大跨度结构广泛运用于建筑当中，如大剧院、客运站、体育馆。随着城际铁路的快速发展，大跨度雨棚也大量应用于铁路客运站中。这一类建筑对风荷载极其敏感，使得风荷载在前期建筑结构抗风设计中越来越重要。这一类大跨度建筑因其追求高要求的空间结构，从现行《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》中无法找到对应的风荷载体型系数， 更无法得出建筑上的的风压分布规律和风振系数[1]1]。目前对风荷载的研究方法主要有全尺度实测、风洞试验、理论分析和数值模拟。现场实测是最直接有效的方法，但是这种方法对人力物力消耗巨大，且无法在建筑物设计阶段对建筑进行风荷载实测，具有一定的局限性；风洞试验作为目前的最主要的和重要的研究方法能够比较准确地模拟实验条件，如气流的速度、压力、温度等，但这种方法也存在许多不足，包括费用高昂，无法准确模拟建筑周边风环境等等。相比之下利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic, 简称CFD)原理在计算机上模拟建筑物周围的风环境方法具有明显的优势。数值模拟是研究复杂工程中结构风荷载有效且经济的方法。

在大跨度建筑研究中已有很多研究成果。顾明等[2]2]对上海南站屋盖结构的平均风荷载进行了数值模拟分析，并讨论了屋盖悬挑高度对风荷载的影响。沈国辉等[3]3]对某航站楼复杂体型屋盖结构上的风荷载分布进行了数值模拟分析。卢春玲[4]4]对复杂高层及大跨度屋盖建筑结构风效应进行了数值风洞研究。董欣等[5]5]研究了大跨度平屋盖表面风荷载体型系数。张清文[6]6]对大跨度悬挑屋盖结构的风荷载特性进行了研究。沈国辉[7]7]研究了大跨度屋盖结构和四面悬挑的航站楼表面的风荷载。本文采用计算流体动力学方法，运用数值模拟方法对铁路客运站雨棚风荷载体型系数进行模型计算，得到相应的数据与结果，分析后与规范相比较，得出建设性结论。具体方法是采用ICEMCFD 17 .0 软件和计算流体动力学软件FLUENT 17 .0 进行建模和计算[8,9,10]8-10]。

雨棚周围流体运动必须满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，即满足连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程[11]11]。本文没有考虑流体运动过程中与雨棚的热交换，故在控制方程求解中不考虑能量方程。

1)连续性方程

式(1)中，ρ为流体密度；u、v、w分别为速度在x、y、z坐标轴上的速度分量。式(2)为式(1)的简化，U表示速度，ᐁ表示哈米顿算子。

2)动量方程守恒

式(3)中，P是微元体上的压力；σij(i,j=x,y,z)是微元体表面受分子间的黏性作用产生的黏性应力分量，Fi(i=x,y,z)是微元体的体力。

合适的湍流模型是保证计算精度的关键因素，RNGκ-ε湍流模型由于其应用广泛、计算效率快且精度合理，已经是目前广泛应用的湍流模型[12]12]。

由于流体实际计算中有一定的复杂性，直接求解控制方程往往难得到解析解，所以需要将流场划分为有限的流体单元进行离散来求得其近似解。目前主要的数值计算方法有：有限差分法、有限体积法和有限单元法。求解计算流程见图1。

用于计算的简化模型按照1∶1尺寸建立，见图2。

在计算流体动力学模拟中，网格尺度和网格质量对计算精度和计算效率有重要影响。由于建筑表面区域和尾流区域流动变化比较剧烈，因此对建筑表面以及尾流区域进行网格加密，其他区域按照一定的梯度逐渐增大网格的尺寸。采用计算域为2 250 m×1 950 m×300 m的立方体[13]13]。为了更好地体现模型局部特征并捕捉壁面流动特征，全域主要采用非结构网格，并在雨棚、匝道雨棚、地面添加附面层网格。雨棚壁面处网格尺度为2 m,远场网格尺度为10 m,网格从雨棚处按照1∶1比例向外扩张。为体现局部特征，在模型较为复杂位置及曲率较大位置均有加密处理[14]14]。

本文一共建立了两套网格，第二套网格数约为第一套网格数的1.5倍。根据两套网格对流场的计算表现，选取第二套网格开展计算。最终选用的网格总数为2 664 162。网格分布见图3。

边界条件即来流风速根据《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》[15]15]确定。查得该地100年一遇基本风压为0.5(高度10 m),最终选择风压0.5进行计算。根据风压W与风速V0的关系，见式(5),确定风速为28.28 m/s。

W=V0×V0/1 600 (5)

采用速度入口边界条件(velocity-inlet),考虑大气边界层，平均风速剖面为：

V(y)=V0(y/y0)α (6)

式(6)中，y 为高度，α为地面粗糙度指数。根据B类地面粗糙度，α取0.16。

计算域顶部为对称边界条件，雨棚表面与地面采用无滑移壁面条件。其余四周边界根据来流方向，当边界位于来流下方时，设置为出口边界，对应上方边界为速度入口。出口边界条件为压力出口(pressure-outlet)[16]16]。

数值模拟对控制方程进行离散时使用有限体积法和对控制方程进行求解时采用双精度分离式求解器。流场速度-压力耦合采用Coupled算法，可有效提高非结构网格的计算精度。湍流模型对数值风洞的计算精度影响较大。由于计算模型较为复杂，且雨棚顶部曲率变化较大，易发生流动分离等现象。考虑这一因素，采用能够更好模拟流动分离的RNGκ-ε湍流模型，壁面函数采用标准壁面函数。根据壁面函数要求，雨棚壁面y+值保持在30～100之间。计算过程中首先采用稳态方法计算，但为提高收敛性，计算一定时间后采用非稳态方法计算。

收敛性判断主要通过监测流场中变量的变化与计算残差。对于流场中变量的变化，当变量值随时间不变时或者在一个稳定的平均值附近稳定波动，且每时间步残差收敛至5e-5,可认为计算收敛。

由于该大跨度铁路客运站雨棚具有严格的对称性，本论文仅对0°、30°、60°、90°的风向角进行了模拟分析。 见图4。

图5首先给出了侧视角度速度云图截面。由图5可以看出，由于来流存在大气边界层效应，随着高度的上升，来流逐渐增大。对于全覆盖雨棚(两侧为匝道雨棚)附近的流动，来流冲击至全覆盖雨棚迎风面时速度有所降低，对应压力增大，因此具有较大的体型系数，见图5a)。当流体由雨棚迎风面流动至雨棚上侧时，由于会流经一个曲面，产生加速的过程。当流体速度增大，对应压力将有所减小，并在雨棚上表面形成较大范围的低压区域，从而体型系数较小，见图5b)。此外，还可以看到流体在即将离开全覆盖雨棚时，开始出现分离流。流动分离的出现，促进了分离区域与上方主流区域的速度压力平衡，从而压力有所回升，体型系数相比于流体分离之前有所增大。

比较图6～9可知，0°风向角下，迎风面的风荷载体型系数较90°风向角下大得多，尤其是0°风向角下的屋盖体型系数最大数值为-0.83,但两边风荷载体型系数逐渐减小为0。雨棚的迎风侧以正压为主，屋盖处出现负压，在屋盖处风压梯度变化较大，整个屋盖受力极不均匀易产生破坏。背风侧处于尾流区，以体型系数负压为主，其数值范围约在-0.52～-0.83。屋盖处体型系数分布较为离散，在屋盖处及悬挑部分体型系数绝对值达到最大值，此处风吸作用较强。该现象在各个角度都普遍存在，所以须在屋盖顶部处和悬挑处进行加固，来防止被破坏。90°风向角下，迎风面侧处体型系数较风向角0°则小了很多，大部分屋盖体型系数都为负值且数值较小，只在迎风面局部处体型系数出现激增。拱门两侧均为负值，主要是绕流引起的，后半雨棚从较大负压变为较小负压，后半雨棚处于尾流处体型系数变化不大，且在后半雨棚悬挑处出现再附着，体型系数由负转正。

随着风向角增大，由于迎风面积减小，从而导致雨棚各区域所受正负风压绝对值减小，对应区域的体型系数下降。同时，根据图6所示，随着风向角改变，雨棚正面的停滞点也向角部偏移，该区域体型系数下降。在风向角为90°时，雨棚壳面与来流方向平行，所受风荷载几乎为0,但是由于仍有一定厚度的影响，可将该局部区域流动视为钝体绕流流动，在壳的角部产生分离流，由于分离涡的作用导致该区域呈负压状态。同时弧形圆顶壳面也与来流风向平行，所受风荷载几乎为0,所受负压原理和正面区域相同。对于背风侧体型系数，随侧向角度增大，分别为-0.28、-0.39、-0.35、-0.2,存在先减小后增大的趋势。原因主要是在风向角为30°和60°时，背风面不仅受到弧形圆顶来流影响，还受到两侧悬挑来流影响，故该区域流动复杂，所受负压较大。

综上所述，该雨棚的最不利风向角为0°,在该角度下的体型系数见图6。

通过分析大跨度雨棚结构不同风向角下体型系数分布规律，得到以下结论：1) 大跨度雨棚屋面各区域中最大风荷载体型系数均为负值，表明雨棚屋面总风压受负压控制，即受吸力的控制。屋盖中心风荷载体型系数达到了最大值，在设计中应重点考虑最不利状态；2) 建筑表面风压分布会随着风向角的变化而改变，随着来流侧向角度的增大，由于对迎风面的冲击逐渐减弱，体型系数逐渐减小，直至来流侧向90°时减小至-0.2;3) 对于雨棚上表面，由于迎风面的冲击弱，流体在流至上表面的加速也小，整体上体型系数逐渐增大；4) 对于背风侧体型系数，随侧向角度增大，分别为-0.28、-0.39、-0.35、-0.2,存在先减小后增大的趋势。对于背风面侧向来流的影响因素，除流动分离外，还应考虑侧向来流对其的影响。