草原地區(qū)裝配式蒙古包風(fēng)雪作用下仿真研究

王一凡，陳 明

(1. 中冶西北工程技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引言

本文的研究對(duì)象為基于草原地區(qū)的一種新型房屋結(jié)構(gòu)即裝配式冷彎薄壁型鋼蒙古包，該房屋結(jié)構(gòu)具有易拆卸、易安裝、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，該房屋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將會(huì)改善草原地區(qū)人民的居住條件。冷彎薄壁型鋼蒙古包質(zhì)量輕、柔性大的特點(diǎn)決定了其控制荷載是風(fēng)荷載與雪荷結(jié)載，在較強(qiáng)的風(fēng)荷載和大量雪荷載共同作用下該結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生屈服破壞并產(chǎn)生較大變形從而發(fā)生倒塌[1～5]，因此本文對(duì)冷彎薄壁型鋼蒙古包剛架在風(fēng)雪荷載作用下受力性能進(jìn)行研究。

風(fēng)雪荷載的研究始于20世紀(jì)中葉。目前，主要的研究方法是實(shí)地觀(guān)察、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬[7]等。相比于其他兩個(gè)方法在足尺模擬，和參數(shù)分析的便捷程度的方面，數(shù)值模擬具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟以及各種仿真軟件的出現(xiàn)，數(shù)值模擬技術(shù)有了較大程度的發(fā)展。

本文基于ANASYS Workbench平臺(tái)，以及流體力學(xué)軟件FLUENT，得到蒙古包風(fēng)荷載體型系數(shù)，通過(guò)風(fēng)致屋面不均勻積雪模擬，得到屋面積雪分布系數(shù)，將風(fēng)荷載與風(fēng)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(fēng)雪作用下的應(yīng)力分布以及受力性能，為該結(jié)構(gòu)在草原地區(qū)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(fēng)壓模擬

2.1 構(gòu)件選型

圖1 蒙古包剛架模型

建立跨度與構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)規(guī)范[9～11]對(duì)冷彎薄壁型鋼蒙古包剛架進(jìn)行構(gòu)件選型設(shè)計(jì)，剛架中柱子和梁均采用背靠背雙肢C型鋼，內(nèi)填墊板，由高強(qiáng)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(jié)點(diǎn)板、柱腳節(jié)點(diǎn)板、梁梁節(jié)點(diǎn)板均采用8mm厚多邊形熱軋鋼板；節(jié)點(diǎn)處均采用8.8級(jí)M20摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。加蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)和天窗后的模型圖如圖2所示。

圖2 加蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)與天窗蒙古包模型

2.2 體型系數(shù)區(qū)域劃分與測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)房屋模型表面進(jìn)行區(qū)域劃分，共分為7個(gè)區(qū)域，分別將其命名為迎風(fēng)墻面、迎風(fēng)屋面、背風(fēng)屋面、背風(fēng)墻面、側(cè)風(fēng)屋面、側(cè)風(fēng)墻面以及天窗，迎風(fēng)屋面、背風(fēng)屋面所對(duì)應(yīng)的水平投影扇面角度為120°，側(cè)風(fēng)屋面水平投影扇面角度為60°。在劃分的7個(gè)面上分別均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，共35個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 區(qū)域劃分與測(cè)點(diǎn)布置

2.3 風(fēng)壓模擬

建立三維外流場(chǎng)，將外流場(chǎng)作為風(fēng)場(chǎng)，將加蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒙古包模型置于外流場(chǎng)中進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)風(fēng)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(dòng)主要以頂面的空氣繞流為主，因此從建筑物的表面風(fēng)壓角度考慮，入流面的截面阻塞率應(yīng)小于3%，取三維外流場(chǎng)的尺寸為150m×80m×60m，建筑物設(shè)置在距離風(fēng)場(chǎng)入流面約外流場(chǎng)長(zhǎng)度的 1/3處，采用四面體網(wǎng)格對(duì)流域進(jìn)行劃分[18，19]，劃分網(wǎng)格后的蒙古包模型在模擬風(fēng)場(chǎng)內(nèi)如圖4所示。

圖4 風(fēng)場(chǎng)中的蒙古包模型

本文冷彎薄壁型鋼蒙古包主要建設(shè)在內(nèi)蒙古草原地區(qū)，查閱建筑荷載規(guī)范[20]中的全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖，內(nèi)蒙主要草原分布所在地區(qū)即包頭達(dá)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(qū)常見(jiàn)風(fēng)壓為0.55kN/m2，相當(dāng)于9級(jí)風(fēng)，風(fēng)速30m/s，因此在利用FLUENT進(jìn)行風(fēng)壓模擬時(shí)，風(fēng)場(chǎng)入流面風(fēng)速取30m/s，空氣密度設(shè)置為1.225kg/m3，利用式(1)及式(2)分別得到各測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)，取平均值得到各房屋表面的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs。

(1)

(2)

式中，ωi——風(fēng)作用在i點(diǎn)所引起的實(shí)際壓力(或吸力)；

Ui——i點(diǎn)處的來(lái)流平均風(fēng)速；

ρ——空氣密度；

Ai——測(cè)點(diǎn)i所對(duì)應(yīng)的面積。

經(jīng)模擬后蒙古包表面風(fēng)壓云圖如圖5所示，風(fēng)荷載體型系數(shù)如表1所示。

圖5 蒙古包風(fēng)壓云圖

表1 蒙古包風(fēng)荷載體型系數(shù)

3 風(fēng)致屋面不均勻積雪數(shù)值模擬

3.1 風(fēng)致屋面積雪模擬

在已建風(fēng)場(chǎng)中加入離散相模型，賦予離散相模型雪顆粒屬性，進(jìn)行屋面風(fēng)致積雪模擬。查閱建筑荷載規(guī)范[20]中的全國(guó)基本雪壓分布圖，內(nèi)蒙主要草原分布地區(qū)即包頭達(dá)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(qū)常見(jiàn)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(lái)表示積雪的不均勻分布，以雪壓的不均勻分布來(lái)表示雪深的不均勻分布，大于0.25的部分，積雪發(fā)生沉積，小于0.25的部分，積雪發(fā)生侵蝕，積雪沉積區(qū)域用曲線(xiàn)標(biāo)出。

圖6 屋面不均勻積雪分布

3.2 屋面積雪分布系數(shù)

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

(3)

其中，μr為積雪分布系數(shù)；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(shè)于內(nèi)蒙草原地區(qū)，S0取內(nèi)蒙草原地區(qū)常見(jiàn)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(fēng)向中軸線(xiàn)處房屋縱截面與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中的帶天窗雙坡屋面類(lèi)似，參考規(guī)范中的帶天窗雙坡屋面積雪分布系數(shù)，結(jié)合上述模擬得到的屋面雪荷載，得出冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)屋面積雪分布系數(shù)如圖7所示。

圖7 屋面積雪分布系數(shù)

4 風(fēng)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(fēng)向角即無(wú)主平面剛架風(fēng)向角進(jìn)行荷載施加，六邊形剛架風(fēng)向角如圖8所示，八邊形剛架風(fēng)向角如圖9所示。橫向風(fēng)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(fēng)向角

圖9 八邊形剛架風(fēng)向角

4.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保溫層、生活管線(xiàn)以及結(jié)構(gòu)自重，取0.30kN/m2；屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值由式(4)得到，屋面積雪分布系數(shù)μr取4.2節(jié)得到的模擬值即1.1，查閱建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，基本雪壓S0取內(nèi)蒙草原地區(qū)常見(jiàn)雪壓0.25kN/m2，得屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.235kN/m2。

Sk=μrS0

(4)

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值由式(5)得到。

ωk=βzμzμsω0

(5)

基本風(fēng)壓ω0取內(nèi)蒙草原地區(qū)常見(jiàn)風(fēng)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(fēng)振系數(shù)βz取1.0；房屋所在草原地區(qū)地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1.0，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs取3.3節(jié)得到的模擬值。

4 受力性能分析

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

圖10 剛架變形與應(yīng)力云圖

對(duì)于六邊形剛架，在僅有風(fēng)荷載的情況下，剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為174.56MPa，在風(fēng)雪荷載作用下，剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為225.23MPa，剛架柱頂產(chǎn)生的最大位移為58mm。

對(duì)于八邊形剛架，在僅有風(fēng)荷載的情況下，剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為132.45MPa，在風(fēng)雪荷載作用下，剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為164.37MPa，剛架柱頂產(chǎn)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(guò)將風(fēng)荷載與風(fēng)雪荷載施加于剛架結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，屋面不均勻積雪的存在降低了結(jié)構(gòu)承載力，無(wú)論是六邊形剛架還是八邊形剛架，在僅有風(fēng)荷載和風(fēng)雪荷載共同作用下剛架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都未達(dá)到屈服應(yīng)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(shuō)明剛架結(jié)構(gòu)在僅有風(fēng)荷載或風(fēng)雪荷載共同作用下不會(huì)發(fā)生屈服破壞，證明了結(jié)構(gòu)的可靠性。

對(duì)比六邊形與八邊形剛架可以發(fā)現(xiàn)，在僅有風(fēng)荷載的情況下，八邊形剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為132.46MPa，小于六邊形剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)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(fēng)雪荷載共同作用的情況下，八邊形剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)力為164.37MPa，同樣小于六邊形剛架產(chǎn)生的最大應(yīng)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(gòu)件截面尺寸以及風(fēng)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(fēng)雪荷載的能力，在實(shí)際工程中，如房屋所處地區(qū)有頻繁的暴風(fēng)雪發(fā)生，可選擇增加剛架榀數(shù)來(lái)提高房屋結(jié)構(gòu)安全性。

表2 屋面不均勻積雪影響率

5 結(jié)論

1)建立冷彎薄壁型鋼蒙古包模型，對(duì)蒙古包表面進(jìn)行區(qū)域劃分，將其放入三維外流場(chǎng)，進(jìn)行冷彎薄壁型鋼蒙古包在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的模擬，得到蒙古包風(fēng)荷載體型系數(shù)。

2)通過(guò)風(fēng)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(fēng)壓分布有關(guān)，進(jìn)而得到了屋面積雪分布系數(shù)。

3)將風(fēng)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(yīng)力均未達(dá)到屈服應(yīng)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(jié)構(gòu)的可靠性，為該結(jié)構(gòu)在草原地區(qū)特征荷載作用下的可靠性提供了理論支持。

4)在僅有風(fēng)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(fēng)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(fēng)雪條件下，八邊形剛架有更好的承受風(fēng)雪荷載的能力，在實(shí)際工程中，如房屋所處地區(qū)有頻繁的暴風(fēng)雪發(fā)生，可選擇增加剛架榀數(shù)來(lái)提高房屋結(jié)構(gòu)安全性。