高速鐵路大型客站建筑風荷載及流固耦合作用研究.pdf

1、隨著國內(nèi)高速鐵路建設熱潮，各種造型新穎、布局復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)生了復雜的風致作用，站場建筑群的干擾影響進一步加劇了這種復雜性。目前，國內(nèi)外對高速鐵路客站風致作用研究較少，已有研究多局限于具體工程應用，缺少對其風致作用的形成機理、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、義和學術(shù)價值。
　　 本文基于CFD數(shù)值模擬、風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荷載特性和風場特征，揭示了平均來流及脈動來流條件下站場建筑的風致作用形成機理及變化規(guī)律，并將研究成果應用于實際工程的抗風設計。主要研究內(nèi)容如下：首先，對計算風工程理論進行了梳理，搭建起數(shù)值風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)學推導證明了這種技術(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，針對復雜建筑風場數(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荷載預測的?；卣黧w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)值風洞模擬，研究了風向角、屋面坡度、結(jié)構(gòu)高度、屋面拓撲特征、結(jié)構(gòu)開敞與否、矢跨比對風荷載形成機理以及風場特性的影響。將該方法用于實際鐵路客站風荷載分析并與規(guī)范相似特征相比較，結(jié)果表明方法的實用有效。第四，設計了4組參數(shù)性風洞試驗模型，考慮建筑群風場干擾影響、雨棚是否開縫、二期擴建、匝道阻塞影響，進行了風洞試驗，研究了鐵路客站的風場干擾影響規(guī)律?；趲缀瓮負浞治鲈恚瑢㈣F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場干擾影響因素進行了深入研究，給出了鐵路客站風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)脈動風速模擬程序、脈動風速散度修正程序，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)對人工模擬脈動風場進行了校準分析。基于自編目標概率法程序研究了脈動風

7、場的統(tǒng)計特性?；谌我饫窭嗜?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)動力學模型，采用ALE方法處理結(jié)構(gòu)與風場的運動邊界，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動力學與計算流體力學的結(jié)合，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)-風場耦合分析模型；研究了不同風向角下大跨度弦支結(jié)構(gòu)雨棚動力響應的頻譜特征、脈動風壓分布規(guī)律、預張力對弦索振動特性的影響、脈動風對弦索張力退化