草原地區裝配式蒙古包風雪作用下仿真研究

王一凡，陳 明

(1. 中冶西北工程技術有限公司，內蒙古 包頭 014010；2. 內蒙古科技大學，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裝配式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善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發生屈服破壞并產生較大變形從而發生倒塌[1～5]，因此本文對冷彎薄壁型鋼蒙古包剛架在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[7]等。相比于其他兩個方法在足尺模擬，和參數分析的便捷程度的方面，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，數值模擬技術有了較大程度的發展。

本文基于ANASYS Workbench平臺，以及流體力學軟件FLUENT，得到蒙古包風荷載體型系數，通過風致屋面不均勻積雪模擬，得到屋面積雪分布系數，將風荷載與風雪荷載作用于冷彎薄壁型鋼蒙古包六邊形與八邊形剛架，得到剛架在風雪作用下的應力分布以及受力性能，為該結構在草原地區特征荷載作用下的可靠性提供了理論支持。

2 冷彎薄壁型鋼蒙古包風壓模擬

2.1 構件選型

圖1 蒙古包剛架模型

建立跨度與構件截面尺寸相同的冷彎薄壁型鋼蒙古包六邊形(三榀)與八邊形(四榀)剛架結構模型如圖1所示，剛架跨度為9m，柱高4.8m，斜梁傾角為30°，依據規范[9～11]對冷彎薄壁型鋼蒙古包剛架進行構件選型設計，剛架中柱子和梁均采用背靠背雙肢C型鋼，內填墊板，由高強螺栓連接的截面形式，圈梁、墻梁和檁條采用單肢C型鋼，均為Q235鋼材，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。加蓋圍護結構和天窗后的模型圖如圖2所示。

圖2 加蓋圍護結構與天窗蒙古包模型

2.2 體型系數區域劃分與測點布置

對房屋模型表面進行區域劃分，共分為7個區域，分別將其命名為迎風墻面、迎風屋面、背風屋面、背風墻面、側風屋面、側風墻面以及天窗，迎風屋面、背風屋面所對應的水平投影扇面角度為120°，側風屋面水平投影扇面角度為60°。在劃分的7個面上分別均勻布置5個測點，共35個測點，如圖3所示。

圖3 區域劃分與測點布置

2.3 風壓模擬

建立三維外流場，將外流場作為風場，將加蓋圍護結構的蒙古包模型置于外流場中進行風場風壓模擬，本文冷彎薄壁型鋼蒙古包屬于低矮建筑，房屋表面的空氣流動主要以頂面的空氣繞流為主，因此從建筑物的表面風壓角度考慮，入流面的截面阻塞率應小于3%，取三維外流場的尺寸為150m×80m×60m，建筑物設置在距離風場入流面約外流場長度的 1/3處，采用四面體網格對流域進行劃分[18，19]，劃分網格后的蒙古包模型在模擬風場內如圖4所示。

圖4 風場中的蒙古包模型

本文冷彎薄壁型鋼蒙古包主要建設在內蒙古草原地區，查閱建筑荷載規范[20]中的全國基本風壓分布圖，內蒙主要草原分布所在地區即包頭達茂旗希拉穆仁草原、呼和浩特四子王旗草原以及烏蘭察布草原地區常見風壓為0.55kN/m2，相當于9級風，風速30m/s，因此在利用FLUENT進行風壓模擬時，風場入流面風速取30m/s，空氣密度設置為1.225kg/m3，利用式(1)及式(2)分別得到各測點的體型系數，取平均值得到各房屋表面的風荷載體型系數μs。

(1)

(2)

式中，ωi——風作用在i點所引起的實際壓力(或吸力)；

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。

經模擬后蒙古包表面風壓云圖如圖5所示，風荷載體型系數如表1所示。

圖5 蒙古包風壓云圖

表1 蒙古包風荷載體型系數

3 風致屋面不均勻積雪數值模擬

3.1 風致屋面積雪模擬

在已建風場中加入離散相模型，賦予離散相模型雪顆粒屬性，進行屋面風致積雪模擬。查閱建筑荷載規范[20]中的全國基本雪壓分布圖，內蒙主要草原分布地區即包頭達茂旗希拉穆仁草原、呼和浩特四子王旗草原以及烏蘭察布輝騰錫勒草原地區常見雪壓為0.25kN/m2，模擬得到屋面不均勻分布的雪壓如圖6所示，以雪壓的不均勻分布來表示積雪的不均勻分布，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，積雪沉積區域用曲線標出。

圖6 屋面不均勻積雪分布

3.2 屋面積雪分布系數

屋面積雪分布系數就是屋面水平投影面積上的雪荷載與基本雪壓的比值，實際也就是地面基本雪壓換算為屋面雪荷載的換算系數。屋面積雪分布系數公式如式(3)所示。

(3)

其中，μr為積雪分布系數；α為屋面坡度角，取30°；g為重力加速度，取9.8m/s2；冷彎薄壁型鋼房屋主要建設于內蒙草原地區，S0取內蒙草原地區常見雪壓0.25kN/m2；qs為模擬得到的雪荷載，取雪荷載最大值0.31kN/m2。

冷彎薄壁型鋼房屋沿順風向中軸線處房屋縱截面與建筑結構荷載規范中的帶天窗雙坡屋面類似，參考規范中的帶天窗雙坡屋面積雪分布系數，結合上述模擬得到的屋面雪荷載，得出冷彎薄壁型鋼房屋結構屋面積雪分布系數如圖7所示。

圖7 屋面積雪分布系數

4 風雪荷載作用下剛架受力性能分析

4.1 荷載施加方式

取最不利風向角即無主平面剛架風向角進行荷載施加，六邊形剛架風向角如圖8所示，八邊形剛架風向角如圖9所示。橫向風荷載為施加在每榀剛架斜梁與柱上的水平均布荷載，永久荷載為施加在每榀剛架斜梁上的垂直均布荷載，縱向不均勻分布雪荷載為施加在每榀剛架中半榀斜梁以及陶腦上的垂直均布荷載，用以考慮積雪最不利分布，即半坡屋面積雪分布工況下剛架的受力情況。

圖8 六邊形剛架風向角

圖9 八邊形剛架風向角

4.2 荷載標準值

永久荷載標準值包括圍護結構、保溫層、生活管線以及結構自重，取0.30kN/m2；屋面雪荷載標準值由式(4)得到，屋面積雪分布系數μr取4.2節得到的模擬值即1.1，查閱建筑結構荷載規范，基本雪壓S0取內蒙草原地區常見雪壓0.25kN/m2，得屋面雪荷載標準值為0.235kN/m2。

Sk=μrS0

(4)

風荷載標準值由式(5)得到。

ωk=βzμzμsω0

(5)

基本風壓ω0取內蒙草原地區常見風壓0.55kN/m2；冷彎薄壁型鋼蒙古包高度小于30m且高寬比小于1.5，因此風振系數βz取1.0；房屋所在草原地區地面粗糙度類別為B類，風壓高度變化系數μz取1.0，風荷載體型系數μs取3.3節得到的模擬值。

4 受力性能分析

基于ANSYSWorkbench平臺中的StaticStructure模塊，將上述永久荷載、風荷載與風雪荷載分別施加于六邊形與八邊形剛架，通過ANSYS有限元模擬得到剛架最大變形與應力云圖如圖10所示，黑色空心框線為剛架初始位置。

圖10 剛架變形與應力云圖

對于六邊形剛架，在僅有風荷載的情況下，剛架產生的最大應力為174.56MPa，在風雪荷載作用下，剛架產生的最大應力為225.23MPa，剛架柱頂產生的最大位移為58mm。

對于八邊形剛架，在僅有風荷載的情況下，剛架產生的最大應力為132.45MPa，在風雪荷載作用下，剛架產生的最大應力為164.37MPa，剛架柱頂產生的最大位移為36mm。

屋面不均勻積雪影響率如表2所示，通過將風荷載與風雪荷載施加于剛架結構可以發現，屋面不均勻積雪的存在降低了結構承載力，無論是六邊形剛架還是八邊形剛架，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，且剛架柱頂最大位移為均小于柱頂位移限值H/60，即80mm，說明剛架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。

對比六邊形與八邊形剛架可以發現，在僅有風荷載的情況下，八邊形剛架產生的最大應力為132.46MPa，小于六邊形剛架產生的最大應力174.56MPa，八邊形剛架比六邊形剛架承載力提升了24.1%；而在風雪荷載共同作用的情況下，八邊形剛架產生的最大應力為164.37MPa，同樣小于六邊形剛架產生的最大應力225.23MPa，八邊形剛架比六邊形剛架承載力提升了27.1%。綜上所述，在房屋跨度與構件截面尺寸以及風雪條件均相同的情況下，與六邊形剛架相比，八邊形剛架有更好的承受風雪荷載的能力，在實際工程中，如房屋所處地區有頻繁的暴風雪發生，可選擇增加剛架榀數來提高房屋結構安全性。

表2 屋面不均勻積雪影響率

5 結論

1)建立冷彎薄壁型鋼蒙古包模型，對蒙古包表面進行區域劃分，將其放入三維外流場，進行冷彎薄壁型鋼蒙古包在風場內的模擬，得到蒙古包風荷載體型系數。

2)通過風致屋面不均勻積雪模擬，得到屋面不均勻積雪分布形式，屋面積雪分布與屋面風壓分布有關，進而得到了屋面積雪分布系數。

3)將風雪荷載共同作用于冷彎薄壁型鋼蒙古包六邊形與八邊形剛架，剛架最大應力均未達到屈服應力，且剛架柱頂最大位移為均小于柱頂位移限值，證明了剛架結構的可靠性，為該結構在草原地區特征荷載作用下的可靠性提供了理論支持。

4)在僅有風荷載的情況下，八邊形剛架比六邊形剛架承載力提升了24.1%，在風雪荷載共同作用的情況下，八邊形剛架比六邊形剛架承載力提升了27.1%，在相同的風雪條件下，八邊形剛架有更好的承受風雪荷載的能力，在實際工程中，如房屋所處地區有頻繁的暴風雪發生，可選擇增加剛架榀數來提高房屋結構安全性。