冷彎薄壁型鋼蒙古包風雪作用下仿真研究

陳 明，王一凡

(內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭014010)

1 引言

本文的研究對象為基于草原地區的一種新型房屋結構即冷彎薄壁型鋼蒙古包，該房屋結構具有易拆卸、易安裝、綠色環保等諸多優點，該房屋結構的出現將會改變草原地區人民的居住條件。冷彎薄壁型鋼蒙古包質量輕、柔性大的特點決定了其控制荷載是風荷載與雪荷結載，在較強的風荷載和大量雪荷載共同作用下該結構可能會因動力失穩而發生倒塌[1～5]，因此本文對冷彎薄壁型鋼蒙古包風雪荷載作用下受力性能進行研究。

風雪荷載的研究始于20世紀中葉。目前，主要的研究方法是實地觀察、風洞試驗、數值模擬[8]等。與其它兩個方法，在滿刻度模擬，和方便的參數分析進行比較的方面，數值模擬具有明顯的優勢。因此， 隨著計算機技術的成熟以及各種仿真軟件的出現，數值模擬技術發展很快。

本文首先通過計算流體動力學方法，得到蒙古包風荷載體型系數，并與我國規范[12]中的風荷載體型系數進行對比，然后將屋頂風雪耦合效應進行仿真模擬，以獲得屋頂上的積雪漂移后的不均勻分布圖，并與現場觀測到的不均勻雪荷載分布進行對比，最后將風雪荷載以0°和30°風向角分別作用于蒙古包剛架，驗證結構可靠性，得到不利風向角。

2 風荷載體型系數對比

2.1 結構簡介

建立冷彎薄壁型鋼蒙古包剛架結構模型如圖1(a)所示，跨度為9m，檐口高度為4.8m，斜梁傾角為30°，從《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》附錄B中選取相應的梁柱C型鋼截面尺寸，梁截面尺寸選為C160mm×60mm×20mm×2.5mm，柱截面尺寸選為C200mm×70mm×20mm×2.5mm[10]。梁柱節點板、柱腳節點板、梁梁節點板均采用8mm厚多邊形熱軋鋼板；節點處均采用8.8級M20摩擦型高強螺栓連接。采用極限狀態法對該結構進行強度、穩定性和剛度設計，使其滿足規范要求。在剛架結構上加蓋蒙皮圍護結構與天窗，如圖1(b)所示，加蓋蒙皮圍護結構和天窗后的模型圖如圖1(c)所示。

圖1 結構模型圖

2.2 風荷載體型系數對比

將本文研究對象與《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》[11]中的30°雙坡屋面結構進行類比，風荷載統一選取為0.55kN/，如圖2所示，在①～⑤的每個面上分別布置5個測點，共25個測點。利用式(1)及式(2)分別得到5個面的風荷載體型系數μs，并與上述規范中的系數進行對比，對比結果見表1。

圖2 測點示意圖

(2)

式中，ωi——模擬得到的i點風壓；

Ui——i點處的來流平均風速；

ρ——空氣密度；

Ai——測點i所對應的面積。

表1 風荷載體型系數μs

根據對比后的結果可以發現，①(迎風墻面)、③(背風屋面)、⑤(山墻)風荷載體型系數與規范中基本吻合，而②(迎風屋面)與④(背風墻面)的風荷載體型系數與規范中的正負值不一致，出現了變號的情況，原因在于風荷載所引起的風壓方向不同，其中②(迎風屋面)模擬出的風壓為負壓，而規范中所提供的為正壓，而④(背風墻面)模擬出的風壓為正壓，而規范中所提供的為負壓，由于本文研究對象橫截面為圓形，而規范中為方形，說明房屋橫截面形狀對于風場的影響是比較明顯的，以④(背風墻面)模擬結果為例，如圖3所示，可以明顯看到規范當中的房屋背風墻面風壓為負壓，而本文研究對象背風墻面風壓為正壓。

圖3 背風墻面風壓對比圖

3 風雪荷載作用的仿真模擬

基于FLUENT軟件平臺，進行風雪荷載作用模擬，假設風吹雪使得雪發生漂移而雪的變化不會影響風場[12，13]，參考《建筑結構荷載規范》[14]中提供的積雪分布規律對屋面雪荷載進行設置，通過CFD軟件，得到風吹雪一定時間后屋面積雪的不均勻分布。

3.1 CFD計算模型

將加蓋蒙皮圍護結構的蒙古包模型放置在設定的外流場內進行CFD分析，外流場的尺寸設定為風荷載來流方向長度150m，垂直來流方向80m，豎向高度為60m。基本風壓設置為內蒙地區50年一遇風荷載，為0.55kN/(7級風，風速20m/s)進行計算。

圖4 三維流場計算網格與局部計算網格

雪在風的作用下被侵蝕或沉積是由壁面附近的風速來確定的。當風速超過臨界速度，壁面上的雪顆粒將發生侵蝕。當風速小于臨界速度時，雪顆粒會離開計算域，沉積在壁面[15]。本文對風場入流面采用velocity-inlet邊界條件；出流面采用pressure-out邊界條件；流域頂部和兩側采用symmetry邊界條件；結構表面和地面的采用fsi-wall的壁面條件。雪顆粒在雪發生漂移前沿屋頂均勻分布，相應雪壓為0.25kN/(雪密度為150kg/m3)。參考日本建筑協會提出的《房屋荷載建議》[16]，用以確定本文湍流強度剖面。

3.2 CFD模擬屋面風壓結果

圖5為屋面風速與風壓分布圖。由圖可見：①屋面風壓以負壓為主; ②最大風壓產生于屋頂天窗處，以及天窗周邊垂直于來流方向呈帶狀分布；③迎風屋面風壓為負壓，呈階梯狀分布，背風屋面風壓接近屋頂處為負壓，而接近屋面邊緣處為正壓，也呈階梯狀分布。

圖5 屋面風速風壓分布圖

3.3 不均勻積雪數值模擬結果

雪壓的不均勻分布如圖6(a)中所示，以雪壓的不均勻分布來表示雪深的不均勻分布，大于0.25的部分，積雪發生沉積，小于0.25的部分，積雪發生侵蝕(初始均勻雪壓為0.25kN/)，積雪沉積區域用曲線標出。

從圖中可以看出，雪侵蝕的程度比雪沉積的程度大，積雪沉積主要發生在背風屋面，最大雪壓為0.31kN/，增量為0.06kN/，屋面其余部分均有不同程度的積雪侵蝕發生，屋面不均勻積雪分布是由屋面不同位置積雪的侵蝕與沉積造成的。對比圖5和圖6(a)的結果可以發現：①積雪沉積區在沿著風荷載方向的背風屋面處，靠近屋頂處積雪較多，積雪厚度向屋面邊緣方向遞減；②迎風屋面積雪發生侵蝕但程度較小，原因是風荷載在這里受到坡屋面的阻礙，風速下降，使得積雪侵蝕量少；③其余部位積雪侵蝕程度大是因為風荷載受到的阻礙小，風速較大，使得積雪發生侵蝕。

圖6 積雪不均勻分布圖

3.4 現場觀測蒙古包屋面不均勻積雪分布

在一場降雪過后對內蒙古包頭賽罕塔拉草原內的一個蒙古包進行實地觀測，觀測到的蒙古包屋面不均勻積雪分布如圖7所示，可以發現：①由圖7(b)可以看到屋面邊緣沒有積雪分布；②以蒙古包屋面上的一根繩子作為參照物，以繩子痕跡的明顯程度來作為判斷積雪厚度的依據，由圖7(c)可以看出，在接近屋頂的位置處繩子痕跡不明顯，說明此處積雪較厚，而越往屋面邊緣繩子痕跡越明顯，說明積雪厚度由接近屋頂處向屋面邊緣呈現遞減的趨勢。現場觀測到的屋面積雪分布與模擬得到的積雪分布形式較為一致，從而驗證了模擬得到的屋面不均勻積雪分布的可靠性。

圖7 實地觀測屋面積雪分布

4 風雪荷載作用下剛架穩定性分析

4.1 荷載與風向角定義

風荷載采用橫向等效均布荷載，雪荷載采用豎向等效均布荷載，分別將風荷載與風雪荷載施加于剛架上，從而對剛架在僅有風荷載和風雪荷載共同作用下的受力情況進行分析。

由蒙古包剛架形式可設定2種風向角，如圖8所示，風荷載方向從左至右，其中1種風向角如圖8(a)所示，在這種情況下，有主平面剛架，即2號剛架為主剛架，平面內受力，而1、3號剛架為平面外受力，將這種風向角定義為0°風向角，另一種風向角如圖8(b)所示，在這種情況下，沒有主平面剛架，1、2、3號剛架均為平面外受力，將這種風向角定義為30°風向角。

圖8 風向角示意圖

4.2 穩定性分析

將風荷載與風雪荷載分別施加于0°和30°風向角剛架，得到剛架失穩時的變形圖與應力云圖如圖9(a)(b)(c)所示，黑色空心框線為剛架初始位置。

圖9 剛架失穩變形圖與應力云圖

對于0°風向角剛架，在僅有風荷載的情況下，剛架結構發生失穩時，剛架產生的最大應力為216.23MPa，在風雪荷載作用下，剛架結構發生失穩時，剛架產生的最大應力為187.56MPa。

對于30°風向角剛架，在僅有風荷載的情況下，剛架結構發生失穩時，剛架產生的最大應力為185.66MPa，在風雪荷載作用下，剛架結構發生失穩時，剛架產生的最大應力僅為134.90MPa。

通過將風荷載與風雪荷載施加于剛架結構可以發現，無論是0°風向角還是30°風向角，在僅有風荷載和風雪荷載共同作用下剛架結構最大應力都未達到屈服應力235MPa，說明結構在僅有風荷載或風雪荷載共同作用下不會發生屈服破壞，證明了結構的可靠性。

30°風向角下剛架發生失穩時結構的最大應力為185.66MPa，小于0°風向角下剛架發生失穩時結構的最大應力216.23MPa，說明30°風向角，即沒有主平面剛架下的風向角為不利風向角。

在風雪荷載共同作用于剛架時，結構發生失穩時的產生的最大應力，均比僅有風荷載作用于剛架，剛架發生失穩時產生的最大應力要小，說明與僅有風荷載相比，不均勻雪荷載的存在降低了結構的穩定性，在0°風向角情況下，風雪荷載共同作用于剛架，剛架發生失穩時所產生的最大應力比僅有風荷載作用于剛架所產生的最大應力小28.67MPa，30°風向角情況下，風雪荷載共同作用于剛架，剛架發生失穩時所產生的最大應力比僅有風荷載作用于剛架所產生的最大應力小50.76MPa，2種風向角下不均勻積雪影響率如表2所示，30°風向角比10°風向角不均勻積雪影響率高14.08%，可知蒙古包剛架將在30°風向角下，風雪荷載共同作用時率先發生失穩。

表2 不均勻積雪影響率

5 結論

1)本文所研究房屋結構風荷載體型系數與規范中相比出現了變號的情況，造成不一樣的原因在于本文房屋結構橫截面形狀與規范中不同，說明房屋形狀對于風場的影響是比較明顯的。

2)屋面不均勻積雪分布是由屋面不同位置積雪的侵蝕與沉積造成的。積雪沉積區在沿著風荷載方向的背風屋面處，風荷載受到坡屋面的阻礙，風速下降，使得積雪侵蝕量少，風荷載受到的阻礙小，風速較大，則使得積雪發生較大侵蝕。

3)模擬得到的屋面不均勻積雪分布與現場觀測到的屋面不均勻積雪分布形式基本一致，驗證了模擬的可靠性。

4)在僅有風荷載和風雪荷載共同作用下剛架結構最大應力都未達到屈服應力，證明了結構的可靠性，而與僅有風荷載相比，不均勻雪荷載的存在降低了結構的穩定性

4)30°風向角，即沒有主平面剛架下的風向角為不利風向角，30°風向角比10°風向角不均勻積雪影響率高14.08%，蒙古包剛架將在30°風向角下，風雪荷載共同作用時率先發生失穩。