高速鐵路沿線輕鋼類建筑物失效運動路徑數值仿真研究

張麗君 趙 雷 孫新宇

(1. 西南交通大學， 成都 610031；2.中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844)

結構風效應的數值模擬是利用計算流體動力學方法通過計算機模擬建筑結構周圍風場，確定作用在建筑結構上的風效應，稱為數值風洞[1-6]。與一般流體動力學問題不同的是，風繞建筑物流動主要涉及高雷諾數湍流、分離流和強三維流動，其核心是湍流問題[7-9]。國內外專家對大風作用下房屋結構的安全性開展了大量的研究[10-13]，但是，難以滿足高速鐵路沿線輕鋼類建筑物安全評估的需求，尤其是未能確定其運動軌跡，以指導高速鐵路路外環境整治。基于此，本文利用數值仿真分析，模擬高速鐵路沿線輕鋼類建筑物-門式剛架輕鋼建筑的4個風向角流場及4個風速流場，并結合N-S方程采用穩態方法進行求解，分析不同風速、風向下建筑表面風荷載的變化規律，采用ICFD計算模塊進行流固耦合分析，揭示不同風速、風向下與連接失效屋面板的風致漂移規律。

1 數值模擬方法驗證

TTU模型(Texas Tech University Building Model)試驗是風工程學界的標尺模型之一，對風工程研究產生了廣泛影響。TTU模型與本次試驗模型均為典型的低矮雙坡建筑，通過對比計算TTU模型，可驗證本文數值模擬方法的準確性。

1.1 模型概述

模型幾何尺寸為9.1 m×13.7 m×3.93 m，坡度約為1/60，如圖1所示。建立CFD數值模型，選用RANS Spalart-Allmaras模型為湍流模型。

圖1 計算域圖

(1)計算域尺度

B×H×L=124.128 m×39.88 m×147.52 m，阻塞比為1%<5%。

(2)邊界條件

速度剖面如式(1)所示。

(1)

式中：v10——10 m高度的風速；

Α——粗糙度指數；

Z——實際流場相對大氣邊界層底部的高度；z10取10 m。

(3)網格劃分

采用四面體網格，流場核心區網格加密，最小網格尺度0.15 m，計算流域最大網格尺度約2.27 m，位于流場出口位置附近。

1.2 計算結果

TTU模型數值模擬風壓系數如圖2所示。模型的迎風面主要以正壓為主，風壓系數在0.51以上；背風面主要以負壓為主，風壓系數在 -0.33～-0.53之間；屋蓋為負壓，屋蓋的風壓系數普遍在 -0.12～-0.53范圍內；建筑物側面為負壓，風壓系數普遍在-0.12～-0.53范圍內。屋蓋和建筑物側面存在很強的來流分離現象，形成分離區，分離區受負壓，風壓系數超過-1。

圖2 TTU模型風壓系數圖

將數值模擬結果與TTU實測中軸位置的風壓系數對比，結果吻合較好，表明本文的數值風洞計算方法可靠，對比結果如1所示。

表1 風壓系數對比表

2 建筑表面風荷載數值模擬

2.1 模型概述

分析模型為門式剛架輕型房屋鋼結構，模型尺寸為6 m×3 m×4.5 m(長×高×寬)，模型墻面與屋面均采用YX35-125-750(V-125)型單層壓型鋼板，屋面板與檁條采用自攻螺釘波峰連接。經計算分析發現風荷載作用時計算域36 m×25 m×45 m范圍外的風場穩定，不影響建筑物的表面風荷載，為提高模型的計算效率，故取模型的計算域為36 m×25 m×45 m(B×H×L)，如圖3所示。

圖3 計算域示意圖

2.2 計算結果與分析

2.2.1 A區風荷載

4個風向角下計算建筑A區表面風荷載曲線如圖4所示。風荷載普遍小于0，為風吸力。當風向角一定時，隨著速度的增加，風荷載增加。當風向角為0°時，A區表面風載曲線呈拋物線型，其中A-4區和A-5區的荷載較大，風荷載在 -40～-620 N范圍內；當風向角為30°時，A區表面風荷載曲線呈拋物線型，在A-5區位置風荷載最大；當風向角為60°時，A區表面風荷載曲線在A-2區和A-3區位置發生突變；當風向角為90°時，A區表面風荷載在A-1區位置風荷載最大，在A-4區～A-6區位置風荷載較小接近0。4個風速下計算建筑A區表面風荷載曲線如圖5所示，相同風速下，隨著風向角的增加，風荷載普遍減小，風向角為0°時風荷載最大，但是在A-1區是90°風向角時風荷載最大。

圖4 4個風向角下A區表面風荷載曲線圖

圖5 4個風速下A區表面風荷載曲線圖

2.2.2 B區風荷載

4個風向角下計算建筑B區表面風荷載曲線如圖6所示，風荷載普遍小于0，為風吸力。當風向角一定時，隨著速度的增加，風荷載增加。當風向角為0°時，A區表面風載曲線呈拋物線型，其中B-4區和B-5區的荷載較大，風荷載在 -10～-350 N范圍內；當風向角為30°時，在B-1區位置風荷載最大，B-8區位置風荷載最??；當風向角為60°時，B區表面風荷載曲線在先增加再趨于平穩，在B-1區位置風荷載最大，B-3區以后風荷載變化不明顯；當風向角為90°時，B區表面風荷載在B-1區位置風荷載最大，在B-4區～B-6區位置風荷載較小且接近0。4個風速下計算建筑B區表面風荷載曲線如圖7所示，相同風速下，隨著風向角的增加，風荷載普遍先增加后減小，風向角為30°時風荷載最大，但是在B-1區是90°風向角時風荷載最大。

圖6 4個風向角下B區表面風荷載曲線圖

圖7 4個風速下B區表面風荷載曲線圖

3 試驗模型流固耦合模擬

3.1 模型概述

根據穩態計算結果可知屋蓋風壓系數較側壁風壓系數較高，屋蓋受風吸作用較大。為提升計算效率，選取受風載作用最大區塊進行屋面板風致飄逸軌跡模擬分析，采用LS-Dyna的ICFD計算模塊進行流固耦合分析。根據建筑表面風荷載分析，篩選試驗模型表明受風吸作用最大的板塊進行流固耦合模擬，即：0°風向角下選擇A-4區板塊；45°風向角下選擇A-5區板塊；90°風向角下選擇A-1區板塊。計算時，0～2 s約束板塊，2 s后釋放板塊的約束，使其在風力作用下運動，并提取屋面板運動軌跡。為提高計算效率，將YX35-125-750(V-125)型單層壓型鋼板簡化為截面慣性矩等效的矩形鋼板。

3.2 計算結果及分析

3.2.1 風場變化分析

經模擬分析，不同風速作用下，風場變化相似，因此，風速為30 m/s，風向為0°的風場進行說明，屋面板運動過程中的風場變化如圖8所示。結果表明：t=0 s時，屋面板未發生運動，此時建筑物內部風速為0 m/s；t=2 s時，屋面板被掀起，并發生運動，此時來流風涌入建筑物內部，帶動建筑物內部流場，導致建筑物內部風場發生變化，此時內部風速可達約16 m/s，此時建筑物內部風場逐漸趨于穩定；t=4 s時，屋面板距建筑物約14 m，建筑物內部風場穩定，風速最高可達約18 m/s，建筑物附近風場穩定，在屋面板附近局部風場發生變化。

圖8 風場變化圖

3.2.2 屋面板運動軌跡分析

(1)工況1(風向角：0°；風速:30 m/s)

工況1屋面板位移時程曲線如圖9所示，屋面板整體運動時間約43 s。t=0 s時，屋面板受風吸力作用，此時屋面板受力大小約613.18 N，導致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉等運動姿態，加之受重力作用，屋面板在約43 s時刻觸地，此后不再移動。在此期間，屋面板的運動距離約569.65 m，其中x軸方向運動距離約59.9 m，y軸方向運動距離約566.5 m。屋面板整體運動軌跡線如圖10所示。

圖9 工況1屋面板位移時程曲線圖

圖10 工況1屋面板運動軌跡圖

(2)工況2(風向角：45°；風速:30 m/s)

工況2屋面板位移時程曲線如圖11所示，屋面板整體運動時間約21.8 s。t=0 s時，屋面板受風吸力作用，此時屋面板受力大小約281.30 N，導致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉等運動姿態，加之受重力作用，屋面板在約21.8 s時刻觸地，此后不再移動。在此期間，屋面板的運動距離約283.8 m，其中x軸方向運動距離約4.36 m，y軸方向運動距離約283.77 m。屋面板整體運動軌跡線如圖12所示。

圖11 工況2屋面板位移時程曲線圖

圖12 工況2屋面板運動軌跡圖

(3)工況3(風向角：90°；風速:30 m/s)

工況3屋面板位移時程曲線如圖13所示，屋面板整體運動時間約34.6 s。t=0 s時，屋面板受風吸力作用，此時屋面板受力大小約317.06 N，導致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉等運動姿態，加之受重力作用，屋面板在約34.6 s時刻觸地，此后不再移動。在此期間，屋面板的運動距離約277.28 m，其中x軸方向運動距離約16.81 m，y軸方向運動距離約276.77 m。屋面板整體運動軌跡線如圖14所示。

圖13 工況3屋面板位移時程曲線圖

圖14 工況3屋面板運動軌跡圖

(4)工況4(風向角：0°；風速:24 m/s)

工況4屋面板位移時程曲線圖15所示，屋面板整體運動時間約27.4 s。t=0 s時，屋面板受風吸力作用，此時屋面板受力大小約382.38 N，導致屋面板整體斜向脫開建筑物；在風力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉等運動姿態，加之受重力作用，屋面板在約27.4 s時刻觸地，此后不再移動。在此期間，屋面板的運動距離約69.1 m，其中x軸方向運動距離約-2.13 m，y軸方向運動距離約69.07 m。屋面板整體運動軌跡線如圖16所示。

圖15 工況4屋面板位移時程曲線圖

圖16 工況4屋面板運動軌跡圖

(5)工況5(風向角：0°；風速:17 m/s)

工況5屋面板位移時程曲線如圖17所示，屋面板整體運動時間約5.6 s。t=0 s時，屋面板受風吸力作用，此時屋面板受力大小約179.40 N，導致屋面板整體斜向脫開建筑物；在風力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉等運動姿態，加之受重力作用，屋面板在約5.6 s時刻觸地，此后不再移動。在此期間，屋面板的運動距離約17.38 m，其中x軸方向運動距離約-1.23 m，y軸方向運動距離約17.34 m。屋面板整體運動軌跡線如圖18所示。

圖17 工況5屋面板位移時程曲線圖

圖18 工況5屋面板運動軌跡圖

根據上述結果可知，在相同風速下，不同風向角作用下，屋面板受風吸力作用不同，在風向角為0°時，屋面板受風吸力作用最大，屋面板運動距離最遠；不同風速工況下，隨著風速的增加，屋面板運動距離增加。屋面板位移對比如圖19所示。

圖19 屋面板位移對比圖

4 結論

根據上述分析，可得如下結論：

(1)基于TTU場地模型實測數據，采用本文數值模擬方法準確反演了其建筑表面風壓系數分布，驗證了該數值模擬方法的有效性。

(2) 不同風載工況下，屋蓋受風吸作用最明顯，屋蓋風載系數最大可達-2，但隨著風向角的變化，受風吸作用最明顯的板塊也在變化，其中0°風向角下A-4板塊風載最大，90°風向角下A-1板塊風載最大，且隨著風速的增加，屋蓋受到的荷載增加，當風速達到30 m/s時，屋蓋風荷載可達最大值約616.63 N。建議采用該風吸荷載值為計算依據，反算不同規格自攻螺釘的合理布置間距，形成螺釘規格與間距查詢對照表，據此快速排查防護范圍內輕鋼建筑的安全性。

(3)試驗模型在風載作用下，屋蓋受風力作用最明顯，可能引起屋蓋脫開建筑物，導致建筑物內部風場變化，使建筑物內部受較大風力作用；屋蓋飛行過程中也會引起整體流域風場變化。計算結果表明：在相同風速下，不同風向角作用下，屋蓋受風吸力作用不同，在30 m/s風速作用下，在風向角為0°時，屋蓋受風載作用最大，屋蓋運動距離最遠約569.65 m；在不同風速工況下，隨著風速的增加，屋蓋運動距離增加。偏安全考慮，建議高鐵沿線兩側600 m作為外部環境安全防護距離。