哈大客運專線雙臺四線雨棚數值風洞模擬

田承昊，米宏廣，王彥芳，齊雅榮

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

空間結構自重輕、柔性大、阻尼小、自振頻率較低，對風荷載十分敏感，且隨著跨度的增加和輕質屋面材料的使用，風敏感性不斷增強，風荷載往往成為這些結構設計的控制荷載［1-3]。哈大客運專線沿線無站臺柱雨棚屋蓋為波浪形，四周開敞，雙側懸挑7.5 m，站臺柱雨棚由多榀剛架組成，結構采用空間桁架體系，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。該屋蓋結構是一種典型的風敏感結構，風荷載是控制結構設計的主要荷載之一。對于這種體型相對獨特的四周開敞式單跨雙挑波型屋蓋，現行的《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)［4]無法提供對應的風荷載體型系數，主要通過風洞試驗獲得。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理論的數值模擬方法研究結構風荷載［5-7]，以用于結構的初步設計。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壓進行了數值模擬。

1 計算方法及參數選取

雨棚其四周開敞式的建筑特點決定了數值風洞計算可以做以下簡化:不考慮雨棚格構柱及主桁架的影響;不考慮雨棚周邊環境的影響;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，風向角為90°時，據大量風洞試驗數據可知，風對雨棚影響最小，數值模擬可以忽略該風向角的研究，故可只研究0°、45°二個風向角。計算方法及參數見表1。

表1 計算方法及參數

2 數值模擬

2.1 幾何建模及網格劃分

進行建筑物風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所示的雨棚結構沿長軸取3跨作為分析計算對象，實體模型在CITIA V5軟件中制作，使用流體力學專用網格劃分軟件ICEM-CFD進行網格劃分，然后把實體模型和網格劃分結果導入Fluent6.3軟件上去進行流場分析。為了讓計算邊界條件更符合實際物理邊界條件，數值風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。計算采用的體網格均為6面體，雨棚局部模型如圖2所示，網格劃分如圖3所示。

2.2 邊界條件的設定

CFD模擬中，計算域的尺寸、計算網格、對流項插值階數、湍流模型是模擬結果準確與否的關鍵因素。

圖1 計算域

圖2 雨棚局部模型

圖3 網格劃分

(1)進流面:流域的進流面選用速度入口(velocity inlet)。速度邊界條件為

式中，z0、u0分別為標準高度和標準高度處的平均風速，取分別是流域中任意高度和對應的平均風速;α為風速剖面指數，取0.16，使用Fluent提供的用戶自定義函數功能來實現。

(2)出流面:采用完全發展出流邊界條件。

(3)流域頂部和兩側: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 計算結果及分析

數值結果表明，站臺雨棚承受的風壓以負壓(吸力)為主，僅在個別位置出現較小的正壓。適度對不同風向角下的雨棚體型系數做包絡處理，沿垂直軌道方向，即順0°風向角，由遠及近，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。

對模擬結果數據進行分析、歸納，0°風向角下體型系數分布如圖4所示，對所有數據處理后可以得出不同風向角下4個分區體型系數參考值隨風向角變化的曲線(圖5)。

以風向角來分析，有3類典型風向角值得注意:

一是0°或180°風向，風垂直軌道方向吹來，雨棚風壓系數最大，為最不利情況;

二是90°或270°風向，此時風順股道方向吹來，由于雨棚表面絕大部分均處于尾流區域，平均壓力系數較小，通常在±0.3以內;

圖4 單跨雙挑雨棚在0°風向角下體型系數分布

圖5 分區體型系數參考值隨風向角變化的曲線

三是小角度斜吹時的局部壓力分布相對較大。

4 結論

(1)此類結構對風有過敏反應，設計時應考慮橫向剖面各迎風弧面及各跨相交區域附近體型系數值變號的情況。

(2)順軌道方向雨棚屋面基本處于全吸狀態;垂直軌道及斜向小角度風作用下，雨棚迎風面有較大正風壓，正風壓隨仰角變大有增大趨勢。

(3)從工程應用角度，采用數值模擬方法預測雙懸挑雨棚的表面風壓分布進行初步設計是可行的，但完全使用化還需理論的突破。

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