高速鐵路沿線輕鋼類建筑物失效運動路徑數(shù)值仿真研究

張麗君 趙 雷 孫新宇

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

結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬是利用計算流體動力學(xué)方法通過計算機模擬建筑結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場，確定作用在建筑結(jié)構(gòu)上的風(fēng)效應(yīng)，稱為數(shù)值風(fēng)洞[1-6]。與一般流體動力學(xué)問題不同的是，風(fēng)繞建筑物流動主要涉及高雷諾數(shù)湍流、分離流和強三維流動，其核心是湍流問題[7-9]。國內(nèi)外專家對大風(fēng)作用下房屋結(jié)構(gòu)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(dǎo)高速鐵路路外環(huán)境整治?；诖?，本文利用數(shù)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(fēng)向角流場及4個風(fēng)速流場，并結(jié)合N-S方程采用穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行求解，分析不同風(fēng)速、風(fēng)向下建筑表面風(fēng)荷載的變化規(guī)律，采用ICFD計算模塊進(jìn)行流固耦合分析，揭示不同風(fēng)速、風(fēng)向下與連接失效屋面板的風(fēng)致漂移規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法驗證

TTU模型(Texas Tech University Building Model)試驗是風(fēng)工程學(xué)界的標(biāo)尺模型之一，對風(fēng)工程研究產(chǎn)生了廣泛影響。TTU模型與本次試驗?zāi)Ｐ途鶠榈湫偷牡桶p坡建筑，通過對比計算TTU模型，可驗證本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)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(shù)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(fēng)速；

Α——粗糙度指數(shù)；

Z——實際流場相對大氣邊界層底部的高度；z10取10 m。

(3)網(wǎng)格劃分

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

1.2 計算結(jié)果

TTU模型數(shù)值模擬風(fēng)壓系數(shù)如圖2所示。模型的迎風(fēng)面主要以正壓為主，風(fēng)壓系數(shù)在0.51以上；背風(fēng)面主要以負(fù)壓為主，風(fēng)壓系數(shù)在 -0.33～-0.53之間；屋蓋為負(fù)壓，屋蓋的風(fēng)壓系數(shù)普遍在 -0.12～-0.53范圍內(nèi)；建筑物側(cè)面為負(fù)壓，風(fēng)壓系數(shù)普遍在-0.12～-0.53范圍內(nèi)。屋蓋和建筑物側(cè)面存在很強的來流分離現(xiàn)象，形成分離區(qū)，分離區(qū)受負(fù)壓，風(fēng)壓系數(shù)超過-1。

圖2 TTU模型風(fēng)壓系數(shù)圖

將數(shù)值模擬結(jié)果與TTU實測中軸位置的風(fēng)壓系數(shù)對比，結(jié)果吻合較好，表明本文的數(shù)值風(fēng)洞計算方法可靠，對比結(jié)果如1所示。

表1 風(fēng)壓系數(shù)對比表

2 建筑表面風(fēng)荷載數(shù)值模擬

2.1 模型概述

分析模型為門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，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(jīng)計算分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載作用時計算域36 m×25 m×45 m范圍外的風(fēng)場穩(wěn)定，不影響建筑物的表面風(fēng)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(jié)果與分析

2.2.1 A區(qū)風(fēng)荷載

4個風(fēng)向角下計算建筑A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線如圖4所示。風(fēng)荷載普遍小于0，為風(fēng)吸力。當(dāng)風(fēng)向角一定時，隨著速度的增加，風(fēng)荷載增加。當(dāng)風(fēng)向角為0°時，A區(qū)表面風(fēng)載曲線呈拋物線型，其中A-4區(qū)和A-5區(qū)的荷載較大，風(fēng)荷載在 -40～-620 N范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)向角為30°時，A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線呈拋物線型，在A-5區(qū)位置風(fēng)荷載最大；當(dāng)風(fēng)向角為60°時，A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線在A-2區(qū)和A-3區(qū)位置發(fā)生突變；當(dāng)風(fēng)向角為90°時，A區(qū)表面風(fēng)荷載在A-1區(qū)位置風(fēng)荷載最大，在A-4區(qū)～A-6區(qū)位置風(fēng)荷載較小接近0。4個風(fēng)速下計算建筑A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線如圖5所示，相同風(fēng)速下，隨著風(fēng)向角的增加，風(fēng)荷載普遍減小，風(fēng)向角為0°時風(fēng)荷載最大，但是在A-1區(qū)是90°風(fēng)向角時風(fēng)荷載最大。

圖4 4個風(fēng)向角下A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線圖

圖5 4個風(fēng)速下A區(qū)表面風(fēng)荷載曲線圖

2.2.2 B區(qū)風(fēng)荷載

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

圖6 4個風(fēng)向角下B區(qū)表面風(fēng)荷載曲線圖

圖7 4個風(fēng)速下B區(qū)表面風(fēng)荷載曲線圖

3 試驗?zāi)Ｐ土鞴恬詈夏M

3.1 模型概述

根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果可知屋蓋風(fēng)壓系數(shù)較側(cè)壁風(fēng)壓系數(shù)較高，屋蓋受風(fēng)吸作用較大。為提升計算效率，選取受風(fēng)載作用最大區(qū)塊進(jìn)行屋面板風(fēng)致飄逸軌跡模擬分析，采用LS-Dyna的ICFD計算模塊進(jìn)行流固耦合分析。根據(jù)建筑表面風(fēng)荷載分析，篩選試驗?zāi)Ｐ捅砻魇茱L(fēng)吸作用最大的板塊進(jìn)行流固耦合模擬，即：0°風(fēng)向角下選擇A-4區(qū)板塊；45°風(fēng)向角下選擇A-5區(qū)板塊；90°風(fēng)向角下選擇A-1區(qū)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(fēng)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(jié)果及分析

3.2.1 風(fēng)場變化分析

經(jīng)模擬分析，不同風(fēng)速作用下，風(fēng)場變化相似，因此，風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)向為0°的風(fēng)場進(jìn)行說明，屋面板運動過程中的風(fēng)場變化如圖8所示。結(jié)果表明：t=0 s時，屋面板未發(fā)生運動，此時建筑物內(nèi)部風(fēng)速為0 m/s；t=2 s時，屋面板被掀起，并發(fā)生運動，此時來流風(fēng)涌入建筑物內(nèi)部，帶動建筑物內(nèi)部流場，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部風(fēng)場發(fā)生變化，此時內(nèi)部風(fēng)速可達(dá)約16 m/s，此時建筑物內(nèi)部風(fēng)場逐漸趨于穩(wěn)定；t=4 s時，屋面板距建筑物約14 m，建筑物內(nèi)部風(fēng)場穩(wěn)定，風(fēng)速最高可達(dá)約18 m/s，建筑物附近風(fēng)場穩(wěn)定，在屋面板附近局部風(fēng)場發(fā)生變化。

圖8 風(fēng)場變化圖

3.2.2 屋面板運動軌跡分析

(1)工況1(風(fēng)向角：0°；風(fēng)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(fēng)吸力作用，此時屋面板受力大小約613.18 N，導(dǎo)致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風(fēng)力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風(fēng)場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，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(fēng)向角：45°；風(fēng)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(fēng)吸力作用，此時屋面板受力大小約281.30 N，導(dǎo)致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風(fēng)力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風(fēng)場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，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(fēng)向角：90°；風(fēng)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(fēng)吸力作用，此時屋面板受力大小約317.06 N，導(dǎo)致屋面板整體斜向脫開建筑物；受到風(fēng)力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風(fēng)場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，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(fēng)向角：0°；風(fēng)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(fēng)吸力作用，此時屋面板受力大小約382.38 N，導(dǎo)致屋面板整體斜向脫開建筑物；在風(fēng)力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風(fēng)場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，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(fēng)向角：0°；風(fēng)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(fēng)吸力作用，此時屋面板受力大小約179.40 N，導(dǎo)致屋面板整體斜向脫開建筑物；在風(fēng)力作用下，屋面板在y軸正方向運動，由于風(fēng)場變化，屋面板在運動過程中伴隨旋轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，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(jù)上述結(jié)果可知，在相同風(fēng)速下，不同風(fēng)向角作用下，屋面板受風(fēng)吸力作用不同，在風(fēng)向角為0°時，屋面板受風(fēng)吸力作用最大，屋面板運動距離最遠(yuǎn)；不同風(fēng)速工況下，隨著風(fēng)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(jié)論

根據(jù)上述分析，可得如下結(jié)論：

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

(2) 不同風(fēng)載工況下，屋蓋受風(fēng)吸作用最明顯，屋蓋風(fēng)載系數(shù)最大可達(dá)-2，但隨著風(fēng)向角的變化，受風(fēng)吸作用最明顯的板塊也在變化，其中0°風(fēng)向角下A-4板塊風(fēng)載最大，90°風(fēng)向角下A-1板塊風(fēng)載最大，且隨著風(fēng)速的增加，屋蓋受到的荷載增加，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到30 m/s時，屋蓋風(fēng)荷載可達(dá)最大值約616.63 N。建議采用該風(fēng)吸荷載值為計算依據(jù)，反算不同規(guī)格自攻螺釘?shù)暮侠聿贾瞄g距，形成螺釘規(guī)格與間距查詢對照表，據(jù)此快速排查防護(hù)范圍內(nèi)輕鋼建筑的安全性。

(3)試驗?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)載作用下，屋蓋受風(fēng)力作用最明顯，可能引起屋蓋脫開建筑物，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部風(fēng)場變化，使建筑物內(nèi)部受較大風(fēng)力作用；屋蓋飛行過程中也會引起整體流域風(fēng)場變化。計算結(jié)果表明：在相同風(fēng)速下，不同風(fēng)向角作用下，屋蓋受風(fēng)吸力作用不同，在30 m/s風(fēng)速作用下，在風(fēng)向角為0°時，屋蓋受風(fēng)載作用最大，屋蓋運動距離最遠(yuǎn)約569.65 m；在不同風(fēng)速工況下，隨著風(fēng)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(cè)600 m作為外部環(huán)境安全防護(hù)距離。