草原地区装配式蒙古包风雪作用下仿真研究

王一凡，陈 明

(1. 中冶西北工程技术有限公司，内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)

1 引言

本文的研究对象为基于草原地区的一种新型房屋结构即装配式冷弯薄壁型钢蒙古包，该房屋结构具有易拆卸、易安装、绿色环保等诸多优点，该房屋结构的出现将会改善草原地区人民的居住条件。冷弯薄壁型钢蒙古包质量轻、柔性大的特点决定了其控制荷载是风荷载与雪荷结载，在较强的风荷载和大量雪荷载共同作用下该结构可能会发生屈服破坏并产生较大变形从而发生倒塌[1～5]，因此本文对冷弯薄壁型钢蒙古包刚架在风雪荷载作用下受力性能进行研究。

风雪荷载的研究始于20世纪中叶。目前，主要的研究方法是实地观察、风洞试验、数值模拟[7]等。相比于其他两个方法在足尺模拟，和参数分析的便捷程度的方面，数值模拟具有明显的优势。因此，随着计算机技术的成熟以及各种仿真软件的出现，数值模拟技术有了较大程度的发展。

本文基于ANASYS Workbench平台，以及流体力学软件FLUENT，得到蒙古包风荷载体型系数，通过风致屋面不均匀积雪模拟，得到屋面积雪分布系数，将风荷载与风雪荷载作用于冷弯薄壁型钢蒙古包六边形与八边形刚架，得到刚架在风雪作用下的应力分布以及受力性能，为该结构在草原地区特征荷载作用下的可靠性提供了理论支持。

2 冷弯薄壁型钢蒙古包风压模拟

2.1 构件选型

图1 蒙古包刚架模型

建立跨度与构件截面尺寸相同的冷弯薄壁型钢蒙古包六边形(三榀)与八边形(四榀)刚架结构模型如图1所示，刚架跨度为9m，柱高4.8m，斜梁倾角为30°，依据规范[9～11]对冷弯薄壁型钢蒙古包刚架进行构件选型设计，刚架中柱子和梁均采用背靠背双肢C型钢，内填垫板，由高强螺栓连接的截面形式，圈梁、墙梁和檩条采用单肢C型钢，均为Q235钢材，柱节点板、柱脚节点板、梁梁节点板均采用8mm厚多边形热轧钢板；节点处均采用8.8级M20摩擦型高强螺栓连接。加盖围护结构和天窗后的模型图如图2所示。

图2 加盖围护结构与天窗蒙古包模型

2.2 体型系数区域划分与测点布置

对房屋模型表面进行区域划分，共分为7个区域，分别将其命名为迎风墙面、迎风屋面、背风屋面、背风墙面、侧风屋面、侧风墙面以及天窗，迎风屋面、背风屋面所对应的水平投影扇面角度为120°，侧风屋面水平投影扇面角度为60°。在划分的7个面上分别均匀布置5个测点，共35个测点，如图3所示。

图3 区域划分与测点布置

2.3 风压模拟

建立三维外流场，将外流场作为风场，将加盖围护结构的蒙古包模型置于外流场中进行风场风压模拟，本文冷弯薄壁型钢蒙古包属于低矮建筑，房屋表面的空气流动主要以顶面的空气绕流为主，因此从建筑物的表面风压角度考虑，入流面的截面阻塞率应小于3%，取三维外流场的尺寸为150m×80m×60m，建筑物设置在距离风场入流面约外流场长度的 1/3处，采用四面体网格对流域进行划分[18，19]，划分网格后的蒙古包模型在模拟风场内如图4所示。

图4 风场中的蒙古包模型

本文冷弯薄壁型钢蒙古包主要建设在内蒙古草原地区，查阅建筑荷载规范[20]中的全国基本风压分布图，内蒙主要草原分布所在地区即包头达茂旗希拉穆仁草原、呼和浩特四子王旗草原以及乌兰察布草原地区常见风压为0.55kN/m2，相当于9级风，风速30m/s，因此在利用FLUENT进行风压模拟时，风场入流面风速取30m/s，空气密度设置为1.225kg/m3，利用式(1)及式(2)分别得到各测点的体型系数，取平均值得到各房屋表面的风荷载体型系数μs。

(1)

(2)

式中，ωi——风作用在i点所引起的实际压力(或吸力)；

Ui——i点处的来流平均风速；

ρ——空气密度；

Ai——测点i所对应的面积。

经模拟后蒙古包表面风压云图如图5所示，风荷载体型系数如表1所示。

图5 蒙古包风压云图

表1 蒙古包风荷载体型系数

3 风致屋面不均匀积雪数值模拟

3.1 风致屋面积雪模拟

在已建风场中加入离散相模型，赋予离散相模型雪颗粒属性，进行屋面风致积雪模拟。查阅建筑荷载规范[20]中的全国基本雪压分布图，内蒙主要草原分布地区即包头达茂旗希拉穆仁草原、呼和浩特四子王旗草原以及乌兰察布辉腾锡勒草原地区常见雪压为0.25kN/m2，模拟得到屋面不均匀分布的雪压如图6所示，以雪压的不均匀分布来表示积雪的不均匀分布，以雪压的不均匀分布来表示雪深的不均匀分布，大于0.25的部分，积雪发生沉积，小于0.25的部分，积雪发生侵蚀，积雪沉积区域用曲线标出。

图6 屋面不均匀积雪分布

3.2 屋面积雪分布系数

屋面积雪分布系数就是屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪压的比值，实际也就是地面基本雪压换算为屋面雪荷载的换算系数。屋面积雪分布系数公式如式(3)所示。

(3)

其中，μr为积雪分布系数；α为屋面坡度角，取30°；g为重力加速度，取9.8m/s2；冷弯薄壁型钢房屋主要建设于内蒙草原地区，S0取内蒙草原地区常见雪压0.25kN/m2；qs为模拟得到的雪荷载，取雪荷载最大值0.31kN/m2。

冷弯薄壁型钢房屋沿顺风向中轴线处房屋纵截面与建筑结构荷载规范中的带天窗双坡屋面类似，参考规范中的带天窗双坡屋面积雪分布系数，结合上述模拟得到的屋面雪荷载，得出冷弯薄壁型钢房屋结构屋面积雪分布系数如图7所示。

图7 屋面积雪分布系数

4 风雪荷载作用下刚架受力性能分析

4.1 荷载施加方式

取最不利风向角即无主平面刚架风向角进行荷载施加，六边形刚架风向角如图8所示，八边形刚架风向角如图9所示。横向风荷载为施加在每榀刚架斜梁与柱上的水平均布荷载，永久荷载为施加在每榀刚架斜梁上的垂直均布荷载，纵向不均匀分布雪荷载为施加在每榀刚架中半榀斜梁以及陶脑上的垂直均布荷载，用以考虑积雪最不利分布，即半坡屋面积雪分布工况下刚架的受力情况。

图8 六边形刚架风向角

图9 八边形刚架风向角

4.2 荷载标准值

永久荷载标准值包括围护结构、保温层、生活管线以及结构自重，取0.30kN/m2；屋面雪荷载标准值由式(4)得到，屋面积雪分布系数μr取4.2节得到的模拟值即1.1，查阅建筑结构荷载规范，基本雪压S0取内蒙草原地区常见雪压0.25kN/m2，得屋面雪荷载标准值为0.235kN/m2。

Sk=μrS0

(4)

风荷载标准值由式(5)得到。

ωk=βzμzμsω0

(5)

基本风压ω0取内蒙草原地区常见风压0.55kN/m2；冷弯薄壁型钢蒙古包高度小于30m且高宽比小于1.5，因此风振系数βz取1.0；房屋所在草原地区地面粗糙度类别为B类，风压高度变化系数μz取1.0，风荷载体型系数μs取3.3节得到的模拟值。

4 受力性能分析

基于ANSYSWorkbench平台中的StaticStructure模块，将上述永久荷载、风荷载与风雪荷载分别施加于六边形与八边形刚架，通过ANSYS有限元模拟得到刚架最大变形与应力云图如图10所示，黑色空心框线为刚架初始位置。

图10 刚架变形与应力云图

对于六边形刚架，在仅有风荷载的情况下，刚架产生的最大应力为174.56MPa，在风雪荷载作用下，刚架产生的最大应力为225.23MPa，刚架柱顶产生的最大位移为58mm。

对于八边形刚架，在仅有风荷载的情况下，刚架产生的最大应力为132.45MPa，在风雪荷载作用下，刚架产生的最大应力为164.37MPa，刚架柱顶产生的最大位移为36mm。

屋面不均匀积雪影响率如表2所示，通过将风荷载与风雪荷载施加于刚架结构可以发现，屋面不均匀积雪的存在降低了结构承载力，无论是六边形刚架还是八边形刚架，在仅有风荷载和风雪荷载共同作用下刚架结构最大应力都未达到屈服应力235MPa，且刚架柱顶最大位移为均小于柱顶位移限值H/60，即80mm，说明刚架结构在仅有风荷载或风雪荷载共同作用下不会发生屈服破坏，证明了结构的可靠性。

对比六边形与八边形刚架可以发现，在仅有风荷载的情况下，八边形刚架产生的最大应力为132.46MPa，小于六边形刚架产生的最大应力174.56MPa，八边形刚架比六边形刚架承载力提升了24.1%；而在风雪荷载共同作用的情况下，八边形刚架产生的最大应力为164.37MPa，同样小于六边形刚架产生的最大应力225.23MPa，八边形刚架比六边形刚架承载力提升了27.1%。综上所述，在房屋跨度与构件截面尺寸以及风雪条件均相同的情况下，与六边形刚架相比，八边形刚架有更好的承受风雪荷载的能力，在实际工程中，如房屋所处地区有频繁的暴风雪发生，可选择增加刚架榀数来提高房屋结构安全性。

表2 屋面不均匀积雪影响率

5 结论

1)建立冷弯薄壁型钢蒙古包模型，对蒙古包表面进行区域划分，将其放入三维外流场，进行冷弯薄壁型钢蒙古包在风场内的模拟，得到蒙古包风荷载体型系数。

2)通过风致屋面不均匀积雪模拟，得到屋面不均匀积雪分布形式，屋面积雪分布与屋面风压分布有关，进而得到了屋面积雪分布系数。

3)将风雪荷载共同作用于冷弯薄壁型钢蒙古包六边形与八边形刚架，刚架最大应力均未达到屈服应力，且刚架柱顶最大位移为均小于柱顶位移限值，证明了刚架结构的可靠性，为该结构在草原地区特征荷载作用下的可靠性提供了理论支持。

4)在仅有风荷载的情况下，八边形刚架比六边形刚架承载力提升了24.1%，在风雪荷载共同作用的情况下，八边形刚架比六边形刚架承载力提升了27.1%，在相同的风雪条件下，八边形刚架有更好的承受风雪荷载的能力，在实际工程中，如房屋所处地区有频繁的暴风雪发生，可选择增加刚架榀数来提高房屋结构安全性。