張樹(shù)光，路平平，趙中偉,2，馬 濤

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.遼寧省阜新公路路政管理局，遼寧 阜新 123000)

本文對(duì)地下高鐵站房的貝殼型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該站房建筑面積約86 200 m2.車(chē)站形式為地下兩層、地面一層.地下二層為站臺(tái)層，由3座島式站臺(tái)和6條到發(fā)線(xiàn)構(gòu)成；地下一層為站廳層，設(shè)候車(chē)大廳、進(jìn)出站廳、設(shè)備用房及辦公用房；地面層為進(jìn)站大廳.地上部分為“貝殼”型穹頂采光屋面，結(jié)構(gòu)形式為大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu).全結(jié)構(gòu)主要桿件均采用曲線(xiàn)鋼箱梁，72根箱梁相互交叉連接，編織成一個(gè)縱向跨度約142 m，橫向跨度約80 m，矢高約24 m的貝殼形穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其頂部設(shè)置有頂環(huán)結(jié)構(gòu)、底部設(shè)置有箱型圈梁，對(duì)單層網(wǎng)殼頂?shù)锥似疬B接和約束作用.

該結(jié)構(gòu)形體新穎，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱形鋼梁相互交叉，在現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]( GB50009-2001)中找不到合適的體型系數(shù)作為其風(fēng)荷載值.因此本文利用CFD 技術(shù)[2-3]對(duì)網(wǎng)殼表面的風(fēng)壓分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)不同風(fēng)向角下網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布進(jìn)行分析研究，同時(shí)探討了周?chē)ㄖ飳?duì)網(wǎng)殼周?chē)L(fēng)場(chǎng)的影響，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值提供必要的指導(dǎo).

圖1 火車(chē)站站房效果圖Fig.1 Effect blueprint of railway station building of yujiapu

1 數(shù)值模擬方法

風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布特性進(jìn)行研究.目前本文選取典型風(fēng)向角(0°、180°)對(duì)站房進(jìn)行不同常用的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε[4]模型、SSTκ-ω模型、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬 (Large-Eddy Simulation，LES)等.

LES采用濾波函數(shù)，直接模擬大尺寸漩渦，效果最好；雷諾應(yīng)力模型次之.由于LES還處在研究階段，且網(wǎng)格劃分要求較高，要達(dá)到Kolmogorov尺度，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，并且對(duì)入口邊界條件敏感[5]，目前應(yīng)用于土木工程的實(shí)際問(wèn)題還不太現(xiàn)實(shí).基于SSTκ-ω湍流物理模型在計(jì)算以分離流為主的流場(chǎng)時(shí),精度很好[6]，故預(yù)采用CFX商用流體軟件自帶的SSTκ-ω模型對(duì)高鐵站房表面風(fēng)壓分布進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬，該模型綜合了κ-ω模型在近壁區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，一并增加交叉擴(kuò)散項(xiàng)，且湍流剪切應(yīng)力的輸送過(guò)程在湍流粘性系數(shù)的定義中給予了充分考慮，因此，SSTκ-ω湍流模型的應(yīng)用范圍變得更為廣泛.SSTκ-ω湍流模型較傳統(tǒng)的k-ε湍流模型要更適用于具有逆壓梯度流動(dòng)或分離流動(dòng)的計(jì)算,因而前者更廣泛地應(yīng)用于大氣邊界層鈍體繞流的計(jì)算中.以張量形式表達(dá)的SSTκ-ω湍流模型的流場(chǎng)輸送方程為[7]

(1)

(2)

(3)

1.1 計(jì)算模型

所建立的數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算流體域采用862 m×320×192 m[10]，網(wǎng)格劃分越靠近模型表面單元?jiǎng)澐衷郊?xì).劃分網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)數(shù)為598 793，單元數(shù)為3 040 162.

1.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件的入口( inlet)輸入平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度. 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009-2001》，根據(jù)“全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖”，可查得當(dāng)重現(xiàn)期為100年時(shí)天津市地區(qū)的風(fēng)壓.由此推算得到基本風(fēng)速31.6 m/s.根據(jù)站房所處的位置，其大氣邊界層應(yīng)屬D類(lèi)地區(qū)，沿x方向的風(fēng)速剖面為

V(z)=Vb( z/zb)α，

式中：Vb為標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速(規(guī)范取zb= 10 m)，α=0.30.z為高度方向，自建筑物底部算起；y、z方向速度為零.

湍流強(qiáng)度I是地面粗糙度類(lèi)別和地高度z的函數(shù)，鑒于我國(guó)規(guī)范對(duì)湍流強(qiáng)度尚無(wú)明確規(guī)定，關(guān)于I的表達(dá)式，參考日本規(guī)范[11-12]取值為

圖2 計(jì)算區(qū)域總體網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of calculation zone

圖3 網(wǎng)殼表面網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of surface of lattice shell

式中：zb取5；zg取450；Ⅲ類(lèi)地貌α取 0.20.

圖4 豎向平均速度剖面圖Fig.4 Vertical profile of mean velocity

2.3 湍流模型比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所選湍流模型的優(yōu)越性，故在相同邊界及網(wǎng)格劃分條件下，采用不同的湍流模型對(duì)實(shí)際工程0°風(fēng)向角進(jìn)行模擬計(jì)算.將各個(gè)湍流模型所得結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果以圖表形式列出進(jìn)行對(duì)比.

圖5 站房網(wǎng)殼模擬風(fēng)向示意Fig.5 Schematic diagram of wind direction

圖6 PLAIN1平面示意Fig.6 Schematic diagram of PLAIN1

圖7 各湍流模型結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of results getting from each turbulence model and wind tunnel test

由以上對(duì)比可以看出：κ-ω模型的優(yōu)點(diǎn)在于在低雷諾數(shù)下對(duì)壁面的處理計(jì)算，對(duì)于高雷諾數(shù)下的風(fēng)場(chǎng)模擬則不能精確地模擬出氣流與結(jié)構(gòu)物表面的分離與再附著，對(duì)氣壓梯度較大區(qū)域及負(fù)壓區(qū)域誤差較大.標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，此標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型只適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬，且會(huì)對(duì)湍動(dòng)能的計(jì)算誤差較大.RNGκ-ε相比于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型在一些方面做了一些改進(jìn)，RNGκ-ε模型修正了湍流動(dòng)能黏度，引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，改進(jìn)了ε方程，能更好的處理高應(yīng)變率及流線(xiàn)彎曲程度較大的流動(dòng)，對(duì)近壁區(qū)和低雷諾數(shù)的流動(dòng)都能進(jìn)行很好的計(jì)算在更廣泛的流動(dòng)中有更高的可信度和精度[13].SSTκ-ω考慮了湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)，對(duì)在逆壓力梯度下流動(dòng)的分離的起點(diǎn)和積累能夠預(yù)測(cè)得很準(zhǔn)，同時(shí)能夠很好地模擬出氣流的漩渦結(jié)構(gòu)圖8.故本文采用SSTκ-ω湍流模型進(jìn)行分析.

圖8 漩渦結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of vortex

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 壓強(qiáng)分布

量綱為1的壓強(qiáng)系數(shù)Cp定義為

式中：Pref為參考靜壓力，取為一個(gè)大氣壓0.101 3 MPa；ρ為空氣密度，取為1.225 kg/m3；u0為參考風(fēng)速.

以下分別為風(fēng)向角為0°、180°時(shí)火車(chē)站站房網(wǎng)殼的風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)云圖.

當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí),如圖9由于該結(jié)構(gòu)的流線(xiàn)型造型，在網(wǎng)殼前端出現(xiàn)風(fēng)壓系數(shù)較小的正壓區(qū)，反而是在網(wǎng)殼背部出現(xiàn)較大的正壓區(qū)，這是該結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)的不同之處.氣流在到達(dá)天窗之前出現(xiàn)分離點(diǎn)，在天窗附近負(fù)壓達(dá)到最大，經(jīng)過(guò)天窗之后上部氣流與網(wǎng)殼兩側(cè)來(lái)流在網(wǎng)殼尾部匯集形成較大的正壓區(qū)，在網(wǎng)殼前端出現(xiàn)正壓區(qū)，另外網(wǎng)殼兩側(cè)氣流向中間匯集是網(wǎng)殼前端出現(xiàn)正壓區(qū)的原因.

當(dāng)風(fēng)向角為180°時(shí)，由圖10可以看出氣流在到達(dá)天窗之前出現(xiàn)分離點(diǎn)，在天窗附近負(fù)壓達(dá)到最大，經(jīng)過(guò)天窗之后氣流與網(wǎng)殼表面再附著，在網(wǎng)殼前端出現(xiàn)正壓區(qū)，另外網(wǎng)殼兩側(cè)氣流向中間匯集也是網(wǎng)殼前端出現(xiàn)正壓區(qū)的另一原因.

圖9 0°時(shí)站房網(wǎng)殼表面壓強(qiáng)分布Fig.9 Distribution of pressure on surface of shell with the wind angle 0°

圖10 180°PLAIN1平面壓強(qiáng)分布Fig.10 Distribution of pressure on PLAIN1 with wind angle 0°

2.2 與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[14]進(jìn)行對(duì)比進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性.以下分別為數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的平均風(fēng)壓系數(shù)云圖的對(duì)比.從下圖可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是局部細(xì)節(jié)還是存在較大誤差，造成誤差的原因可能有：

(1)為建模的方便，在建模時(shí)簡(jiǎn)化了網(wǎng)殼局部的一些細(xì)部特征以及風(fēng)洞試驗(yàn)未考慮天窗影響，所以會(huì)造成局部風(fēng)壓系數(shù)的誤差；

(2)采用的湍流模型包含了湍流的各向同性假設(shè)，與實(shí)際不符，勢(shì)必引起誤差.這需要將來(lái)進(jìn)一步研究更符合實(shí)際的湍流模型如大渦模擬[11]，以及不斷提高的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力來(lái)解決；

(3)風(fēng)洞試驗(yàn)是在大縮尺比的情況下完成，與實(shí)際情況存在偏差.

圖11 120°時(shí)站房表面壓強(qiáng)系數(shù)分布(模擬)Fig.11 Distribution of pressure coefficient on surface of shell with wind angle 120°(numerical simulation)

圖12 120°時(shí)站房表面壓強(qiáng)系數(shù)分布(試驗(yàn))Fig.12 Distribution of pressure coefficient on surface of shell with wind angle 120°(experiment)

為方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載施加的方便，將結(jié)構(gòu)按風(fēng)壓系數(shù)的差異將結(jié)構(gòu)分為不同的區(qū)域，圖13為各個(gè)分區(qū)的分布圖.圖14和圖15所示為不同風(fēng)向角下各分區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比結(jié)果.由圖中所示結(jié)果可以看出，數(shù)值風(fēng)洞所得結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)果吻合較好，在BB9區(qū)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)差別較大，主要因?yàn)樵搮^(qū)域壓力梯度較大，同時(shí)受限于計(jì)算機(jī)能力劃分網(wǎng)格不夠細(xì)造成，另一可能原因?yàn)轱L(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集誤差所導(dǎo)致.以上對(duì)比表明：數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可以很好地預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布.

圖13 各分區(qū)分布圖Fig.13 Distribution of each subarea

圖14 0°各分區(qū)壓 強(qiáng)系數(shù)對(duì)比Fig.14 Comparison of pressure coefficient at each subarea with wind angle 0°

圖15 120°各分區(qū)壓強(qiáng)系數(shù)對(duì)比Fig.15 Comparison of pressure coefficient at each subarea with wind angle 120°

2.3 周?chē)ńㄖ飳?duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的影響

為研究周?chē)ㄖ飳?duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的影響，在流體域中分別考慮位于建筑物正前方與正后方的截面尺寸為60 m×60 m×100 m和60 m×60 m×50 m的情況，建筑物與結(jié)構(gòu)的距離分為150 m和75 m兩種工況，在各工況下研究在建筑物影響下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的影響，圖16為位于結(jié)構(gòu)正前方75 m建筑高度為100 m的流場(chǎng)，可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)位于由于前方建筑擾動(dòng)形成的漩渦之中，機(jī)構(gòu)表面幾乎全為負(fù)壓，與不考慮周?chē)ㄖ那闆r完全不同，所以在結(jié)構(gòu)的風(fēng)載設(shè)計(jì)中要充分結(jié)合周?chē)貏?shì)與建筑物分布情況，這對(duì)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布將產(chǎn)生決定性作用.圖17為結(jié)構(gòu)后方75 m建筑高度為100 m的流場(chǎng)，可以看出即使建筑物在結(jié)構(gòu)順風(fēng)向下方，對(duì)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布亦有很大影響，而所有結(jié)構(gòu)都是出于一定的環(huán)境下，確定等效風(fēng)載是需考慮周?chē)h(huán)境的影響.

圖16 50 m高建筑物位于結(jié)構(gòu)前方75 m風(fēng)場(chǎng)Fig.16 Wind fields of structure under the condition that 50 meter’s high building located in front with distance of 75 meters

圖17 100 m高建筑物位于結(jié)構(gòu)前方150 m風(fēng)場(chǎng)Fig.17 Wind fields of structure under the condition that 100 meter’s high building located in front with distance of 150 meters

圖18 100 m高建筑物位于結(jié)構(gòu)后方75 m風(fēng)場(chǎng) Fig.18 Wind fields of structure under the condition that 50 meter’s high building located in rear with distance of 75 meters

以下列出各工況下體形系數(shù)的對(duì)比，如圖19，從中可以看出在確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載時(shí)要充分考慮周?chē)h(huán)境對(duì)建建筑物風(fēng)荷載的影響，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓系數(shù)與需根據(jù)實(shí)際情況考慮最不利因素以確定等效風(fēng)荷載.

通過(guò)工況1與工況2的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，建筑物高度對(duì)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓系數(shù)有很大影響.通過(guò)工況1與工況4的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向建筑對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響會(huì)小于前方建筑，但其影響依然較大不可忽略.

圖19 不同周?chē)h(huán)境下建筑物表面風(fēng)壓系數(shù)Fig.19 Wind pressure coefficient with different environment around

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)站房網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1) 貝殼型火車(chē)站站房網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型奇特，其周?chē)鲌?chǎng)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜.采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同風(fēng)向下站房網(wǎng)殼周邊的壓強(qiáng)場(chǎng)、速度場(chǎng)以及湍動(dòng)能場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算.運(yùn)用數(shù)值風(fēng)洞法對(duì)地上網(wǎng)殼部分周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到網(wǎng)殼表面的壓強(qiáng)系數(shù)分布和網(wǎng)殼周?chē)鲌?chǎng)的速度分布.

(2) 通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者吻合較好，驗(yàn)證數(shù)值風(fēng)洞模擬技術(shù)的可靠性，但現(xiàn)階段由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限，對(duì)湍流的直接模擬方法尚不能有效應(yīng)用，只能借助湍流簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，造成數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)節(jié)有較大差別，同時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)的大縮尺比也是造成誤差的主要原因之一.

(3) 由于結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載有很大影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮最不利工況確定等效風(fēng)荷載.由于風(fēng)洞試驗(yàn)的高成本，長(zhǎng)周期的弊端，在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力充分發(fā)展的將來(lái)，數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可以很好滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要，為結(jié)構(gòu)風(fēng)載設(shè)計(jì)提供很好的預(yù)測(cè).