某鐵路客站站房及雨棚風洞試驗研究及分析

高 濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路客運專線、城際鐵路的快速發展，出現了越來越多的大跨度鐵路客站站房及雨棚，與傳統鐵路站房相比，其具有自重輕、豎向周期偏大、阻尼較小等顯著特點[1]，屬于風荷載敏感結構，因此風荷載對結構的脈動作用是不可忽略的[2]。由于站房及雨棚的復雜性和唯一性，不同造型的結構具有自身特定的規律性，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，對風荷載的取值和受力特征都有較大的影響。但是，現行的《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)中并沒有給出對此類結構的抗風設計規定，也沒有風振系數的經驗數據及計算公式[3]。而準確合理的風荷載取值對確保結構安全、控制工程造價都顯得十分重要[4]，所以對大型客站站房及雨棚進行風洞試驗研究和分析是非常有必要的。

風洞試驗是研究復雜工程中結構風的有效方法，在軍工及大型體育館建筑中已有很多研究成果[5]。從浙江大學對杭州市鐵路新客站進行風洞試驗研究開始，我國對鐵路客站及雨棚的風洞試驗研究逐步發展并成熟。如哈爾濱西客站站房采用多目標等效風荷載分析方法[6]，得出該方法與動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計學方法[7]，得出吊頂鏤空與封閉的情況基本一致的結論。本文以某鐵路大型客站站房及雨棚為對象，通過風洞試驗給出建筑表面的平均壓力系數，在此基礎上通過有限元風致振動分析，得到屋面各部分的風振系數，計算不同風向下的等效靜風荷載，以用于主體結構設計[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 風洞試驗

1.1 試驗模型

本試驗選取剛性模型作為試驗對象，模型由ABS板和有機玻璃構成，因此模型的剛度和強度均符合試驗要求。為了符合風洞阻塞率的幾何要求，同時考慮試驗臺的容量，試驗模型的幾何比例取為1∶200[9]，如圖2所示。

圖2 站房及雨棚模型外觀

試驗共布置593個測點，其中站房屋面上測點位222個，由于雨棚上、下表面均受風荷載作用，故在雨棚上、下表面分別布設測點，其上表面布設測點位244個，其下表面測點位127個。將1.2 mm×0.1 mm的不銹鋼管埋設在預先設計好的各個測點處，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，與實際環境一致。試驗前對每個不銹鋼測壓管檢測，測壓孔全部有效。風洞流場利用粗糙元、擋板、尖塔等擾流裝置進行模擬B類場地。通過測量風速設備，經過反復調試，滿足力學相似的要求，可以得到可靠的試驗測量值[10]。

1.2 平均風壓系數

平均風壓系數為體型系數與高度變化系數的乘積，為無量綱值。結合風致振動分析，通過剛性模型測壓風洞試驗，可確定建筑表面的平均壓力系數，為主體結構設計提供重要的數值依據。限于篇幅，本文僅給出站房和雨棚各一風向角下的平均風壓系數分布圖。圖3為270°風向角下站房屋面的平均風壓系數分布；圖4為195°風向角下雨棚的平均風壓系數分布。

圖3 站房屋面風壓系數分布

圖4 雨棚屋面風壓系數分布

2 有限元風致振動分析

2.1 有限元模型

采用通用有限元分析軟件Ansys進行了站房和雨棚結構的風振反應分析，站房和雨棚的整體有限元模型如圖5所示，為了提高計算效率，將站房和雨棚分開分別進行計算分析。

圖5 站房及雨棚整體計算模型

站房結構有限元模型共25 136個單元、10 614個節點，主要采用了梁單元Beam44和殼單元Shell63，其中20 445個梁單元主要模擬屋面鋼網殼以及混凝土梁柱構件，4 691個殼單元用來模擬屋面板及混凝土樓板；雨棚結構模型共1 620個單元、641個節點，亦采用梁單元Beam44和殼單元Shell63。雨棚沿縱向分為3個獨立的結構單元，考慮到每部分節點不多，將雨棚3部分一起進行計算。

2.2 自振特性分析

自振頻率是分析結構動力響應的重要參數，故先對結構的自振特性進行分析，再進行結構風致振動響應分析。利用有限元軟件進行動力響應的分析，可以得到結構各振型參與振動的水平，選出對振動參與最大的幾個振型。本文采用Ansys[11]有限元軟件分別對站房及雨棚進行自振特性分析。

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

表1 站房自振頻率

圖6 站房振型

根據各振型可以看到，結構的第1階振型主要表現為整體的水平振動，而并非屋蓋網架結構豎向振動，原因是該結構的水平向剛度較弱。總體來看結構水平剛度較弱而豎向剛度較強。

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

表2 雨棚自振頻率

圖7 雨棚振型

根據各振型可以看到，雨棚的前兩個階振型主要表現為整體水平振動，而并非屋蓋結構豎向振動，這主要是雨棚柱子剛度較弱而屋蓋整體剛度較好。

2.3 風振響應分析方法

本文采用了非線性時程分析法對該屋蓋結構進行風振響應分析，時程分析法是通過有限元法實現結構離散化，然后在相應的各單元節點上進行風荷載作用，通過在時間域內解運動方程從而得到結構的響應[12]。理論上講，這種方法可推廣到任何系統以及任意激勵，而且能夠求得比較完整的結構動力響應的全過程信息。因此，這種方法成為分析處理大跨屋蓋結構風振響應的有效手段。

根據本工程的特點，最終確定風振系數的計算方法是直接基于結構響應的位移風振系數和內力風振系數，其表達式如下[13]

(1)

(2)

其中，Dy為符號函數；σy為脈動風響應均方差；g為峰值因子，其大小與1 h平均時間內穿越荷載效應平均值的次數有關，當平均荷載效應的概率分布為正態分布時，g可按式(3)計算，其中T為觀察時間(通常為1 h)，v為水平跨越數，其常用范圍在3.0～4.0，這里取為3.5[13]。

(3)

風振系數的計算采用公式(1)即可求得結構中每根桿件內力風振系數和各個點內力位移風振系數。

2.4 風振響應分析研究

前述風洞試驗共進行了24個風向的風試驗，通過結果分析，取出風作用影響較大的幾組風向角作為風振響應分析的工況，各方向角如下。

站房：0°、75°、90°、180°、270°；

雨棚：0°、195°、210°、330°。

結合大跨屋蓋結構的特點和設計人員所關心的風振響應，本文以節點豎向位移和桿件應力作為風振響應指標[14]。限于篇幅，本文僅給出站房270°風向角和雨棚195°風向角下的具體計算結果。

站房屋蓋結構節點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，豎向約束較弱，豎向剛度較弱，所以最大位移出現在屋蓋中部跨中位置處。圖9給出了內力屋蓋結構受力最大的桿件單元的位置，該靠近屋面網架支座處，所以設計中建議加強屋面網架支座處桿件的構造措施。

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給出了雨棚節點最大位移分布云圖，可以看出邊緣位移較大，其原因是該位置支承條件較弱。雨棚最大位移節點和最大內力桿位置如圖11所示，可看出雨棚整體結構薄弱點位于雨棚邊跨的斜支撐桿處。

圖11 雨棚最大內力桿位置

根據時程分析和統計方法，確定結構在各最不利風向角下的極值響應及對應的整體風振系數見表3、表4。

表3 各風向角下站房屋面結構極值響應及風振系數

表4 各風向角下雨棚結構極值響應及風振系數

從表3可以看出，對于站房屋面結構，風振最大位移為3.34 cm，發生在180°風向角，最大內力為174.34 MPa，發生在270°風向角，結合位移和內力兩個因素考慮，270°為站房最不利風向角。從表4可以看到，雨棚風振最大位移為2.57 cm，最大內力為89.08 MPa，均發生在195°風向角下，195°為雨棚最不利風向角。

3 等效靜風荷載

等效靜風荷載是根據由風洞試驗得到平均壓力系數，乘以由有限元分析得到的風振系數，再乘當地的基本風壓得到，其可作為標準值直接用于主體結構的設計。站房及雨棚屋面的等效靜風荷載如圖12、圖13所示。

圖12 站房屋面等效靜風荷載

圖13 雨棚等效靜風荷載

從圖12可以看出，順風向站房屋面的風荷載值衰減比較明顯，較現行《建筑結構荷載規范》中規定的單一風荷載取值更為合理。特別是對于大跨度屋面，合理分段選用風荷載值，對屋面構件的設計影響較大，關系到結構設計的安全性和經濟性；從圖13可以看出，雨棚屋面風荷載值亦為順風向遞減明顯，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形成高壓旋渦，局部風荷載較大，設計時應引起重視。總體來看，站房及雨棚屋面風荷載最大值一般出現在結構的外側邊緣地帶，主體結構及屋面圍護設計時應采取加強措施[15]。

《建筑結構荷載規范》及文獻[16]對四面開敞結構中提出體系系數要考慮變號，即雨棚屋面可能出現正風壓，而在本試驗中風荷載并未出現正風壓，與所采用的模型剛度和體型有一定的關系。建議在實際設計中，應根據雪荷載等其他屋面活荷載的大小，適當考慮正風壓的作用。

4 結論與設計建議

(1)結合模型風洞試驗及有限元風致振動分析，得出了站房和雨棚在不利風向角下的風振系數和等效靜風荷載，可直接用于主體結構設計。

(2)在脈動風荷載作用下，站房屋面跨中最大位移為3.34 cm(向上)，發生在270°風向角下；雨棚屋面最大位移為2.57 cm(向上)，發生在195°風向角下。最大位移均發生在迎風側的屋面邊緣處，與屋面最大等效靜風荷載值位置基本一致，因此應加強邊緣處主體結構及圍護構件的設計。

(3)對于站房和雨棚屋面風荷載，其值均順風向遞減，因此設計中可對屋面結構風荷載進行分區段取值，以確保結構設計的安全性和經濟性。

(4)建議在雨棚結構設計時，根據雪荷載等其他屋面活荷載的大小，適當考慮正風壓的作用。

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