陳弈潛，袁偉斌，徐星浩

（浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江 杭州 310014）

大跨度結構廣泛運用于建筑當中，如大劇院、客運站、體育館。隨著城際鐵路的快速發(fā)展，大跨度雨棚也大量應用于鐵路客運站中。這一類建筑對風荷載極其敏感，使得風荷載在前期建筑結構抗風設計中越來越重要。這一類大跨度建筑因其追求高要求的空間結構，從現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》中無法找到對應的風荷載體型系數(shù)，更無法得出建筑上的的風壓分布規(guī)律和風振系數(shù)［1］。目前對風荷載的研究方法主要有全尺度實測、風洞試驗、理論分析和數(shù)值模擬?，F(xiàn)場實測是最直接有效的方法，但是這種方法對人力物力消耗巨大，且無法在建筑物設計階段對建筑進行風荷載實測，具有一定的局限性；風洞試驗作為目前的最主要的和重要的研究方法能夠比較準確地模擬實驗條件，如氣流的速度、壓力、溫度等，但這種方法也存在許多不足，包括費用高昂，無法準確模擬建筑周邊風環(huán)境等等。相比之下利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）原理在計算機上模擬建筑物周圍的風環(huán)境方法具有明顯的優(yōu)勢。數(shù)值模擬是研究復雜工程中結構風荷載有效且經(jīng)濟的方法。

在大跨度建筑研究中已有很多研究成果。顧明等［2］對上海南站屋蓋結構的平均風荷載進行了數(shù)值模擬分析，并討論了屋蓋懸挑高度對風荷載的影響。沈國輝等［3］對某航站樓復雜體型屋蓋結構上的風荷載分布進行了數(shù)值模擬分析。盧春玲［4］對復雜高層及大跨度屋蓋建筑結構風效應進行了數(shù)值風洞研究。董欣等［5］研究了大跨度平屋蓋表面風荷載體型系數(shù)。張清文［6］對大跨度懸挑屋蓋結構的風荷載特性進行了研究。沈國輝［7］研究了大跨度屋蓋結構和四面懸挑的航站樓表面的風荷載。本文采用計算流體動力學方法，運用數(shù)值模擬方法對鐵路客運站雨棚風荷載體型系數(shù)進行模型計算，得到相應的數(shù)據(jù)與結果，分析后與規(guī)范相比較，得出建設性結論。具體方法是采用ICEMCFD 17.0軟件和計算流體動力學軟件FLUENT 17.0進行建模和計算［8-10］。

1 CFD數(shù)值模擬理論

1.1 流體控制方程

雨棚周圍流體運動必須滿足質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，即滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程［11］。本文沒有考慮流體運動過程中與雨棚的熱交換，故在控制方程求解中不考慮能量方程。

1）連續(xù)性方程

式（1）中，ρ為流體密度；u、v、w分別為速度在x、y、z坐標軸上的速度分量。式（2）為式（1）的簡化，U表示速度，▽表示哈米頓算子。

2）動量方程守恒

式（3）中，P是微元體上的壓力；σij（i，j＝x，y，z）是微元體表面受分子間的黏性作用產(chǎn)生的黏性應力分量，F(xiàn)i（i＝x，y，z）是微元體的體力。

1.2 湍流計算模型

合適的湍流模型是保證計算精度的關鍵因素，RNGκ-ε湍流模型由于其應用廣泛、計算效率快且精度合理，已經(jīng)是目前廣泛應用的湍流模型［12］。

1.3 CFD的數(shù)值計算流程

由于流體實際計算中有一定的復雜性，直接求解控制方程往往難得到解析解，所以需要將流場劃分為有限的流體單元進行離散來求得其近似解。目前主要的數(shù)值計算方法有：有限差分法、有限體積法和有限單元法。求解計算流程見圖1。

圖1 CFD求解流程

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

用于計算的簡化模型按照1∶1尺寸建立，見圖2。

圖2 計算簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分

在計算流體動力學模擬中，網(wǎng)格尺度和網(wǎng)格質量對計算精度和計算效率有重要影響。由于建筑表面區(qū)域和尾流區(qū)域流動變化比較劇烈，因此對建筑表面以及尾流區(qū)域進行網(wǎng)格加密，其他區(qū)域按照一定的梯度逐漸增大網(wǎng)格的尺寸。采用計算域為2 250 m×1 950 m×300 m的立方體［13］。為了更好地體現(xiàn)模型局部特征并捕捉壁面流動特征，全域主要采用非結構網(wǎng)格，并在雨棚、匝道雨棚、地面添加附面層網(wǎng)格。雨棚壁面處網(wǎng)格尺度為2 m，遠場網(wǎng)格尺度為10 m，網(wǎng)格從雨棚處按照1∶1比例向外擴張。為體現(xiàn)局部特征，在模型較為復雜位置及曲率較大位置均有加密處理［14］。

本文一共建立了兩套網(wǎng)格，第二套網(wǎng)格數(shù)約為第一套網(wǎng)格數(shù)的1.5倍。根據(jù)兩套網(wǎng)格對流場的計算表現(xiàn)，選取第二套網(wǎng)格開展計算。最終選用的網(wǎng)格總數(shù)為2 664 162。網(wǎng)格分布見圖3。

圖3 網(wǎng)格分布

2.3 邊界條件確定

邊界條件即來流風速根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》［15］確定。查得該地100年一遇基本風壓為0.5（高度10 m），最終選擇風壓0.5進行計算。根據(jù)風壓W與風速V0的關系，見式（5），確定風速為28.28 m/s。

采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），考慮大氣邊界層，平均風速剖面為：

式（6）中，y為高度，α為地面粗糙度指數(shù)。根據(jù)B類地面粗糙度，α取0.16。

計算域頂部為對稱邊界條件，雨棚表面與地面采用無滑移壁面條件。其余四周邊界根據(jù)來流方向，當邊界位于來流下方時，設置為出口邊界，對應上方邊界為速度入口。出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet）［16］。

2.4 數(shù)值方法

數(shù)值模擬對控制方程進行離散時使用有限體積法和對控制方程進行求解時采用雙精度分離式求解器。流場速度-壓力耦合采用Coupled算法，可有效提高非結構網(wǎng)格的計算精度。湍流模型對數(shù)值風洞的計算精度影響較大。由于計算模型較為復雜，且雨棚頂部曲率變化較大，易發(fā)生流動分離等現(xiàn)象?？紤]這一因素，采用能夠更好模擬流動分離的RNGκ-ε湍流模型，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)。根據(jù)壁面函數(shù)要求，雨棚壁面y+值保持在30～100之間。計算過程中首先采用穩(wěn)態(tài)方法計算，但為提高收斂性，計算一定時間后采用非穩(wěn)態(tài)方法計算。

2.5 收斂性條件

收斂性判斷主要通過監(jiān)測流場中變量的變化與計算殘差。對于流場中變量的變化，當變量值隨時間不變時或者在一個穩(wěn)定的平均值附近穩(wěn)定波動，且每時間步殘差收斂至5e-5，可認為計算收斂。

3 結果分析

由于該大跨度鐵路客運站雨棚具有嚴格的對稱性，本論文僅對0°、30°、60°、90°的風向角進行了模擬分析。見圖4。

圖4 來流風向角示意

3.1 速度云圖結果分析及分布規(guī)律

圖5首先給出了側視角度速度云圖截面。由圖5可以看出，由于來流存在大氣邊界層效應，隨著高度的上升，來流逐漸增大。對于全覆蓋雨棚（兩側為匝道雨棚）附近的流動，來流沖擊至全覆蓋雨棚迎風面時速度有所降低，對應壓力增大，因此具有較大的體型系數(shù)，見圖5a）。當流體由雨棚迎風面流動至雨棚上側時，由于會流經(jīng)一個曲面，產(chǎn)生加速的過程。當流體速度增大，對應壓力將有所減小，并在雨棚上表面形成較大范圍的低壓區(qū)域，從而體型系數(shù)較小，見圖5b）。此外，還可以看到流體在即將離開全覆蓋雨棚時，開始出現(xiàn)分離流。流動分離的出現(xiàn)，促進了分離區(qū)域與上方主流區(qū)域的速度壓力平衡，從而壓力有所回升，體型系數(shù)相比于流體分離之前有所增大。

圖5 來流速度云圖（側視）

3.2 體型系數(shù)結果分析及分布規(guī)律

比較圖6～9可知，0°風向角下，迎風面的風荷載體型系數(shù)較90°風向角下大得多，尤其是0°風向角下的屋蓋體型系數(shù)最大數(shù)值為-0.83，但兩邊風荷載體型系數(shù)逐漸減小為0。雨棚的迎風側以正壓為主，屋蓋處出現(xiàn)負壓，在屋蓋處風壓梯度變化較大，整個屋蓋受力極不均勻易產(chǎn)生破壞。背風側處于尾流區(qū)，以體型系數(shù)負壓為主，其數(shù)值范圍約在-0.52～-0.83。屋蓋處體型系數(shù)分布較為離散，在屋蓋處及懸挑部分體型系數(shù)絕對值達到最大值，此處風吸作用較強。該現(xiàn)象在各個角度都普遍存在，所以須在屋蓋頂部處和懸挑處進行加固，來防止被破壞。90°風向角下，迎風面?zhèn)忍庴w型系數(shù)較風向角0°則小了很多，大部分屋蓋體型系數(shù)都為負值且數(shù)值較小，只在迎風面局部處體型系數(shù)出現(xiàn)激增。拱門兩側均為負值，主要是繞流引起的，后半雨棚從較大負壓變?yōu)檩^小負壓，后半雨棚處于尾流處體型系數(shù)變化不大，且在后半雨棚懸挑處出現(xiàn)再附著，體型系數(shù)由負轉正。

隨著風向角增大，由于迎風面積減小，從而導致雨棚各區(qū)域所受正負風壓絕對值減小，對應區(qū)域的體型系數(shù)下降。同時，根據(jù)圖6所示，隨著風向角改變，雨棚正面的停滯點也向角部偏移，該區(qū)域體型系數(shù)下降。在風向角為90°時，雨棚殼面與來流方向平行，所受風荷載幾乎為0，但是由于仍有一定厚度的影響，可將該局部區(qū)域流動視為鈍體繞流流動，在殼的角部產(chǎn)生分離流，由于分離渦的作用導致該區(qū)域呈負壓狀態(tài)。同時弧形圓頂殼面也與來流風向平行，所受風荷載幾乎為0，所受負壓原理和正面區(qū)域相同。對于背風側體型系數(shù)，隨側向角度增大，分別為-0.28、-0.39、-0.35、-0.2，存在先減小后增大的趨勢。原因主要是在風向角為30°和60°時，背風面不僅受到弧形圓頂來流影響，還受到兩側懸挑來流影響，故該區(qū)域流動復雜，所受負壓較大。

綜上所述，該雨棚的最不利風向角為0°，在該角度下的體型系數(shù)見圖6。

圖6 風向角為0°時數(shù)值模型體型系數(shù)

4 結 語

通過分析大跨度雨棚結構不同風向角下體型系數(shù)分布規(guī)律，得到以下結論：1）大跨度雨棚屋面各區(qū)域中最大風荷載體型系數(shù)均為負值，表明雨棚屋面總風壓受負壓控制，即受吸力的控制。屋蓋中心風荷載體型系數(shù)達到了最大值，在設計中應重點考慮最不利狀態(tài)；2）建筑表面風壓分布會隨著風向角的變化而改變，隨著來流側向角度的增大，由于對迎風面的沖擊逐漸減弱，體型系數(shù)逐漸減小，直至來流側向90°時減小至-0.2；3）對于雨棚上表面，由于迎風面的沖擊弱，流體在流至上表面的加速也小，整體上體型系數(shù)逐漸增大；4）對于背風側體型系數(shù)，隨側向角度增大，分別為-0.28、-0.39、-0.35、-0.2，存在先減小后增大的趨勢。對于背風面?zhèn)认騺砹鞯挠绊懸蛩?，除流動分離外，還應考慮側向來流對其的影響。

圖7 風向角為30°時數(shù)值模型體型系數(shù)

圖8 風向角為60°時數(shù)值模型體型系數(shù)

圖9 風向角為90°時數(shù)值模型體型系數(shù)