng)壓系數(shù)為體型系數(shù)與高度變化系數(shù)的乘積，為無量綱值。結(jié)合風(fēng)致振動(dòng)分析，通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，可確定建筑表面的平均壓力系數(shù)，為主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)值依據(jù)。限于篇幅，本文僅給出站房和雨棚各一風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖。圖3為270°風(fēng)向角下站房屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)分布；圖4為195°風(fēng)向角下雨棚的平均風(fēng)壓系數(shù)分布。

圖3 站房屋面風(fēng)壓系數(shù)分布

圖4 雨棚屋面風(fēng)壓系數(shù)分布

2 有限元風(fēng)致振動(dòng)分析

2.1 有限元模型

采用通用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行了站房和雨棚結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)分析，站房和雨棚的整體有限元模型如圖5所示，為了提高計(jì)算效率，將站房和雨棚分開分別進(jìn)行計(jì)算分析。

圖5 站房及雨棚整體計(jì)算模型

站房結(jié)構(gòu)有限元模型共25 136個(gè)單元、10 614個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要采用了梁單元Beam44和殼單元Shell63，其中20 445個(gè)梁單元主要模擬屋面鋼網(wǎng)殼以及混凝土梁柱構(gòu)件，4 691個(gè)殼單元用來模擬屋面板及混凝土樓板；雨棚結(jié)構(gòu)模型共1 620個(gè)單元、641個(gè)節(jié)點(diǎn)，亦采用梁單元Beam44和殼單元Shell63。雨棚沿縱向分為3個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，考慮到每部分節(jié)點(diǎn)不多，將雨棚3部分一起進(jìn)行計(jì)算。

2.2 自振特性分析

自振頻率是分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的重要參數(shù)，故先對結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)分析。利用有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)的分析，可以得到結(jié)構(gòu)各振型參與振動(dòng)的水平，選出對振動(dòng)參與最大的幾個(gè)振型。本文采用Ansys[11]有限元軟件分別對站房及雨棚進(jìn)行自振特性分析。

站房前7階自振頻率的情況如表1所示，基頻為1.17 Hz，可以看出該結(jié)構(gòu)形式屬于頻率密集型結(jié)構(gòu)。圖6給出了站房的第1、第2階結(jié)構(gòu)振型。

表1 站房自振頻率

圖6 站房振型

根據(jù)各振型可以看到，結(jié)構(gòu)的第1階振型主要表現(xiàn)為整體的水平振動(dòng)，而并非屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)，原因是該結(jié)構(gòu)的水平向剛度較弱?？傮w來看結(jié)構(gòu)水平剛度較弱而豎向剛度較強(qiáng)。

雨棚前7階自振頻率的分布情況如表2所示，結(jié)構(gòu)基頻為1.29 Hz，屬典型的頻率密集型結(jié)構(gòu)。圖7給出了雨棚的第1、第2階結(jié)構(gòu)振型。

表2 雨棚自振頻率

圖7 雨棚振型

根據(jù)各振型可以看到，雨棚的前兩個(gè)階振型主要表現(xiàn)為整體水平振動(dòng)，而并非屋蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)，這主要是雨棚柱子剛度較弱而屋蓋整體剛度較好。

2.3 風(fēng)振響應(yīng)分析方法

本文采用了非線性時(shí)程分析法對該屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，時(shí)程分析法是通過有限元法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)離散化，然后在相應(yīng)的各單元節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行風(fēng)荷載作用，通過在時(shí)間域內(nèi)解運(yùn)動(dòng)方程從而得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[12]。理論上講，這種方法可推廣到任何系統(tǒng)以及任意激勵(lì)，而且能夠求得比較完整的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的全過程信息。因此，這種方法成為分析處理大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的有效手段。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，最終確定風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法是直接基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的位移風(fēng)振系數(shù)和內(nèi)力風(fēng)振系數(shù)，其表達(dá)式如下[13]

(1)

(2)

其中，Dy為符號(hào)函數(shù)；σy為脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)均方差；g為峰值因子，其大小與1 h平均時(shí)間內(nèi)穿越荷載效應(yīng)平均值的次數(shù)有關(guān)，當(dāng)平均荷載效應(yīng)的概率分布為正態(tài)分布時(shí)，g可按式(3)計(jì)算，其中T為觀察時(shí)間(通常為1 h)，v為水平跨越數(shù)，其常用范圍在3.0～4.0，這里取為3.5[13]。

(3)

風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算采用公式(1)即可求得結(jié)構(gòu)中每根桿件內(nèi)力風(fēng)振系數(shù)和各個(gè)點(diǎn)內(nèi)力位移風(fēng)振系數(shù)。

2.4 風(fēng)振響應(yīng)分析研究

前述風(fēng)洞試驗(yàn)共進(jìn)行了24個(gè)風(fēng)向的風(fēng)試驗(yàn)，通過結(jié)果分析，取出風(fēng)作用影響較大的幾組風(fēng)向角作為風(fēng)振響應(yīng)分析的工況，各方向角如下。

站房：0°、75°、90°、180°、270°；

雨棚：0°、195°、210°、330°。

結(jié)合大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的風(fēng)振響應(yīng)，本文以節(jié)點(diǎn)豎向位移和桿件應(yīng)力作為風(fēng)振響應(yīng)指標(biāo)[14]。限于篇幅，本文僅給出站房270°風(fēng)向角和雨棚195°風(fēng)向角下的具體計(jì)算結(jié)果。

站房屋蓋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)豎向位移分布云圖如圖8所示，從圖8可以看出，屋蓋中部位移較周邊位移偏大，其原因是屋蓋跨中位置距框架柱的距離較遠(yuǎn)，豎向約束較弱，豎向剛度較弱，所以最大位移出現(xiàn)在屋蓋中部跨中位置處。圖9給出了內(nèi)力屋蓋結(jié)構(gòu)受力最大的桿件單元的位置，該靠近屋面網(wǎng)架支座處，所以設(shè)計(jì)中建議加強(qiáng)屋面網(wǎng)架支座處桿件的構(gòu)造措施。

圖8 站房屋面極值位移分布(單位:m)

圖9 站房屋面最大內(nèi)力桿位置

圖10 雨棚極值位移分布云圖(單位:m)

圖10給出了雨棚節(jié)點(diǎn)最大位移分布云圖，可以看出邊緣位移較大，其原因是該位置支承條件較弱。雨棚最大位移節(jié)點(diǎn)和最大內(nèi)力桿位置如圖11所示，可看出雨棚整體結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)位于雨棚邊跨的斜支撐桿處。

圖11 雨棚最大內(nèi)力桿位置

根據(jù)時(shí)程分析和統(tǒng)計(jì)方法，確定結(jié)構(gòu)在各最不利風(fēng)向角下的極值響應(yīng)及對應(yīng)的整體風(fēng)振系數(shù)見表3、表4。

表3 各風(fēng)向角下站房屋面結(jié)構(gòu)極值響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)

表4 各風(fēng)向角下雨棚結(jié)構(gòu)極值響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)

從表3可以看出，對于站房屋面結(jié)構(gòu)，風(fēng)振最大位移為3.34 cm，發(fā)生在180°風(fēng)向角，最大內(nèi)力為174.34 MPa，發(fā)生在270°風(fēng)向角，結(jié)合位移和內(nèi)力兩個(gè)因素考慮，270°為站房最不利風(fēng)向角。從表4可以看到，雨棚風(fēng)振最大位移為2.57 cm，最大內(nèi)力為89.08 MPa，均發(fā)生在195°風(fēng)向角下，195°為雨棚最不利風(fēng)向角。

3 等效靜風(fēng)荷載

等效靜風(fēng)荷載是根據(jù)由風(fēng)洞試驗(yàn)得到平均壓力系數(shù)，乘以由有限元分析得到的風(fēng)振系數(shù)，再乘當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓得到，其可作為標(biāo)準(zhǔn)值直接用于主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。站房及雨棚屋面的等效靜風(fēng)荷載如圖12、圖13所示。

圖12 站房屋面等效靜風(fēng)荷載

圖13 雨棚等效靜風(fēng)荷載

從圖12可以看出，順風(fēng)向站房屋面的風(fēng)荷載值衰減比較明顯，較現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定的單一風(fēng)荷載取值更為合理。特別是對于大跨度屋面，合理分段選用風(fēng)荷載值，對屋面構(gòu)件的設(shè)計(jì)影響較大，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性；從圖13可以看出，雨棚屋面風(fēng)荷載值亦為順風(fēng)向遞減明顯，但由于受站房的影響，雨棚屋面在靠近站房附近一定范圍內(nèi)形成高壓旋渦，局部風(fēng)荷載較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。總體來看，站房及雨棚屋面風(fēng)荷載最大值一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的外側(cè)邊緣地帶，主體結(jié)構(gòu)及屋面圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取加強(qiáng)措施[15]。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及文獻(xiàn)[16]對四面開敞結(jié)構(gòu)中提出體系系數(shù)要考慮變號(hào)，即雨棚屋面可能出現(xiàn)正風(fēng)壓，而在本試驗(yàn)中風(fēng)荷載并未出現(xiàn)正風(fēng)壓，與所采用的模型剛度和體型有一定的關(guān)系。建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)雪荷載等其他屋面活荷載的大小，適當(dāng)考慮正風(fēng)壓的作用。

4 結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

(1)結(jié)合模型風(fēng)洞試驗(yàn)及有限元風(fēng)致振動(dòng)分析，得出了站房和雨棚在不利風(fēng)向角下的風(fēng)振系數(shù)和等效靜風(fēng)荷載，可直接用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下，站房屋面跨中最大位移為3.34 cm(向上)，發(fā)生在270°風(fēng)向角下；雨棚屋面最大位移為2.57 cm(向上)，發(fā)生在195°風(fēng)向角下。最大位移均發(fā)生在迎風(fēng)側(cè)的屋面邊緣處，與屋面最大等效靜風(fēng)荷載值位置基本一致，因此應(yīng)加強(qiáng)邊緣處主體結(jié)構(gòu)及圍護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

(3)對于站房和雨棚屋面風(fēng)荷載，其值均順風(fēng)向遞減，因此設(shè)計(jì)中可對屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載進(jìn)行分區(qū)段取值，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(4)建議在雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)雪荷載等其他屋面活荷載的大小，適當(dāng)考慮正風(fēng)壓的作用。

[1] 劉丹，黃本才，史益軍.復(fù)雜雙側(cè)大懸挑屋蓋平均風(fēng)壓數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2007，16(3)：38-42.

[2] 堯國皇，譚偉，張進(jìn)軍，等.惠陽體育會(huì)展中心上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(4)：32-37

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 韓志偉.鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2011(6)：28-32.

[5] 肖勇.青島新火車站主站房風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2001：4-5.

[6] 吳迪，武岳，孫瑛，等.大跨度鐵路站房屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)與等效靜風(fēng)荷載研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33(1)：43-50.

[7] 陳凱，何連華，符龍彪.武漢火車站站房屋蓋和雨棚風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009(1)：16-19.

[8] 侯信真.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2009：10-11.

[9] 彭留留，黃國慶，李明水，等.某機(jī)場新航站樓風(fēng)壓分布特征及風(fēng)振系數(shù)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(4)：572-579.

[10] 楊麗.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的研究[J].建筑科學(xué)，2011(S2)：117-122.

[11] 江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：20-30，50-63.

[12] 趙雪崢，鄭阿妮，隋慶海.深圳大運(yùn)中心體育館風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析與研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(4)：109-112.

[13] 史益軍，黃本才，劉丹.體育館大跨屋蓋空間風(fēng)振分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2008，17(1)：21-24.

[14] 畢磊，劉松華，任志彬，等.天津海河教育園區(qū)體育中心風(fēng)洞試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013(S1)：977-981.

[15] 朱曉華，高敏杰.中美屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭對比試驗(yàn)及結(jié)果分析[J].中國建筑防水，2011(19)：6-12.

[16] 溫四清，董衛(wèi)國，邱劍.鐵路客站站臺(tái)雨棚風(fēng)荷載計(jì)算探討[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2012(5)：55-59.