第38卷第5期建 筑 结 构2008年5月
北京南站屋面雪荷载分布研究
李雪峰, 周
毅, 顾 明
(同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海200092)
＊
[摘要] 基于空气相和雪相的关系为单向耦合的假设, 采用了两相流理论模拟了风作用下雪的漂移过程。对通用流体软件FLUENT 进行了二次开发, 计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布, 并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析, 为结构设计提供了依据。[关键词] 大跨度屋盖结构; CFD ; 两相流; 雪漂; 雪荷载
Study on snow loads on the roof of Beijing south station Li Xuefeng , Zhou Xuanyi , Gu Ming
(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineerin g , Tongji University , Shanghai 200092, China )
A bstract :Snow drifting in wind is cons idered as a two -phase flow . The mixture of air and snow is assumed to be one -way coupled s o that the air phase can be treated as unaffected by the airborne snow . The numerical simulation employ s the commercial CFD s oft ware , FLUENT , with additional user C code added to model snow drift . The regularity of the redistribution of snow loads on the roof of Beijin g south station is discussed , which provides a basis for design of structure . Keywords :large -span roof ; CFD ; tow -phase flow ; snow drifting ; snow load
1 概述
北京南站是京沪高速铁路的北京车站, 包括主楼和雨篷。其中主楼为椭圆大跨屋盖, 南北长约350m , 东西宽190m , 最高处约40m , 有约2m 的悬挑, 属于超大跨度空间结构; 主楼两侧为悬挑雨篷, 西雨篷由雨篷
A , B 组成, 东雨篷由雨篷C , D 组成, 建筑体型十分独特。雨篷A , C 对称轴线处宽约64m , 最高处约31m ; 雨篷B , D 对称轴线处宽约56m , 最高处约26m 。雨篷南北长约330m (见图1) 。北京南站地处北京市, 降雪频率较高, 降雪量较大, 雪荷载是其结构设计的控制荷载之一。风致积雪在屋盖上的不均匀分布对结构的强度设计、稳定性分析等结果都有较大的影响, 而根据现行的荷载规范很难确定这样大型复杂屋盖表面的雪压分布, 因此非常有必要研究屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程
。
程中增加雪相的浓度控制方程进行求解计算。总体来讲, 风雪运动导致大跨屋盖表面积雪分布的模拟方法在国际上尚属于发展阶段, 而国内至今未有这方面的研究及应用。我国现行建筑结构荷载规范中仅概括地规定了几种屋面积雪分布系数, 规范依据的是以往的
设计经验及国外资料, 缺乏严格的理论根据。
以北京南站为研究对象, 基于两相流理论模拟风荷载雪漂作用, 利用CFD 技术分别对主楼和雨篷进行了全尺度数值模拟, 在软件平台FLUENT 上开发了相应的计算程序, 分析了主要风向下屋盖表面雪荷载的分布规律。
2 模拟雪漂的CFD 方法[1-5]
对空气相和雪相分别建立传输方程。假设两相的关系为单向耦合, 即雪在风(空气相) 的作用下发生漂移, 而雪的搬运、堆积过程对空气不产生影响。2. 1空气相的控制方程[6]
风在大气边界层中低速流动, 可近似看作不可压缩湍流的粘性流动。基于雷诺平均的空气相控制方程是连续性方程及雷诺方程:
(ρu i ) ρ
+=0i
图1 北京南站
(1)
有关风雪运动的数值模拟始于20世纪90年代前期, 一般采用Euler -Euler 方法, 通过在空气相的N -S 方
＊国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50621062) , 国家自然
科学基金(50608060) , 同济大学青年优秀人才培养行动计划联合资助。
作者简介:李雪峰, 博士研究生, Email :foxlixuefeng @hotmail . com 。
(ρu i ) (ρu i u j ) p
+=-+ t x i x i x j u i
+-ρu ′i u j x j x j
30°, 60°,
90°4个典型风向角下的工况进行计算。划分网格时, 建筑物的中心区域采用非结构网格, 其他区域
采用结构网格, 体网格分布在结构附近具有足够的密度且分布合理(局部放大图见图2) 。总共900963个网格节点, 2733133个体网格。收敛标准设定无量纲均方根残差为10-7, 采用二阶离散格式进行求解。
(2)
式中ρ为空气密度, u i 为风速矢量, p 为压力, μ为动力粘性系数, i j 含有脉动值的附加项, 代表了由于湍流脉动所引起的能量转移, 称为雷诺应力。用CFD 技术研究风雪的相互作用在国内尚属发展阶段, 文中采用k -ε方程模拟雷诺应力进行试探性的研究, 不同湍流模型对风雪运动的影响将在今后作进一步研究; 近壁面采用壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。2. 2雪相的控制方程
雪相的控制方程为:
(ρ(ρ ρs f ) s fu j ) s f +=μ+(-ρt s fu R , j ) j j j j
(3)
式中u j 为风的速度矢量; ρ取450kg m 3) ; f s 为雪密度(为单位体积里雪相所占的组分; μt 为空气相的湍流粘性系数, 体现了空气相对雪相的影响; u R , j 为雪相对空气的运动速度, 根据文[7]取常数0. 3m s 。在求解空气相控制方程的基础上计算式(3) , 进而获得流域内雪相所占组分的分布。2. 3壁面上雪的侵蚀与沉积
壁面上的雪是否发生侵蚀或沉积由近壁面的摩擦速度(风速) 决定。当摩擦速度u ＊超过阀值速度u ＊t , 壁面上的雪被风刮起进入计算域, 发生侵蚀; 当摩擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t , 漂移至壁面上方的雪离开计算域, 沉积在壁面。壁面上雪侵蚀流量(当摩擦速度u ＊高于阀值速度u ＊0. 20m s ) 时) 及雪沉积流量(当摩t (擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t 时) 的算式[4]分别为
2
q ero =A ero (u 2＊-u ＊t )
图2 计算网格划分
2. 4. 2边界条件的设定
1) 入流面:采用速度入流边界条件。大气边界层
α
风速剖面按指数分布模拟, u u 0=(z z 0) , 式中z 0, u 0
分别为参考高度10m 处及相应的风速(为19. 8m s , 对应于50年重新期1h 时距) ; z , u 是流域中某高度和对应的平均风速; α为地面粗糙度系数, 北京南站所处地貌类型为C 类, 对应α为0. 22。计算中在进流面处以直接给出湍流强度的方式给定入流面的湍流参数。因我国建筑荷载规范中没有给出湍流强度分布规定, 故湍流强度剖面参考日本建筑协会提出的《房屋荷载建议》[8]中有关紊流度剖面的公式来确定。
2) 出流面:由于出流接近完全发展, 采用压力出口边界条件。流域顶部和两侧采用自由滑移的壁面。屋盖表面和地面采用无滑移的壁面条件。3 计算结果及分析
3. 1单位时间内雪荷载的改变量
利用上述两相流理论, 采用CFD 技术对北京南站的主楼和雨篷进行了全尺度数值模拟, 在软件平台FLUENT 上开发了相应的计算程序, 分析了4个主要风向下(见图3) 屋盖表面雪荷载的分布规律。限于篇幅, 仅分析主楼和雨篷屋面在90°风向角下单位时间内雪荷载的改变量。90°风向角下, 雨篷对来流的遮挡使主楼在悬挑屋面的大部分区域及其部分相邻区域的屋盖表面风速降低, 摩擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t , 雪沉积在这些区域的屋面上; 主楼顶面上的大部分区域风速则比较高, 摩擦速度高于阀值速度, 该区域上的积雪在风荷载作用下发生迁移。
迎风侧的雨篷A 表面风速高, 其表面中央区域的
(4) (5)
q dep =Cw f
2
u ＊t
2-u ＊u ＊t -4
式中:A ero 为常系数, 取7. 0×10; C 为近壁面网格中
单位体积里雪相的质量, C =f ρs , 在求解雪相控制方程的基础上获得; w f 为雪的下沉速度。摩擦速度u ＊=u (z ) κ ln (z z s ) , 式中κ为von Karman 常数, 取0. 4, z s 为积雪面的地面粗糙度, 取0. 0005m 。由于大跨屋盖建筑覆盖面积大, 而因积雪侵蚀或沉积造成的屋盖表面高度改变量相对较小, 文中暂不考虑这种改变所引起的计算流域变化。2. 4CFD 模型
2. 4. 1几何建模及网格划分
根据结构的对称性及周边环境的特点, 选取了0°,
3) , 分析其积雪分布系数随风向角的变化情况(见图5) 。雨篷A 中, 各分块积雪分布系数随风向角的变化规律并不相同。A -6块随风向角的增加单调减小, 由雪的沉积变为雪的侵蚀; A -3, A -4块的变化相对比较平缓; A -1块在60°时侵蚀量最大, 积雪分布系数为0. 51。雨篷B 中, 随着风向角的增加, B -4, B -5变化规律相似, 并且B -4块一直呈现沉积状态; B -1块只在0°时呈现沉积状态, 其他风向角呈现为侵蚀状态。雨篷C 中, C -3, C -4块的积雪分布系数随着风向角的增加单调上升, 但
图3 编号示意图
变化比较平缓; 其他各块则在斜风向角时积雪分布系数达到最大或最小的数值; C -1块只在90°时表现为侵蚀, 斜风向30°时积雪分布系数达最大1. 61; C -6块在0°和30°时为沉积, 在60°和90°时为侵蚀, 斜风向60°时积雪分布系数达最小0. 61。雨篷D 中, D -1, D -2块变化规律相似, 随着风向角的增加, 积雪分布系数先增大后减小, 30°时两者都达到最大; D -4, D -5块变化规律相似, 随着风向角的增加, 积雪分布系数先减小后增大, 60°时两者都达到最小; D -3块在0°和30°时表现为积雪的侵蚀, 60°和90°时表现为雪的沉积。主楼屋顶上积雪分布系数, 随着风向角的增加, E -1, E -5块在0°风向角时处于迎风前缘及背风后端, 屋盖表面风速小, 雪颗粒发生沉积; 而90°时风速大, 发生侵蚀现象。E -4块单调增加, 随着风向角的增加, 由侵蚀变为沉积; E -3块处于屋盖的最高部位, 风速较大, 一直处于侵蚀状态, 变化比较平缓。
整体看来, 处于屋盖中央的分块, 积雪分布系数随风向角的变化相对平缓; 其他分块的积雪分布系数多在斜风向角时达到极大或极小值。主楼屋顶的中央区
积雪发生侵蚀现象。图4给出了剖面A -A (见图3) 的风速矢量分布, 从图中可以看出, 由于雨篷A 高于雨篷B , 对雨篷B 有遮挡效应, 使雨篷B 的表面风速较低, 雪沉积在雨篷B 的大部分区域上; 处于背风侧的雨篷C , D 由于主楼的影响, 中间部分形成了雪的沉积, 边角部分形成雪的侵蚀。CFD 计算风压结果与实际较吻合, 限于篇幅, 没给出详细的比较; 雪荷载计算结果与实际的吻合程度有待风洞试验和实测的进一步验证
。
图4 风速矢量分布图
域是最高处, 在各个风向角的作用下, 风速都比较高, 一直处于侵蚀状态。
3. 3屋盖表面雪荷载分布系数
以单位时间内雪荷载改变量为基础, 结合中国荷载规范, 计算得到考虑风荷载(50年重现期) 对雪迁移作用后的屋盖积雪分布系数图(图6) 。限于篇幅, 只给出90°风向角作用下的分布。从图中可以看出, 迎风侧的雨篷A 上各块都处于侵蚀状态, 雪荷载相对标准值有所降低; 雨篷B 则由于雨篷A 的遮挡作用, 除了边角上的分块以外, 都表现为沉积状态, 雪荷载相对标准值有所提高。背风侧的雨篷C , D , 则由于主楼的影响, 分布规律较相似, 除了边角上一些分块以外, 表现为沉
3. 2屋盖积雪分布系数随风向变化的情况
我国建筑结构荷载规范[9]给出了屋面水平投影面上雪荷载标准值的计算公式:
S k =μr S 0
(6)
式中S k 为雪荷载标准值; S 0为基本雪压; μr 为屋盖积雪分布系数。S 0在实际应用中, 根据荷载规范给出的50年一遇的雪压进行取值。考虑雪沉积量和雪侵蚀量的守恒, 采用基本雪压对计算结果进行无量纲化, 把结果以积雪分布系数形式给出。
选取屋盖表面的几个典型分块(分块编号见图
图5 积雪分布系数随风向角的变化
积状态。主楼的雪荷载呈中央区域小, 两侧区域偏大的分布
。
和雨篷屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程。在单位时间内雪荷载改变量的基础上, 得到屋盖积雪分布系数的分布情况。计算结果显示, 处于屋盖中央的区域, 随风向角的变化, 积雪分布系数变化相对平缓。主楼悬挑屋面区域和部分相邻区域, 由于流动分离, 风速较低, 出现积雪的沉积; 顶部则风速较高, 出现积雪的侵蚀。整个屋面的雪荷载相对均匀分布有一定的增加。文中雪荷载分布结果为结构设计提供了依据。
参
考
文
献
[1]T SATO , T UEMATSU , T NAKA TA , et al . Three dimensional
numerical simulation of s nowdrift [J ]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodyna mics , 1993, 46-47.
[2]G E LISTO N , M STUR M . A s now trans port model for complex terrain
图6 90°风向角时北京南站雨篷屋面雪荷载分布图 kPa
[J ]. J . Glaciol , 1998, 44(148) .
[3]S ALHAJR AF . Computational fluid dynamic modeling of drifting
particles at porous fences [J ]. Environmental Modelling and Soft ware , 2004, 19:163-170. [4]J H M BEYER S ,
P A SUND SBO , T M HAR MS . Numerical
si mulation of three -dimensional , transient snow drifting around a cube [J ]. J ournal of Wind Engineering and Indus trial Aerodynamics , 2004, 92:725-747.
[5]S AL HAJRAF . Computational fluid dyna mic modeling of drifting
particles at porous fences [J ]. Environmental Modelling &Soft ware , 2004, 19:163-170.
[6]吴望一. 流体力学[M ]. 北京:北京大学出版社, 2000. [7]P A SU NDSBO . Numerical s imulations of wind deflection fins t o control
snow accumulation in building steps [J ]. J ournal of Wind Engineering and Indus trial Aerodynamics , 1998, 74-76. [8]日本建筑协会(AIJ ) . 房屋荷载建议[S ]. 1995.
[9]GB50009—2001建筑结构荷载规范[S ]. 北京:中国建筑工业出
版社, 2002.
[10]PH DEL PECH , P PALIER , J GANDEMER . Snowdrifting simulation
around Antarctic buildings [J ]. J ournal of Wind Engineering and Industrial Aerodyna mics , 1998, 74-76.
在北京地区, 荷载规范中对应于50年重现期的雪荷载标准值为0. 40kPa [9]。经过风荷载迁移作用, 主楼和雨篷屋盖表面许多区域的雪荷载相对均匀分布的情况有所增加。主楼在悬挑屋面大部分区域及其部分相邻区域出现沉积现象, 雪荷载较大。此外需要说明的是, 50年重新期基本雪压和50年重现期的风压不一定会同时出现; 并且可能在某个较低速度来流的持续作用下, 屋盖上的雪荷载分布是最不利情况。
实际上雪压与风速的相互关系是一个很复杂的问题, 在目前情况下, 文中处理方法参考了文[10]。文
[10]就是在极端情况下(最大降雪量的情况下同时发生可能的最高风速) 利用人造雪预测了南极建筑周边的风雪运动(采用风洞试验) 。这一问题有待今后进一步的研究。4 结语
利用两相流理论模拟风荷载雪漂作用, 对通用流体软件FLUENT 进行了二次开发, 计算了北京南站主楼
上海世博会倒计时两周年一轴四馆率先“拱”出地面
5月1日, 2010年上海世界博览会开幕倒计时两周年。位于上海中心城区黄浦江两岸的世博会园区正是一片热火朝天的施工场面。占地5. 28平方公里的世博会园区, 新建和改建的各类建筑物面积达200万m , 不仅是当前全国规模最大、城市化标准要求较高的集中连片工地, 也是世博会150多年历史上面积最大的一个园区。自2006年8月园区建设工程陆续启动以来, 已有20个大项的近100个单体建筑开工兴建, 其中包括“一轴四馆”(世博中心、主题馆、中国馆、演艺中心以及世博轴) 等永久性建筑。迄今为止, 各项目建设基本上按照节点目标稳步推进。
作为园区内首个新建永久性场馆, 世博中心长414m 、宽99m 的超大规模地基工程如期按质完成。被冠以“世博第一吊”的世博中心钢结构已于3月25日开吊, 预计将于今年11月完成。高为63m 的中国馆, 其最深的桩同样要打60多m 深, 常规桩也要
2
打至30多m 深, 目前, 5000根桩的工程量已完成七成。5月初, 国家馆地下室将开始挖土。主题馆的桩基施工也基本完成, 现正在进行地下室围护工程, 5月中旬将开始底板施工。演艺中心的桩基已完成, 5月初开始挖土。考虑到上海世博会半年会期内, 平均每天可能涌入四五十万人次参观者, 总客流量高达7000万人次, 以“一轴四馆”为代表的世博会永久性建筑, 都开挖了彼此连通的庞大地下建筑, 总建筑面积约30万m 2。其中, 主要用于人流通行的世博轴, 长1. 1km , 宽近100m , 两层地下空间深12m , 目前, 世博轴与主题馆连接通道已开始施工。
今天的世博会园区工地, 来自全国各地的施工队伍已超过1万人。按照计划, 今年第四季度, 园区将形成建设高峰, 2009年进入“立体施工”阶段, 建筑、装潢、布展同时进行, 届时园区施工队伍人数将达二三万人甚至更多。
第38卷第5期建 筑 结 构2008年5月
北京南站屋面雪荷载分布研究
李雪峰, 周
毅, 顾 明
(同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海200092)
＊
[摘要] 基于空气相和雪相的关系为单向耦合的假设, 采用了两相流理论模拟了风作用下雪的漂移过程。对通用流体软件FLUENT 进行了二次开发, 计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布, 并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析, 为结构设计提供了依据。[关键词] 大跨度屋盖结构; CFD ; 两相流; 雪漂; 雪荷载
Study on snow loads on the roof of Beijing south station Li Xuefeng , Zhou Xuanyi , Gu Ming
(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineerin g , Tongji University , Shanghai 200092, China )
A bstract :Snow drifting in wind is cons idered as a two -phase flow . The mixture of air and snow is assumed to be one -way coupled s o that the air phase can be treated as unaffected by the airborne snow . The numerical simulation employ s the commercial CFD s oft ware , FLUENT , with additional user C code added to model snow drift . The regularity of the redistribution of snow loads on the roof of Beijin g south station is discussed , which provides a basis for design of structure . Keywords :large -span roof ; CFD ; tow -phase flow ; snow drifting ; snow load
1 概述
北京南站是京沪高速铁路的北京车站, 包括主楼和雨篷。其中主楼为椭圆大跨屋盖, 南北长约350m , 东西宽190m , 最高处约40m , 有约2m 的悬挑, 属于超大跨度空间结构; 主楼两侧为悬挑雨篷, 西雨篷由雨篷
A , B 组成, 东雨篷由雨篷C , D 组成, 建筑体型十分独特。雨篷A , C 对称轴线处宽约64m , 最高处约31m ; 雨篷B , D 对称轴线处宽约56m , 最高处约26m 。雨篷南北长约330m (见图1) 。北京南站地处北京市, 降雪频率较高, 降雪量较大, 雪荷载是其结构设计的控制荷载之一。风致积雪在屋盖上的不均匀分布对结构的强度设计、稳定性分析等结果都有较大的影响, 而根据现行的荷载规范很难确定这样大型复杂屋盖表面的雪压分布, 因此非常有必要研究屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程
。
程中增加雪相的浓度控制方程进行求解计算。总体来讲, 风雪运动导致大跨屋盖表面积雪分布的模拟方法在国际上尚属于发展阶段, 而国内至今未有这方面的研究及应用。我国现行建筑结构荷载规范中仅概括地规定了几种屋面积雪分布系数, 规范依据的是以往的
设计经验及国外资料, 缺乏严格的理论根据。
以北京南站为研究对象, 基于两相流理论模拟风荷载雪漂作用, 利用CFD 技术分别对主楼和雨篷进行了全尺度数值模拟, 在软件平台FLUENT 上开发了相应的计算程序, 分析了主要风向下屋盖表面雪荷载的分布规律。
2 模拟雪漂的CFD 方法[1-5]
对空气相和雪相分别建立传输方程。假设两相的关系为单向耦合, 即雪在风(空气相) 的作用下发生漂移, 而雪的搬运、堆积过程对空气不产生影响。2. 1空气相的控制方程[6]
风在大气边界层中低速流动, 可近似看作不可压缩湍流的粘性流动。基于雷诺平均的空气相控制方程是连续性方程及雷诺方程:
(ρu i ) ρ
+=0i
图1 北京南站
(1)
有关风雪运动的数值模拟始于20世纪90年代前期, 一般采用Euler -Euler 方法, 通过在空气相的N -S 方
＊国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50621062) , 国家自然
科学基金(50608060) , 同济大学青年优秀人才培养行动计划联合资助。
作者简介:李雪峰, 博士研究生, Email :foxlixuefeng @hotmail . com 。
(ρu i ) (ρu i u j ) p
+=-+ t x i x i x j u i
+-ρu ′i u j x j x j
30°, 60°,
90°4个典型风向角下的工况进行计算。划分网格时, 建筑物的中心区域采用非结构网格, 其他区域
采用结构网格, 体网格分布在结构附近具有足够的密度且分布合理(局部放大图见图2) 。总共900963个网格节点, 2733133个体网格。收敛标准设定无量纲均方根残差为10-7, 采用二阶离散格式进行求解。
(2)
式中ρ为空气密度, u i 为风速矢量, p 为压力, μ为动力粘性系数, i j 含有脉动值的附加项, 代表了由于湍流脉动所引起的能量转移, 称为雷诺应力。用CFD 技术研究风雪的相互作用在国内尚属发展阶段, 文中采用k -ε方程模拟雷诺应力进行试探性的研究, 不同湍流模型对风雪运动的影响将在今后作进一步研究; 近壁面采用壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。2. 2雪相的控制方程
雪相的控制方程为:
(ρ(ρ ρs f ) s fu j ) s f +=μ+(-ρt s fu R , j ) j j j j
(3)
式中u j 为风的速度矢量; ρ取450kg m 3) ; f s 为雪密度(为单位体积里雪相所占的组分; μt 为空气相的湍流粘性系数, 体现了空气相对雪相的影响; u R , j 为雪相对空气的运动速度, 根据文[7]取常数0. 3m s 。在求解空气相控制方程的基础上计算式(3) , 进而获得流域内雪相所占组分的分布。2. 3壁面上雪的侵蚀与沉积
壁面上的雪是否发生侵蚀或沉积由近壁面的摩擦速度(风速) 决定。当摩擦速度u ＊超过阀值速度u ＊t , 壁面上的雪被风刮起进入计算域, 发生侵蚀; 当摩擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t , 漂移至壁面上方的雪离开计算域, 沉积在壁面。壁面上雪侵蚀流量(当摩擦速度u ＊高于阀值速度u ＊0. 20m s ) 时) 及雪沉积流量(当摩t (擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t 时) 的算式[4]分别为
2
q ero =A ero (u 2＊-u ＊t )
图2 计算网格划分
2. 4. 2边界条件的设定
1) 入流面:采用速度入流边界条件。大气边界层
α
风速剖面按指数分布模拟, u u 0=(z z 0) , 式中z 0, u 0
分别为参考高度10m 处及相应的风速(为19. 8m s , 对应于50年重新期1h 时距) ; z , u 是流域中某高度和对应的平均风速; α为地面粗糙度系数, 北京南站所处地貌类型为C 类, 对应α为0. 22。计算中在进流面处以直接给出湍流强度的方式给定入流面的湍流参数。因我国建筑荷载规范中没有给出湍流强度分布规定, 故湍流强度剖面参考日本建筑协会提出的《房屋荷载建议》[8]中有关紊流度剖面的公式来确定。
2) 出流面:由于出流接近完全发展, 采用压力出口边界条件。流域顶部和两侧采用自由滑移的壁面。屋盖表面和地面采用无滑移的壁面条件。3 计算结果及分析
3. 1单位时间内雪荷载的改变量
利用上述两相流理论, 采用CFD 技术对北京南站的主楼和雨篷进行了全尺度数值模拟, 在软件平台FLUENT 上开发了相应的计算程序, 分析了4个主要风向下(见图3) 屋盖表面雪荷载的分布规律。限于篇幅, 仅分析主楼和雨篷屋面在90°风向角下单位时间内雪荷载的改变量。90°风向角下, 雨篷对来流的遮挡使主楼在悬挑屋面的大部分区域及其部分相邻区域的屋盖表面风速降低, 摩擦速度u ＊低于阀值速度u ＊t , 雪沉积在这些区域的屋面上; 主楼顶面上的大部分区域风速则比较高, 摩擦速度高于阀值速度, 该区域上的积雪在风荷载作用下发生迁移。
迎风侧的雨篷A 表面风速高, 其表面中央区域的
(4) (5)
q dep =Cw f
2
u ＊t
2-u ＊u ＊t -4
式中:A ero 为常系数, 取7. 0×10; C 为近壁面网格中
单位体积里雪相的质量, C =f ρs , 在求解雪相控制方程的基础上获得; w f 为雪的下沉速度。摩擦速度u ＊=u (z ) κ ln (z z s ) , 式中κ为von Karman 常数, 取0. 4, z s 为积雪面的地面粗糙度, 取0. 0005m 。由于大跨屋盖建筑覆盖面积大, 而因积雪侵蚀或沉积造成的屋盖表面高度改变量相对较小, 文中暂不考虑这种改变所引起的计算流域变化。2. 4CFD 模型
2. 4. 1几何建模及网格划分
根据结构的对称性及周边环境的特点, 选取了0°,
3) , 分析其积雪分布系数随风向角的变化情况(见图5) 。雨篷A 中, 各分块积雪分布系数随风向角的变化规律并不相同。A -6块随风向角的增加单调减小, 由雪的沉积变为雪的侵蚀; A -3, A -4块的变化相对比较平缓; A -1块在60°时侵蚀量最大, 积雪分布系数为0. 51。雨篷B 中, 随着风向角的增加, B -4, B -5变化规律相似, 并且B -4块一直呈现沉积状态; B -1块只在0°时呈现沉积状态, 其他风向角呈现为侵蚀状态。雨篷C 中, C -3, C -4块的积雪分布系数随着风向角的增加单调上升, 但
图3 编号示意图
变化比较平缓; 其他各块则在斜风向角时积雪分布系数达到最大或最小的数值; C -1块只在90°时表现为侵蚀, 斜风向30°时积雪分布系数达最大1. 61; C -6块在0°和30°时为沉积, 在60°和90°时为侵蚀, 斜风向60°时积雪分布系数达最小0. 61。雨篷D 中, D -1, D -2块变化规律相似, 随着风向角的增加, 积雪分布系数先增大后减小, 30°时两者都达到最大; D -4, D -5块变化规律相似, 随着风向角的增加, 积雪分布系数先减小后增大, 60°时两者都达到最小; D -3块在0°和30°时表现为积雪的侵蚀, 60°和90°时表现为雪的沉积。主楼屋顶上积雪分布系数, 随着风向角的增加, E -1, E -5块在0°风向角时处于迎风前缘及背风后端, 屋盖表面风速小, 雪颗粒发生沉积; 而90°时风速大, 发生侵蚀现象。E -4块单调增加, 随着风向角的增加, 由侵蚀变为沉积; E -3块处于屋盖的最高部位, 风速较大, 一直处于侵蚀状态, 变化比较平缓。
整体看来, 处于屋盖中央的分块, 积雪分布系数随风向角的变化相对平缓; 其他分块的积雪分布系数多在斜风向角时达到极大或极小值。主楼屋顶的中央区
积雪发生侵蚀现象。图4给出了剖面A -A (见图3) 的风速矢量分布, 从图中可以看出, 由于雨篷A 高于雨篷B , 对雨篷B 有遮挡效应, 使雨篷B 的表面风速较低, 雪沉积在雨篷B 的大部分区域上; 处于背风侧的雨篷C , D 由于主楼的影响, 中间部分形成了雪的沉积, 边角部分形成雪的侵蚀。CFD 计算风压结果与实际较吻合, 限于篇幅, 没给出详细的比较; 雪荷载计算结果与实际的吻合程度有待风洞试验和实测的进一步验证
。
图4 风速矢量分布图
域是最高处, 在各个风向角的作用下, 风速都比较高, 一直处于侵蚀状态。
3. 3屋盖表面雪荷载分布系数
以单位时间内雪荷载改变量为基础, 结合中国荷载规范, 计算得到考虑风荷载(50年重现期) 对雪迁移作用后的屋盖积雪分布系数图(图6) 。限于篇幅, 只给出90°风向角作用下的分布。从图中可以看出, 迎风侧的雨篷A 上各块都处于侵蚀状态, 雪荷载相对标准值有所降低; 雨篷B 则由于雨篷A 的遮挡作用, 除了边角上的分块以外, 都表现为沉积状态, 雪荷载相对标准值有所提高。背风侧的雨篷C , D , 则由于主楼的影响, 分布规律较相似, 除了边角上一些分块以外, 表现为沉
3. 2屋盖积雪分布系数随风向变化的情况
我国建筑结构荷载规范[9]给出了屋面水平投影面上雪荷载标准值的计算公式:
S k =μr S 0
(6)
式中S k 为雪荷载标准值; S 0为基本雪压; μr 为屋盖积雪分布系数。S 0在实际应用中, 根据荷载规范给出的50年一遇的雪压进行取值。考虑雪沉积量和雪侵蚀量的守恒, 采用基本雪压对计算结果进行无量纲化, 把结果以积雪分布系数形式给出。
选取屋盖表面的几个典型分块(分块编号见图
图5 积雪分布系数随风向角的变化
积状态。主楼的雪荷载呈中央区域小, 两侧区域偏大的分布
。
和雨篷屋盖表面积雪在风作用下的漂移过程。在单位时间内雪荷载改变量的基础上, 得到屋盖积雪分布系数的分布情况。计算结果显示, 处于屋盖中央的区域, 随风向角的变化, 积雪分布系数变化相对平缓。主楼悬挑屋面区域和部分相邻区域, 由于流动分离, 风速较低, 出现积雪的沉积; 顶部则风速较高, 出现积雪的侵蚀。整个屋面的雪荷载相对均匀分布有一定的增加。文中雪荷载分布结果为结构设计提供了依据。
参
考
文
献
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图6 90°风向角时北京南站雨篷屋面雪荷载分布图 kPa
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在北京地区, 荷载规范中对应于50年重现期的雪荷载标准值为0. 40kPa [9]。经过风荷载迁移作用, 主楼和雨篷屋盖表面许多区域的雪荷载相对均匀分布的情况有所增加。主楼在悬挑屋面大部分区域及其部分相邻区域出现沉积现象, 雪荷载较大。此外需要说明的是, 50年重新期基本雪压和50年重现期的风压不一定会同时出现; 并且可能在某个较低速度来流的持续作用下, 屋盖上的雪荷载分布是最不利情况。
实际上雪压与风速的相互关系是一个很复杂的问题, 在目前情况下, 文中处理方法参考了文[10]。文
[10]就是在极端情况下(最大降雪量的情况下同时发生可能的最高风速) 利用人造雪预测了南极建筑周边的风雪运动(采用风洞试验) 。这一问题有待今后进一步的研究。4 结语
利用两相流理论模拟风荷载雪漂作用, 对通用流体软件FLUENT 进行了二次开发, 计算了北京南站主楼
上海世博会倒计时两周年一轴四馆率先“拱”出地面
5月1日, 2010年上海世界博览会开幕倒计时两周年。位于上海中心城区黄浦江两岸的世博会园区正是一片热火朝天的施工场面。占地5. 28平方公里的世博会园区, 新建和改建的各类建筑物面积达200万m , 不仅是当前全国规模最大、城市化标准要求较高的集中连片工地, 也是世博会150多年历史上面积最大的一个园区。自2006年8月园区建设工程陆续启动以来, 已有20个大项的近100个单体建筑开工兴建, 其中包括“一轴四馆”(世博中心、主题馆、中国馆、演艺中心以及世博轴) 等永久性建筑。迄今为止, 各项目建设基本上按照节点目标稳步推进。
作为园区内首个新建永久性场馆, 世博中心长414m 、宽99m 的超大规模地基工程如期按质完成。被冠以“世博第一吊”的世博中心钢结构已于3月25日开吊, 预计将于今年11月完成。高为63m 的中国馆, 其最深的桩同样要打60多m 深, 常规桩也要
2
打至30多m 深, 目前, 5000根桩的工程量已完成七成。5月初, 国家馆地下室将开始挖土。主题馆的桩基施工也基本完成, 现正在进行地下室围护工程, 5月中旬将开始底板施工。演艺中心的桩基已完成, 5月初开始挖土。考虑到上海世博会半年会期内, 平均每天可能涌入四五十万人次参观者, 总客流量高达7000万人次, 以“一轴四馆”为代表的世博会永久性建筑, 都开挖了彼此连通的庞大地下建筑, 总建筑面积约30万m 2。其中, 主要用于人流通行的世博轴, 长1. 1km , 宽近100m , 两层地下空间深12m , 目前, 世博轴与主题馆连接通道已开始施工。
今天的世博会园区工地, 来自全国各地的施工队伍已超过1万人。按照计划, 今年第四季度, 园区将形成建设高峰, 2009年进入“立体施工”阶段, 建筑、装潢、布展同时进行, 届时园区施工队伍人数将达二三万人甚至更多。