某跨线式高铁客站平均风荷载数值风洞模拟

易图兵

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川成都610000)

西宁高铁客站是青藏高原最大的综合交通枢纽工程，建筑面积约6×104m2，站房主体由南站房、北站房和高架候车层组成(图1)。站房屋盖采用对风荷载较为敏感的管桁架结构形式，屋盖尺寸为140 m×255 m，檐口悬挑最大达到15.3 m，建筑高度为47.78 m。该建筑通过流动的水平线条来体现三江源的意向，同时传达出雄鹰展翅腾飞的寓意。该建筑造型新颖，体型复杂，难以直接根据现行荷载规范［1］确定适用的风荷载，利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术对建筑物进行数值模拟已经成为可能［2，3］。据此，为了保证合理的风荷载取值，分析研究了该结构在9个不同风向角下的静风压系数、流场特征及其变化规律，分析结果为该工程的设计提供参考。

图1 建筑效果

1 数值模拟

1.1 数值计算方法

风荷载CFD数值计算的本质是将流场的控制方程利用计算数学方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解，即联立求解连续性方程(式(1)和N-S方程式(2))并结合雷诺平均的方式求解湍流流动，方程的不封闭通过采用引入湍流模型的方式解决［4］。本文采用了较为新颖的k-ε EARSM湍流模型。该模型结合了k-ε模型及BSL模型的优点，雷诺应力及平均应变率、速度张量均为非线性关系，改善了一般RANS模型钝体扰流动能分布的缺陷问题，对二阶流、弯曲流的适应性很好，且求解消耗同k-ε相当［5］，被认为是目前最有应用前景的RANS模型［7］。模型钝体近壁区引入壁面函数，以解析方式求解变量［5］，很好的避免了低雷诺数时湍流模型的收敛问题。同时采用附面贴体网格OGrid，其主法线与壁面垂直。对流项离散为二阶高精度格式，计算采用准稳态时步逼近隐式耦合算法(QSMA：Quasi-Steady State Marching-on in time Approximation Techniques)，并采用多区多重网格技术［6］提高收敛。计算终止的控制条件为：k和ε的残差小于5×10-5，通量不平衡残差小于5×10-6，同时要求迭代步数不小于150，另一个判读依据为人工监测点震荡趋于平稳。

式中：ρ为流体密度；ui(i=1，2，3)分别为在直角坐标x(x1)，y(x2)，z(x3)方向的风速；p为流场压力；fi为质量力；v为运动粘度。

1.2 网格模型

模型兼顾实际形状及网格处理，滤除局部尺寸小于100 mm的构造，最终采用的流场尺度为：B×H×L=600m×2300m×2715m(图2)，入流阻塞率为1.5%＜3%。

图2 计算流域示意

数值计算模型采用混合网格方案［8］：核心区域为60节点四面体网格；壁面为棱柱形五面体附面网格，附面层厚度0.2 m，细分为10层；核心区外围为六面体结构化网格；核心区与外围结合区为金字塔形网格。最小网格0.01 m，位于建筑物表面；最大网格15 m，位于流场出口位置附近。考虑到结构布置的对称性，共计算了9种不同来流风向：0～190°，风向角度间隔为22.5°，具体布置见图3。网格数量约为330×104/个，网格最低质量为0.1，低于0.5的网格数量不超过5%，且均为最小网格角度起控制作用，各风向角模型具体的网格信息见表1。

图3 建筑平面布置与风向角

表1 各风向角模型信息

1.3 边界条件

流场边界主要包括入流边界、出流边界、流场侧壁和顶壁、地面以及钝体壁面［4］。本文各边界条件的设置如图4所示：入流边界采用经验统计的风剖面公式，见式(3)～式(7)；出流边界为Outlet，出口位置沿流线方向的压力梯度为0；流场侧壁及顶壁均为自由滑移壁面，沿着壁面的速度垂直方向梯度在壁面处为0；地面为无滑移壁面，在壁面处，沿着壁面的切向风速为0；建筑物壁面也为无滑移壁面。

图4 流场边界示意

风速剖面：

湍流动能剖面：

湍流动能耗散率：

湍流积分尺度：

湍流强度函数：

式中：z为任一高度或离地高度(m)；zb参考高度，取值10 m；Vz、Vb分别为高度z处、标准参考高度zb处对应的平均风速(m/s)；α为地面粗糙度指数，取值0.16；l为湍流特征长度，按CFX取值为0.07D，D为钝体的特征尺度；zG为梯度风高度，取值350 m。

2 结果分析与设计建议

本文中的压力正方向定义为垂直测量表面向内的方向，具体表现为：对于上表面测点，正值表示受到指向表面的压力(向下)，负值表示受到向外的吸力(向上)；对下表面测点，正值表示受到指向表面的压力(向上)，负值表示受到向外的吸力(向下)。

本文中压力系数指建筑表面动压与来流参考高度(建筑物最大高度)动压的比值(式8)，实际上已经考虑了高度换算系数γ［1］，具有与工程设计所用的风荷载体型系数μs相同的物理意义。

风压系数：

入流风压：

式中：Pref为参考点高度位置上(建筑最大高度处)的入流风压；Vref为入流断面上对应参考点高度的风速(m/s)；为空气密度，取值1.225 kg/m3，Pi为屋盖表面的计算风压；P∞为大气压；Cpa为模拟风压系数。

图5、图6分别为各风向角时屋盖及雨棚风压系数分布图和流线特征分布图，可知：

图5 屋盖上表面C pa分布等值线

图6 流线分布

0°风向时，屋盖前缘气流发生碰撞分离，分离尺度不显著，前缘出现负压区，风压等值线均匀。前缘的Cpa范围为-1.2～-0.4。由于气流翻越主站房带来的下泄作用，靠近主站房侧的两跨雨棚出现了较为明显的大面积负风压，Cpa达-0.6。

22.5 °风向时，由于斜风作用，前侧屋面的风压分布与0°风向角不同，前缘负压区的Cpa范围为-1.8～-0.4。左侧雨棚仍然大面积的负压，Cpa达-0.6～-0.4，右侧雨棚受主站房的阻挡，风压区减小。

45°风向时，前侧屋面的风压分布改变明显，前缘负压区的Cpa范围为-1.8～-0.4，屋面其余部分风压分布均匀。雨棚上表面风压与22.5°相似。

在67.5°风向，前缘负压区的Cpa范围减小，为 -1～-0.4。左侧屋面的风压密集，皆为负风压，Cpa范围为-0.8～-0.4。雨棚上表面风压减小，Cpa约为-0.2。

在90°风向时，屋面左前侧负压区Cpa约为-1.6～-0.4。左侧雨棚受来流的影响，为正风压区，Cpa范围为0.2～0.4，右侧雨棚受站房阻挡，仍为负风压区。

在112.5°风向时，前缘负压区的Cpa范围为-1.4～-0.4，后侧及左侧屋面的负压区变化均匀，范围加大，Cpa为-0.6～-0.4。雨棚上表面风压与90°风向角相似。

在135°风向时，前缘负压区的Cpa为-1.2～-0.2，后侧屋面负压区加大，Cpa范围为-1.4～-0.2。左侧雨棚受气流作用，经历了从下压到上翻的过程，Cpa范围为-0.2～0.2，右侧雨棚均匀，为-0.2左右。

在157.5°风向时，前缘负压区的Cpa为-1.2～-0.2。而后侧屋面负风压区达到加大，Cpa范围为-1.4～-0.2。雨棚风压分布与112.5°相似。

在180°风向时，前缘负压区较均匀，为-0.2，后侧屋面负压达到最大，Cpa范围为-1.4～-0.2。左右两侧的雨棚负风压分布均匀，Cpa范围为-0.4～-0.2.

主站房前侧属于风敏感部位，最不利风压表现在0°来流时，对应上表面的Cpa约-1.8～-0.2，考虑下表面风压叠加作用则更为不利。雨棚部位的上表面最不利负风压同样主要受0°来流影响，由于气流翻越主站房带来的下泄作用，靠近主站房侧的两跨雨棚出现了较为明显的大面积负风压，Cpa达-0.6～-0.4，远离主站房位置的雨棚风压则相对平稳，平均约为-0.2左右；当180°来流时，由于受主站房阻滞，雨棚下部空间空气流动阻塞，湍动不明显，但仍然以负压为主，平均约为-0.2，和上表面风压反向削弱。随着风向角变化，斜风向来流逐渐受到高架通廊的阻滞，产生回流与逆向梯度风，上游雨棚出现正压。当风向角为90°时，来流侧雨棚上表面大部分区域均表现为正压，此时如果雨棚下部空间气流阻滞很小，雨棚下表面气流将平稳剥离，由此上下表面风压可能会叠加向下作用，与其他竖向荷载组合后对结构变形、受力控制较为不利。90°来流时，处于下游的雨棚上下表面均表现为气流剥离作用，平均约为-0.2左右，其中上表面附近偏高，也是由于气流翻越通廊后产生的下泄作用所致。

3 结论

综上所述，可得如下结论：

(1)站房屋盖整体风荷载以风吸为主，上表面大多数区域风压系数为-1.4～-0.6，个别挑檐位置达到-1.8。

(2)站房雨棚风荷载同样以风吸为主，大多数风压系数为-0.6～-0.4，但90°风向角时，来流侧雨棚受正风压作用，风压系数为0.2～0.4，对结构产生不利影响。