高速鐵路大型客站建筑風(fēng)荷載及流固耦合作用研究.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路建設(shè)熱潮，各種造型新穎、布局復(fù)雜的大型交通樞紐客站陸續(xù)建成。這些客站采用了多種新型結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)荷載成為其正常使用及安全運(yùn)營(yíng)的主要影響因素之一。外觀造型及站場(chǎng)布局影響致使鐵路客站產(chǎn)生了復(fù)雜的風(fēng)致作用，站場(chǎng)建筑群的干擾影響進(jìn)一步加劇了這種復(fù)雜性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路客站風(fēng)致作用研究較少，已有研究多局限于具體工程應(yīng)用，缺少對(duì)其風(fēng)致作用的形成機(jī)理、變化規(guī)律進(jìn)行深入探討。因此，對(duì)鐵路客站風(fēng)致作用展開(kāi)深入系統(tǒng)地研究具有重要的工程意

2、義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　 本文基于CFD數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和非定常流固耦合(FSI)理論，研究了大氣邊界層下鐵路客站建筑的基本風(fēng)荷載特性和風(fēng)場(chǎng)特征，揭示了平均來(lái)流及脈動(dòng)來(lái)流條件下站場(chǎng)建筑的風(fēng)致作用形成機(jī)理及變化規(guī)律，并將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容如下：首先，對(duì)計(jì)算風(fēng)工程理論進(jìn)行了梳理，搭建起數(shù)值風(fēng)洞模擬的基本方法框架和參數(shù)體系。同時(shí)，基于CFX的全隱式瞬態(tài)時(shí)間步進(jìn)算法，提出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)步逼近求解技術(shù)(QSMA：Qu

3、asi-Steady State Marching-on in time Approximation Techniques)，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明了這種技術(shù)在時(shí)間離散格式上的穩(wěn)定性、誤差傳遞的趨零特性，給出了與之配套的多目標(biāo)收斂監(jiān)測(cè)、數(shù)值穩(wěn)定控制參數(shù)，并與Murakami-3D立方體模型的隱式穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了其有效性。這種技術(shù)降低了瞬態(tài)算法求解穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的時(shí)間步長(zhǎng)及容差限制，和傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)算法相比，計(jì)算消耗沒(méi)有增加，但由于利用了瞬態(tài)

4、控制方程求解，針對(duì)復(fù)雜建筑風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬的收斂性增強(qiáng)。第二，基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)步逼近技術(shù)，結(jié)合TTU模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)EARSM用于建筑數(shù)值風(fēng)洞模擬的計(jì)算控制參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括流場(chǎng)自平衡檢驗(yàn)、網(wǎng)格形式、湍流模型、流場(chǎng)尺度、邊界條件、對(duì)流項(xiàng)格式、近壁區(qū)網(wǎng)格△y值等。通過(guò)系統(tǒng)的校準(zhǔn)研究，搭建起基于EARSM的數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算參數(shù)框架。第三，基于幾何拓?fù)浞治鲈?，提出了鐵路客站建筑群風(fēng)荷載預(yù)測(cè)的?；卣黧w分析方法，結(jié)合12組特征體模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，

5、采用EARSM和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)步逼近求解技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞模擬，研究了風(fēng)向角、屋面坡度、結(jié)構(gòu)高度、屋面拓?fù)涮卣?、結(jié)構(gòu)開(kāi)敞與否、矢跨比對(duì)風(fēng)荷載形成機(jī)理以及風(fēng)場(chǎng)特性的影響。將該方法用于實(shí)際鐵路客站風(fēng)荷載分析并與規(guī)范相似特征相比較，結(jié)果表明方法的實(shí)用有效。第四，設(shè)計(jì)了4組參數(shù)性風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，考慮建筑群風(fēng)場(chǎng)干擾影響、雨棚是否開(kāi)縫、二期擴(kuò)建、匝道阻塞影響，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了鐵路客站的風(fēng)場(chǎng)干擾影響規(guī)律?；趲缀瓮?fù)浞治鲈恚瑢㈣F路客站簡(jiǎn)化為三種典型的

6、模化布局特征體模型。結(jié)合數(shù)值風(fēng)洞模擬、?；卣黧w分析方法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)站臺(tái)區(qū)雨棚開(kāi)縫率、主站房與站臺(tái)雨棚的高度比、主站房入口大懸挑雨棚俯仰角等風(fēng)場(chǎng)干擾影響因素進(jìn)行了深入研究，給出了鐵路客站風(fēng)場(chǎng)干擾影響的主要變化規(guī)律。最后，采用AR法和WAWS法編制了多點(diǎn)三維相關(guān)脈動(dòng)風(fēng)速模擬程序、脈動(dòng)風(fēng)速散度修正程序，構(gòu)建了非定常流固耦合(FSI)分析的脈動(dòng)入流邊界。基于TTU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)人工模擬脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了校準(zhǔn)分析?；谧跃幠繕?biāo)概率法程序研究了脈動(dòng)風(fēng)

7、場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性?；谌我饫窭嗜?歐拉(ALE)坐標(biāo)下的有限體積法，采用大渦模擬(LES)求解Navier-Stokes方程，構(gòu)建了大跨度弦支結(jié)構(gòu)雨棚的氣動(dòng)分析模型；結(jié)合大跨度弦支結(jié)構(gòu)雨棚的非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，采用ALE方法處理結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)邊界，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與計(jì)算流體力學(xué)的結(jié)合，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)-風(fēng)場(chǎng)耦合分析模型；研究了不同風(fēng)向角下大跨度弦支結(jié)構(gòu)雨棚動(dòng)力響應(yīng)的頻譜特征、脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律、預(yù)張力對(duì)弦索振動(dòng)特性的影響、脈動(dòng)風(fēng)對(duì)弦索張力退化