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營的主要影響因素之一。外觀造型及站場布局影響致使鐵路客站產(chǎn)生了復(fù)雜的風(fēng)致作用，站場建筑群的干擾影響進一步加劇了這種復(fù)雜性。目前，國內(nèi)外對高速鐵路客站風(fēng)致作用研究較少，已有研究多局限于具體工程應(yīng)用，缺少對其風(fēng)致作用的形成機理、變化規(guī)律進行深入探討。因此，對鐵路客站風(fēng)致作用展開深入系統(tǒng)地研究具有重要的工程意

2、義和學(xué)術(shù)價值。
　　 本文基于CFD數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗和非定常流固耦合(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)場特征，揭示了平均來流及脈動來流條件下站場建筑的風(fēng)致作用形成機理及變化規(guī)律，并將研究成果應(yīng)用于實際工程的抗風(fēng)設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下：首先，對計算風(fēng)工程理論進行了梳理，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，基于CFX的全隱式瞬態(tài)時間步進算法，提出了準穩(wěn)態(tài)時步逼近求解技術(shù)(QSMA：Qu

3、asi-Steady State Marching-on in time Approximation Techniques)，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明了這種技術(shù)在時間離散格式上的穩(wěn)定性、誤差傳遞的趨零特性，給出了與之配套的多目標收斂監(jiān)測、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)問題的時間步長及容差限制，和傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)算法相比，計算消耗沒有增加，但由于利用了瞬態(tài)

4、控制方程求解，針對復(fù)雜建筑風(fēng)場數(shù)值模擬的收斂性增強。第二，基于準穩(wěn)態(tài)時步逼近技術(shù)，結(jié)合TTU模型實測數(shù)據(jù)，對EARSM用于建筑數(shù)值風(fēng)洞模擬的計算控制參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，包括流場自平衡檢驗、網(wǎng)格形式、湍流模型、流場尺度、邊界條件、對流項格式、近壁區(qū)網(wǎng)格△y值等。通過系統(tǒng)的校準研究，搭建起基于EARSM的數(shù)值風(fēng)洞模擬計算參數(shù)框架。第三，基于幾何拓撲分析原理，提出了鐵路客站建筑群風(fēng)荷載預(yù)測的模化特征體分析方法，結(jié)合12組特征體模型的試驗數(shù)據(jù)，

5、采用EARSM和準穩(wěn)態(tài)時步逼近求解技術(shù)進行了數(shù)值風(fēng)洞模擬，研究了風(fēng)向角、屋面坡度、結(jié)構(gòu)高度、屋面拓撲特征、結(jié)構(gòu)開敞與否、矢跨比對風(fēng)荷載形成機理以及風(fēng)場特性的影響。將該方法用于實際鐵路客站風(fēng)荷載分析并與規(guī)范相似特征相比較，結(jié)果表明方法的實用有效。第四，設(shè)計了4組參數(shù)性風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?，考慮建筑群風(fēng)場干擾影響、雨棚是否開縫、二期擴建、匝道阻塞影響，進行了風(fēng)洞試驗，研究了鐵路客站的風(fēng)場干擾影響規(guī)律?；趲缀瓮負浞治鲈?，將鐵路客站簡化為三種典型的

6、?；季痔卣黧w模型。結(jié)合數(shù)值風(fēng)洞模擬、?；卣黧w分析方法以及試驗數(shù)據(jù)，對站臺區(qū)雨棚開縫率、主站房與站臺雨棚的高度比、主站房入口大懸挑雨棚俯仰角等風(fēng)場干擾影響因素進行了深入研究，給出了鐵路客站風(fēng)場干擾影響的主要變化規(guī)律。最后，采用AR法和WAWS法編制了多點三維相關(guān)脈動風(fēng)速模擬程序、脈動風(fēng)速散度修正程序，構(gòu)建了非定常流固耦合(FSI)分析的脈動入流邊界?；赥TU實測數(shù)據(jù)對人工模擬脈動風(fēng)場進行了校準分析?；谧跃幠繕烁怕史ǔ绦蜓芯苛嗣}動風(fēng)

7、場的統(tǒng)計特性。基于任意拉格朗日-歐拉(ALE)坐標下的有限體積法，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)動力學(xué)模型，采用ALE方法處理結(jié)構(gòu)與風(fēng)場的運動邊界，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動力學(xué)與計算流體力學(xué)的結(jié)合，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)-風(fēng)場耦合分析模型；研究了不同風(fēng)向角下大跨度弦支結(jié)構(gòu)雨棚動力響應(yīng)的頻譜特征、脈動風(fēng)壓分布規(guī)律、預(yù)張力對弦索振動特性的影響、脈動風(fēng)對弦索張力退化