冷弯薄壁型钢蒙古包风雪作用下仿真研究

2021-11-18王一凡

计算机仿真 2021年1期

陈明，王一凡

(内蒙古科技大学土木工程学院，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变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因动力失稳而发生倒塌[1～5]，因此本文对冷弯薄壁型钢蒙古包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[8]等。与其它两个方法，在满刻度模拟，和方便的参数分析进行比较的方面，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，数值模拟技术发展很快。

本文首先通过计算流体动力学方法，得到蒙古包风荷载体型系数，并与我国规范[12]中的风荷载体型系数进行对比，然后将屋顶风雪耦合效应进行仿真模拟，以获得屋顶上的积雪漂移后的不均匀分布图，并与现场观测到的不均匀雪荷载分布进行对比，最后将风雪荷载以0°和30°风向角分别作用于蒙古包刚架，验证结构可靠性，得到不利风向角。

2 风荷载体型系数对比

2.1 结构简介

建立冷弯薄壁型钢蒙古包刚架结构模型如图1(a)所示，跨度为9m，檐口高度为4.8m，斜梁倾角为30°，从《冷弯薄壁型钢结构技术规范》附录B中选取相应的梁柱C型钢截面尺寸，梁截面尺寸选为C160mm×60mm×20mm×2.5mm，柱截面尺寸选为C200mm×70mm×20mm×2.5mm[10]。梁柱节点板、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。采用极限状态法对该结构进行强度、稳定性和刚度设计，使其满足规范要求。在刚架结构上加盖蒙皮围护结构与天窗，如图1(b)所示，加盖蒙皮围护结构和天窗后的模型图如图1(c)所示。

图1 结构模型图

2.2 风荷载体型系数对比

将本文研究对象与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[11]中的30°双坡屋面结构进行类比，风荷载统一选取为0.55kN/，如图2所示，在①～⑤的每个面上分别布置5个测点，共25个测点。利用式(1)及式(2)分别得到5个面的风荷载体型系数μs，并与上述规范中的系数进行对比，对比结果见表1。

图2 测点示意图

(2)

式中，ωi——模拟得到的i点风压；

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。

表1 风荷载体型系数μs

根据对比后的结果可以发现，①(迎风墙面)、③(背风屋面)、⑤(山墙)风荷载体型系数与规范中基本吻合，而②(迎风屋面)与④(背风墙面)的风荷载体型系数与规范中的正负值不一致，出现了变号的情况，原因在于风荷载所引起的风压方向不同，其中②(迎风屋面)模拟出的风压为负压，而规范中所提供的为正压，而④(背风墙面)模拟出的风压为正压，而规范中所提供的为负压，由于本文研究对象横截面为圆形，而规范中为方形，说明房屋横截面形状对于风场的影响是比较明显的，以④(背风墙面)模拟结果为例，如图3所示，可以明显看到规范当中的房屋背风墙面风压为负压，而本文研究对象背风墙面风压为正压。

图3 背风墙面风压对比图

3 风雪荷载作用的仿真模拟

基于FLUENT软件平台，进行风雪荷载作用模拟，假设风吹雪使得雪发生漂移而雪的变化不会影响风场[12，13]，参考《建筑结构荷载规范》[14]中提供的积雪分布规律对屋面雪荷载进行设置，通过CFD软件，得到风吹雪一定时间后屋面积雪的不均匀分布。

3.1 CFD计算模型

将加盖蒙皮围护结构的蒙古包模型放置在设定的外流场内进行CFD分析，外流场的尺寸设定为风荷载来流方向长度150m，垂直来流方向80m，竖向高度为60m。基本风压设置为内蒙地区50年一遇风荷载，为0.55kN/(7级风，风速20m/s)进行计算。

图4 三维流场计算网格与局部计算网格

雪在风的作用下被侵蚀或沉积是由壁面附近的风速来确定的。当风速超过临界速度，壁面上的雪颗粒将发生侵蚀。当风速小于临界速度时，雪颗粒会离开计算域，沉积在壁面[15]。本文对风场入流面采用velocity-inlet边界条件；出流面采用pressure-out边界条件；流域顶部和两侧采用symmetry边界条件；结构表面和地面的采用fsi-wall的壁面条件。雪颗粒在雪发生漂移前沿屋顶均匀分布，相应雪压为0.25kN/(雪密度为150kg/m3)。参考日本建筑协会提出的《房屋荷载建议》[16]，用以确定本文湍流强度剖面。

3.2 CFD模拟屋面风压结果

图5为屋面风速与风压分布图。由图可见：①屋面风压以负压为主; ②最大风压产生于屋顶天窗处，以及天窗周边垂直于来流方向呈带状分布；③迎风屋面风压为负压，呈阶梯状分布，背风屋面风压接近屋顶处为负压，而接近屋面边缘处为正压，也呈阶梯状分布。

图5 屋面风速风压分布图

3.3 不均匀积雪数值模拟结果

雪压的不均匀分布如图6(a)中所示，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(初始均匀雪压为0.25kN/)，积雪沉积区域用曲线标出。

从图中可以看出，雪侵蚀的程度比雪沉积的程度大，积雪沉积主要发生在背风屋面，最大雪压为0.31kN/，增量为0.06kN/，屋面其余部分均有不同程度的积雪侵蚀发生，屋面不均匀积雪分布是由屋面不同位置积雪的侵蚀与沉积造成的。对比图5和图6(a)的结果可以发现：①积雪沉积区在沿着风荷载方向的背风屋面处，靠近屋顶处积雪较多，积雪厚度向屋面边缘方向递减；②迎风屋面积雪发生侵蚀但程度较小，原因是风荷载在这里受到坡屋面的阻碍，风速下降，使得积雪侵蚀量少；③其余部位积雪侵蚀程度大是因为风荷载受到的阻碍小，风速较大，使得积雪发生侵蚀。

图6 积雪不均匀分布图

3.4 现场观测蒙古包屋面不均匀积雪分布

在一场降雪过后对内蒙古包头赛罕塔拉草原内的一个蒙古包进行实地观测，观测到的蒙古包屋面不均匀积雪分布如图7所示，可以发现：①由图7(b)可以看到屋面边缘没有积雪分布；②以蒙古包屋面上的一根绳子作为参照物，以绳子痕迹的明显程度来作为判断积雪厚度的依据，由图7(c)可以看出，在接近屋顶的位置处绳子痕迹不明显，说明此处积雪较厚，而越往屋面边缘绳子痕迹越明显，说明积雪厚度由接近屋顶处向屋面边缘呈现递减的趋势。现场观测到的屋面积雪分布与模拟得到的积雪分布形式较为一致，从而验证了模拟得到的屋面不均匀积雪分布的可靠性。

图7 实地观测屋面积雪分布

4 风雪荷载作用下刚架稳定性分析

4.1 荷载与风向角定义

风荷载采用横向等效均布荷载，雪荷载采用竖向等效均布荷载，分别将风荷载与风雪荷载施加于刚架上，从而对刚架在仅有风荷载和风雪荷载共同作用下的受力情况进行分析。

由蒙古包刚架形式可设定2种风向角，如图8所示，风荷载方向从左至右，其中1种风向角如图8(a)所示，在这种情况下，有主平面刚架，即2号刚架为主刚架，平面内受力，而1、3号刚架为平面外受力，将这种风向角定义为0°风向角，另一种风向角如图8(b)所示，在这种情况下，没有主平面刚架，1、2、3号刚架均为平面外受力，将这种风向角定义为30°风向角。

图8 风向角示意图

4.2 稳定性分析

将风荷载与风雪荷载分别施加于0°和30°风向角刚架，得到刚架失稳时的变形图与应力云图如图9(a)(b)(c)所示，黑色空心框线为刚架初始位置。

图9 刚架失稳变形图与应力云图

对于0°风向角刚架，在仅有风荷载的情况下，刚架结构发生失稳时，刚架产生的最大应力为216.23MPa，在风雪荷载作用下，刚架结构发生失稳时，刚架产生的最大应力为187.56MPa。

对于30°风向角刚架，在仅有风荷载的情况下，刚架结构发生失稳时，刚架产生的最大应力为185.66MPa，在风雪荷载作用下，刚架结构发生失稳时，刚架产生的最大应力仅为134.90MPa。

通过将风荷载与风雪荷载施加于刚架结构可以发现，无论是0°风向角还是30°风向角，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，说明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。

30°风向角下刚架发生失稳时结构的最大应力为185.66MPa，小于0°风向角下刚架发生失稳时结构的最大应力216.23MPa，说明30°风向角，即没有主平面刚架下的风向角为不利风向角。

在风雪荷载共同作用于刚架时，结构发生失稳时的产生的最大应力，均比仅有风荷载作用于刚架，刚架发生失稳时产生的最大应力要小，说明与仅有风荷载相比，不均匀雪荷载的存在降低了结构的稳定性，在0°风向角情况下，风雪荷载共同作用于刚架，刚架发生失稳时所产生的最大应力比仅有风荷载作用于刚架所产生的最大应力小28.67MPa，30°风向角情况下，风雪荷载共同作用于刚架，刚架发生失稳时所产生的最大应力比仅有风荷载作用于刚架所产生的最大应力小50.76MPa，2种风向角下不均匀积雪影响率如表2所示，30°风向角比10°风向角不均匀积雪影响率高14.08%，可知蒙古包刚架将在30°风向角下，风雪荷载共同作用时率先发生失稳。