张莹莹，徐行天，柳博瀚，陈正寿，郑 武，于晓龙

（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；3.太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江舟山 316057；4.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山 316101）

台风作用下门式刚架结构减压抗倾的数值模拟分析

张莹莹1，徐行天2，柳博瀚2，陈正寿2，郑 武3，于晓龙4

（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；3.太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江舟山 316057；4.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山 316101）

经初步核算某船厂拟建门式刚架风雨棚结构，不能满足50 a一遇台风工况下的结构抗倾覆稳定性要求。故本文根据实际工程需求，采取在两侧各布设两个通风窗户以达到一定的减压抗倾效果，并通过数值模拟手段验证其减压、抗倾覆性能。对比分析发现20 a和50 a一遇台风工况下压力与倾覆力矩的数值计算值与理论计算值符合良好，并且进一步验证了增设窗户可有效减小迎风面的压力和背风面的吸力，整体减压抗倾效果显著。门式刚架结构满足50 a一遇台风工况下抗倾设计要求。此外，还得到的关于门式刚架表面风压分布规律的相关结论，为该类建筑物结构设计与工程安全性改进提供了一定依据。

门式刚架；台风；数值模拟；可靠性；抗倾安全系数

大跨度门式刚架主要采用轻钢结构，但由于轻钢结构具有整体质量轻、柔韧性大、阻尼小的特点，使得门式刚架结构易受到强风、暴雪的破坏。因此在对门式刚架进行优化设计时，风载荷是必须要考虑的因素之一[1]。在沿海地区，风灾发生频率高、次生灾害大、影响范围广、生命和财产损失巨大，强风对门式刚架的破坏较为严重[2]。舟山作为中国的第一大群岛和重要港口城市，加速了船舶工业的发展。船厂精细化的造船需求，使得大跨度门式刚架被广泛使用。

舟山岛屿多处外海，台风登陆频繁。因此研究在50 a一遇强台风作用下，门式刚架的抗倾安全性显得尤为重要。龚盈[3]采用有限元分析法分析门式刚架的结构静力、模态以及动力时程，发现梁柱连接刚度对受力性能具有重要的作用。宋艳香[4]通过对比不同节点刚度下的整体刚架的极限承载力，给出了节点刚度的承受范围，并通过对节点进行加腋处理发现加腋的方法对门式刚架极限承载力的提高有很大帮助。

目前，提出的关于提高节点刚度的承受力、优化梁柱截面尺寸、改变建筑体型等方法多是针对于提高封闭式工业厂房稳定性，而半封闭的行走式门式刚架结构在强风作用下涡旋流场结构复杂。因此，综合理论计算、CFD数值计算和相关经验，分析其结构强度及抗倾覆计算结果显得尤为关键。

1 实际工程问题描述

本文研究对象为舟山某船厂柱脚刚接的造船用大跨度双坡变截面行走式门式刚架风雨棚结构，风雨棚为单层、单跨形式，柱距为5 m，总长为b=25 m，宽度l=25 m，檐口高度位为20 m，屋面形式为双坡面，坡度为1/15。梁柱统一采用截面为工字型的beam189钢材，墙面板和屋面板实际应用中使用塑钢彩瓦。

主要研究其在50 a一遇强台风作用下的抗倾安全性。在前期的静力学计算中选取抗倾安全系数为1.5，抗倾安全系数=抗倾覆力矩/倾覆力矩。抗倾覆力矩与倾覆力矩的计算结果发现，在20 a一遇台风强度下抗倾安全系数为1.61，符合安全性要求；50 a一遇台风强度下的安全系数尚未达到抗倾安全要求，因此需要进一步采取措施以保证门式刚架在台风作用下的稳定性。

2 荷载分析与计算

2.1 风荷载的确定

风速观测表明，瞬时风分为周期为几秒的脉动风和周期为10 min以上的平均风。风作用在门式刚架上是一个随机的过程，主要承重结构上的标准风荷载可分为两种形式：（1）平均风压与由脉动风引起结构风振的等效风压之和；（2）平均风压与风振系数的乘积。由于在结构风振的计算中，通常是第1振型起主要作用，所以我国采用后一种表达方式[5]。门式刚架风荷载的计算公式如下：

式中：Wk—作用在门式刚架上的风荷载标准值（kN/m2）；ω0—基本风压（kPa），在引用MBMA体型系数时，规范规定的值需要乘以1.05。基本风压可按N年重现期来计算[6]，舟山地区多年一遇重现期对应的基本风压值：20 a重现期（T-20）—0.72 kPa，50 a重现期（T-50）—0.85 kPa；μs—风荷载体型系数；μz—风压高度变化系数；βz—风振系数，风振系数的取值为βz=1.0。

我国《港口工程荷载规范》及《海上固定平台人级与建造规范》建议基本风压：

ω0表示基本风压，v表示风速。由风级与风速之间不严格的关系公式知：v=0.836×(B1.5)，B表示风级。

A类地貌风压高度的变化系数公式为：

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）给定该门式刚架迎风面和背风面的风载荷形状系数μs分别为0.8、-0.5。目前规范的关于海洋平台集中荷载F计算公式如下：

其中A表示门式刚架的受风面积。

2.2 其余荷载

参考《建筑结构荷载规范》，设定该门式刚架风雨棚屋面的恒载为0.15 kN/m2，活载为 0.3 kN/m2。

2.3 计算结果

根据公式4计算50 a一遇台风级别的风载荷，如图1所示，计算迎风面AB的压力值F1、F2（方向与X轴方向平行）以及屋面BC的压力值F3。其中压力值F1作用在0～10 m区段内、F2作用在10～20 m区段内、F3作用在20～20.833 m区段内。风速在高度为10 m处时恒定，且风压分布均匀。具体计算如图1所示。

图1 风雨棚正视位置受力及重量示意图Fig.1 Sketch of forces and weights of shelter parts

其中m-n为高度范围，h为合力高度，l表示风雨棚的宽度。由于屋顶与地面的夹角为3.81°，小于15°，故 μS取-0.5[6]。F3与 AB 面垂直，方向斜向上。

3 抗倾覆稳定性分析

现以50 a一遇台风工况下的风荷载校验风雨棚门式刚架的抗倾覆性能。各个组成单元的横截面尺寸及长度值见表1。

表1 变截面门式刚架计算模型几何参数Tab.1 Geometric parameters of portal frame

刚架4个面的具体重量可以根据几何参数计算得：

（1）倾覆力矩

门式刚架倾覆力矩的计算公式如下：

其中H为压力值F到力矩中心计算点E的垂直距离。

T1、T2、T3表示压力值 F1、F2、F3分别在 0～10 m、10～20 m、20～20.833 m 高度区段内的倾覆力矩，力矩中心为E，Ttotal表示该门式刚架总的倾覆力矩。

（2）抗倾覆力矩

因此 TR=12 543.32 kN·m，TR表示风雨棚的抗倾覆力矩，PG1、PG2、PG3分别为刚架 AB、BC、CD 三个面的重量。最终计算结果见表2。

表2 不同工况下的倾覆与抗倾覆力矩/（kN·m）Tab.2 Values of OM and AM in different conditions

由表2可知，20 a一遇台风工况下，门式刚架结构的抗倾安全系数满足工程安全性要求，而50 a一遇台风工况下抗倾安全系数为1.363，无法满足抗倾安全需求。

4 抗倾措施

由以上分析知，当发生50 a一遇强台风时，行走式大跨度门式刚架风雨棚结构的可靠性难以保障，在其建造过程中，出于安全性考虑，需要采取一定的措施来保证其结构的稳定性。

许多施工单位采用地锚加固的方式来增加门式刚架风雨棚的稳定性。其优点为铰接式柱脚锚栓的预紧力能够有效的提高柱脚的抗剪承载力[7]；另外，锚栓的设置能够增加柱脚的转动刚度，减小柱顶的侧移尺度[8]。但是这种方法也存在一些缺点，如地锚加固法需要用混凝土做二次灌浆施工，在已经埋设好的门机轨道梁的场地，将加大施工难度和成本；且位置一旦确定则难以变更，限制了后续场地功能的拓展和其他辅助机械、电气设备的布设；此外，脚柱抗剪承载力提高的同时锚栓的拉应力以及混凝土的压应力也会增加。

虽然通过地锚加固的方法在一定程度上可以增强风雨棚的稳定性，但是在抗剪能力提高的同时加大了结构的应力，使得刚架存在一定的安全隐患。基于以上因素，现需选取更实用的措施来保障门式刚架结构在台风作用下的抗倾安全性，故在迎、背风面各增设窗户作为可行措施。为避免在梁柱上开孔，影响其强度，窗户布设在刚架相邻两根柱距之间。最终确定窗户边长为2.2 m的正方形。另外，还需考虑不影响刚架强度和尽可能减小风压这两个因素。

目前CFD数值仿真技术在门式刚架风速、压力分布图以及风场流线图方面的计算技术已经比较成熟[9]；采用CFD进行仿真计算不仅可以节约实验成本，缩短试验周期，而且能够获得详尽的流场分析资料。

5 CFD模型建立与网格划分

数值模拟过程中，为避免尺度效应，风雨棚建模完全基于原型实际尺寸。风流动计算区域设定为长方体，上游4 b，下游11 b，宽度8 l，高度5 h，攻角q=90°。故风流动区域设定为400 m×200 m×100 m，y+≤5，总网格数量约为165万，模型如图2所示。

门式刚架外表面边界条件设定为粗糙壁面，稳态分析使用k～ε模型，先后在未设窗和设窗两种工况下仿真分析风荷载对门式刚架的影响。

图2 CFD网格结构Fig.2 CFD mesh topology

为校验开窗后对风雨棚风压的影响概况，在分析刚架各面的压力分布之前，需了解门式刚架周围风场分布情况以便解释刚架各面压力产生的原因[10]，同时还应分析增设窗户后对风场流线的影响。

6 数值仿真计算与减压效果分析

在进行理论值的计算之后，本文使用流体CFD软件进行数值仿真计算，进一步核实计算结果的准确性、可行度。此外，还需分析开上层窗户后的减压效果，并检验门式刚架在50 a一遇台风下能否达到抗倾安全的需求。

从图3可以看出：门式刚架内部的涡流对刚架各面会产生“吸力”，背风面外侧存在风流场回旋区域，开窗后涡流和风流场回旋区会变得更加复杂。

图3 50 a一遇台风工况未设窗（左）与设窗户（右）工况风场3D流线对比图Fig.3 3D streamline comparison of models with(right)and without(left)windows under T-50

从图4、5可以看出：迎风面外侧主要受正压力作用，压力值由中心区域向边缘逐渐减小；在窗户边缘处，如图A1位置所示，会形成狭长的局部高压区域，此处比未设窗时迎风面的最高压力提高近40%，风雨棚内部的窗户边缘也会形成同样的局部高压区域，如A2位置所示。如B1位置所示，背风面主要受负压作用，背风面外侧的压力分布在很大程度上受背风面外侧的回旋风流场，加之背风面内侧的压力作用，对背风面产生双重的荷载影响，特别是在设窗之后刚架内部涡流加剧，背风面上的总体风压荷载有所增强，而整个门式刚架风荷载的总压力有所下降，总压力下降后对刚架的可靠性十分有利。由于此门式刚架的屋顶坡度和缓，迎、背风面的压力分布远远大于屋顶外侧的压力分布，屋顶内侧受刚架内部涡流的影响，主要表现为负压分布形式，如C1位置所示。另外在门式刚架的檐口、屋顶角部等边缘区域会形成局部高压区，这也是门式刚架结构特别容易被破坏的区域，如位置D1和D2所示。陈超[11]和周绪红等[12]通过与风洞实验对比分析后得出类似的结论：迎风面主要受正压力作用，背风面主要受负压力影响；平屋结构迎风屋面边缘区域对整个屋顶面而言，处于较不利的地位；在气流分离区域会受到风荷载较大的吸力作用。金玉芬等[13]对与刚架结构台风灾害风险分析及损失评估时，也发现气流越过或绕过门式刚架时，会伴随分离、再附、旋涡脱落等复杂的空气流动现象，并在墙角、檐口、屋脊和屋面角部等位置产生较高的局部负压。两者的结论与此次数值仿真的结论一致。

图4 20 a一遇台风作用下未设窗（左）与设窗户（右）工况门式刚架上各面的压力对比图Fig.4 Pressure comparison of portal frame shelters with(right)and without(left)windows under T-20

图5 50 a一遇台风作用下未设窗（左）与设窗户（右）时门式刚架上各面的压力对比图Fig.5 Pressure comparison of portal frame shelter with(right)and without(left)windows under T-50

由有限元分析软件得出20 a、50 a一遇台风工况下风荷载的各面压力、总压力与总力矩，具体值见表3。

表3 未设窗与设窗户时门式刚架各面压力、总压力与总力矩Tab.3 Sectional pressure,total pressure and total moment on portal frame surfaces relating models with and without windows

由表4可知，20、50 a一遇台风工况下，倾覆力矩的数值计算值与理论计算值的结果大体相当，两者数值差别较小，误差分别为1.51%、8.39%，在可以接受的范围内，进一步验证了仿真模拟计算的准确性。另外关于开设窗户的算例结果表明，50 a一遇台风强度时，抗倾安全系数达到1.56，符合造船用大跨度门式刚架抗倾覆性的安全要求。

表4 未设窗户时倾覆力矩的理论值、数值计算、误差Tab.4 Theoretical value,numerical calculation and error of overturning moment without windows

在此，定义迎、背风面的减压效果等于开窗前后对应面总压力之差与未设窗时风荷载总压力的比值，可用来验证开窗对迎、背风面总压力的影响程度。经验证，每侧开一个窗户时，50 a一遇台风工况下不能满足抗倾安全系数的要求，因此，采用每侧开设两个窗户的方法。由表3知屋顶迎、背风面的总压力远远小于迎风面与背风面的总压力，可以忽略两面对总压力的影响，故在各面减压效果分析时，不考虑屋顶两面的影响。从图6可以看出：以50 a一遇强台风工况为例，在迎、背风面上开设窗户，从背风面总压力轮廓图可以反应出压力的变化，总体呈现出压力值由中间向两边递减，而开设窗户后的压力值明显小于未开设窗户的压力值，说明开设窗户能使门式刚架在50 a一遇台风级别下达到减压的效果。分析图7可知，虽然开设窗户的尺度不大，透风面积仅占总面积的2%，但是迎风面的减压效果达到了14.41%。背风面的减压效果为7.35%，风荷载的总压力减小18.83%，倾覆力矩减小4.85%，减压效果较为理想。

图6 50 a一遇台风作用下未设窗（左）与设窗户（右）时门式刚架背风面总压力轮廓图Fig.6 Total pressure contour on leeward side of models with(right)and without(left)windows under T-50

7 结论

通过流体CFD软件分析，在50 a一遇台风级别下的门式刚架抗倾安全系数不能满足工程安全要求时，在迎、背风面同时开设适当面积的窗户后，刚架的抗倾覆性已基本达到安全要求，结果发现：

（1）在门式刚架迎、背风面同时开设窗户后，对于强风作用下的双缓坡屋顶风雨棚结构，迎风面风压总荷载有效降低，背风面风压总荷载的变化有利于门式刚架整体风压的减弱，两面风压的变化对提升刚架的可靠性十分有利。虽然开设窗户的面积不大，但减压效果较为理想。此外，还对改善通风、增加光照度、创建舒适的施工条件起到了很好的效果。

（2）风压荷载对窗户周围区域的压力骤然增大，无论是迎风面还是背风面都达到了各自面上的最大压力值，但对窗户周围结构的强度要求很高。

图7 20、50 a一遇台风工况下迎、背负面减压效果图Fig7 Effective comparison of decompression on windward and leeward sides under conditions of T-20 and T-50

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Numerical Simulation of Decompression and Anti-Overturning for Portal Frame Structure in the Case of Typhoon

ZHANG Ying-ying1,XU Xing-tian2,LIU Bo-han2,et al
(1.School of Port and Transport Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Based on preliminary calculation,it has been confirmed that a portal frame shelter structure of some shipyard intending to build can not satisfy the anti-overturning stability requirement in the case of 50-year return period(T-50)typhoon condition.Therefore,some measures(i.e.adding two windows on each side in this paper)have been taken to enhance the decompression and anti-overturning ability,and numerical simulations have been adopted to verify their effectiveness.By comparing the theoretical and numerical results of pressure and overturning moment(OM)in the case of 20-and 50-year return period typhoon conditions,it has been found that the results from numerical simulation agree well with those from theoretical calculation.Subsequently,it has been verified that the pressure of windward side and suction of leeside have beendecreased due to the existence of windows,and the decompression and anti-overturning effect is obviously.As a result,the overturning design in the case of 50-year return period typhoon conditions is satisfied.In addition,the observed conclusions about the rule of surface wind pressure distribution provide some references for the structural design and engineering safety improvement for similar ocean structures.

portal frame;typhoon;numerical simulation;reliability;safety factor of anti-overturning

TU392

A

1008－830X(2017)02－0159－07

2017-01-12

浙江省公益性技术应用研究计划（2015C34013）；舟山科技计划项目（2014C41003）

张莹莹（1992-），女，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向：船舶绿色节能技术研究分析.

陈正寿（1979-），男，教授，博士，研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析.E-mail:aaaczs@163.com