周邊建筑對體育館屋蓋和幕墻風荷載的干擾影響

摘要:分析張家界體育中心體育館的風洞測壓數據，分別考慮無周邊建筑和有周邊建筑的2種情況，以屋蓋和幕墻的風壓為研究對象，研究周邊場館對屋蓋和幕墻風荷載的干擾影響;采用干擾因子分析法和多階模態力法分析屋蓋等效風荷載。分析表明:在干擾影響下，屋蓋峰值負壓的干擾因子達到1.5，峰值正壓的干擾因子達到5;干擾影響下的幕墻最不利風壓集中位置為干擾體周邊的幕墻凹陷處和干擾體周邊的幕墻拐角處。

關鍵詞:體育館;風荷載;干擾影響;等效風荷載;幕墻

中圖分類號:V211.7; TU312文獻標識碼:A

Interference Effects of Surrounding Buildings on Wind Loads of Roof and Curtain Walls of a Stadium

LI Zheng-nong， GONG Bo， LUO Die-feng

(Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Hunan Univ， Changsha，Hunan410082， China)

Abstract: Mutual aerodynamic interference sffects of stadiums has been a important problem in engineering design. Based on pressure data acquired from wind tunnel test of rigid model of Zhangjiajie Stadium， wind loads of roof and curtain walls of the stadium would be discussed in detail in order to study interference effect of surrounding buildings. The interference factors method and multi-level modal force method are applied to calculate the Stadium roof’s equivalent wind loads. Several conclusions can be made as follows. Because of interference effect， wind loadsofroofof the stadium show much larger than those of the non-interfered parts. The interference factor of peaking negative pressures achieves 1.5 and the interference factor of peaking positive pressures achieves 5. Unfavourable wind pressure of curtain walls of the stadium appear sag position and corner position of curtain walls.

Key words: stadium; wind load; interference effects; equivalent wind load; curtain wall

1 引言

對大跨度屋蓋結構，風荷載往往是主體結構設計和維護結構設計中的主要荷載之一，特別是懸挑屋蓋，其上下表面均受到風荷載的作用。文獻 對屋蓋風壓分布進行研究，文獻 給出了典型屋蓋的風壓特性，文獻 給出了懸挑屋蓋風荷載的試驗分析和數值模擬，文獻 研究懸挑屋蓋形式對抗風性能的影響。上述文獻都是基于無周邊建筑干擾的體育場館屋蓋的風荷載研究，但是現在越來越多的體育中心出現多個體育場館集中在一起的現象，包括體育館、體育場、游泳館和訓練館等，這些場館相距較近，并且形體巨大，它們之間的相互氣動干擾對風荷載的影響成為工程設計需要高度重視的問題之一。文獻 研究了附近山體對體育場挑篷風壓的干擾作用，文獻 研究了周邊多個高層建筑影響下的體育館屋蓋風荷載。

本文以張家界體育中心體育館為例，研究在體育場、訓練館和高層建筑干擾作用下的體育館屋蓋和幕墻的風荷載，并且把分析結果同無周邊建筑干擾作用下的體育館屋蓋和幕墻的風荷載進行對比研究，具有重要的工程和試驗參考價值。

2 試驗概況

湖南大學HD-2號風洞是一座回流式風洞，試驗段尺寸為3m×2m，試驗段風速0-60m/s連續可調。大氣邊界層模擬風場的調試和測定是用眼鏡蛇探頭。測壓裝置是美國PSI掃描閥公司的DTCnet電子式壓力掃描閥系統。體育館測壓試驗的模型縮尺比為1/150，模型高約20cm，平面尺寸63cm×63cm;模型共布置445個測壓點，124個測點布置在屋蓋的懸挑部分，即圖1中的30到36板塊，懸挑部分上、下表面對應布置測點，同步測壓;251個測點布置在屋蓋的其余部分，即圖1中的1到29板塊;70個測點布置在幕墻部分。屋蓋測點及分塊布置圖見圖1，試驗風向按24個羅盤方向設置，每間隔 設置一個試驗風向，見圖1所示。風洞中試驗模型照片見圖2，體育館受到周邊3個建筑物的干擾影響，具體包括:(1)體育場位于體育館的165度風向角位置處，它們的外邊緣相距約35m(按實物距離);(2)訓練館位于體育館的330度風向角位置處，它們的外邊緣相距約27m(按實物距離);(3)高層建筑位于體育館的350度風向角位置處，它們的外邊緣相距約105m(按實物距離)。

針對地貌、地形特點，采用格柵、尖梯、擋板、粗糙元裝置模擬大氣邊界層，符合B類地貌風場。試驗風向見圖1所示。試驗中分別考慮無周邊建筑和有周邊建筑的兩種情況，共得到48個工況下的測壓數據。

圖1試驗風向、屋蓋測點和屋蓋分塊布置圖

Fig.1 Wind direction， Measuring points and Blocks

圖2. 風洞中的試驗模型照片

Fig.2 Photo of the testing model

3屋蓋懸挑部分的風壓

3.1 試驗數據處理

(1)

式中， 為屋蓋懸挑部分的上表面和下表面對應測點的凈風壓系數， 和分別為上表面和下表面對應測點的風壓， 為模型前方來流未擾動區相當于模型頂端高度處的平均風速， 為空氣密度。

通過對 的分析，可得到測點的平均凈風壓系數 和脈動風壓系數，測點的峰值正壓系數和峰值負壓系數分別為:

(2)

(3)

試驗得到的風壓分布具有較好的高斯特性，本文中的峰值因子 取值為3.5，保證率達到99.95%。

為了便于設計應用和規范采用，本文進行分塊風壓系數的計算:

(4)

(5)

(6)

式中， 為各測壓點所屬面積， 為各測壓點所屬面積的總和。

3.2平均風壓和峰值風壓

對于大跨屋蓋結構，風流經屋面后會產生分離，形成漩渦，然后再附于屋面上，再加上三維流效應，其風場非常復雜 。文獻 研究表明:對于懸挑屋面，在迎風方向，上表面呈負壓，下表面呈正壓，為“上吸下頂”的風壓疊加作用;在其他風向，上下表面均為負壓，為“上吸下吸”的風壓抵消作用。本文研究的屋蓋懸挑部分的風壓分布呈現出同樣的變化規律，其中30板塊和36板塊在迎風方向的“上吸下頂”的風壓疊加數值最大(無干擾時)，平均凈風壓系數達到-0.5。峰值負風壓系數達到-1.3。

為了反映周邊建筑對屋蓋懸挑部分的干擾效應，本文采用干擾因子 的方法來分析:

(7)

式中， 為有周邊干擾下的屋蓋懸挑部分(包括30到36板塊)的合力系數， 為無周邊干擾下的屋蓋懸挑部分(包括30到36板塊)的合力系數。圖3(a)給出了針對平均風壓、峰值負風壓和峰值正風壓計算的干擾因子隨風向角變化示意圖。

結合圖3(a)、試驗測試數據和體育館周邊干擾建筑的分布說明，本文逐個分析周邊干擾的影響效應:(1)體育場位于體育館的165度風向角位置處，在來流風的作用下，能夠影響到165度風向角位置附近的屋蓋表面風壓，但對屋蓋懸挑部分風壓的干擾影響

(a)屋蓋懸挑部分

(b) 屋蓋其余部分

圖3. 干擾因子隨風向角變化示意圖

Fig.3 Interference factor changing after wind direction

不大;(2)高層建筑和訓練館分別位于體育館的350度和330度風向角位置處，在來流風的作用下，能夠影響到350度和330度風向角位置附近的屋蓋表面風壓，即屋蓋懸挑部分的33、34、35和36板塊的風壓。

由于訓練館距離體育館較近，當風向角在285度到330度之間時，風越過干擾體訓練館后，再附到懸挑的34和35板塊上，導致這兩處位置出現平均正風壓，當無干擾時，這兩處位置的平均風壓系數為-0.2，峰值正風壓系數為0.2，由于訓練館的干擾影響，它們的平均風壓系數達到0.5，峰值正風壓系數達到1.4。

周邊干擾也會引起懸挑部分的峰值負風壓的增大或減小，隨風向角的不同，干擾因子在0.8到1.5的范圍內，當風向角為165度和330度時，由于干擾體的正面迎風遮擋，負風壓減小，干擾因子為0.8;在其余風向角條件下，由于風從干擾體中間穿過，形成一種峽縫效應 ，負風壓增大，干擾因子大于1。

綜上所述，本文得到兩點點結論:(1)有干擾體遮擋影響時，干擾體周邊的屋蓋懸挑部分的平均負風壓減小或出現平均正風壓，峰值正壓增大的幅度較大，干擾因子達到5;(2)體育館周邊的多個干擾體會形成峽縫效應，引起屋蓋懸挑部分的峰值負壓增大，干擾因子在0.8到1.5之間。

4屋蓋其余部分的風壓和幕墻的風壓

4.1 試驗數據處理

(8)

式中， 為屋蓋其余部分和幕墻的測點的風壓系數， 為各個測點的風壓值， 為參考靜壓，參考點高度取為模型頂端高度， 為模型前方來流未擾動區相當于模型頂端高度處的平均風速， 為空氣密度。

通過對 的分析，可得到測點的平均風壓系數 和脈動風壓系數 ，測點的峰值正壓系數、峰值負壓系數和分塊風壓系數的計算參照公式(2)到公式(6)。

4.2平均風壓和峰值風壓

屋蓋其余部分包括1到29板塊，從中心位置處的29板塊向四周，高度逐漸降低，分塊平均風壓系數和峰值負壓系數逐漸減小(無干擾時)。

無干擾影響時，屋蓋其余部分的平均風壓、峰值負風壓和峰值正風壓均為負壓，所以在設計時，可基本不考慮正風壓對屋蓋其余部分的影響;但有干擾影響時，屋蓋出現正風壓，峰值正壓系數達到0.2，需要在設計中加以考慮。

圖3(b)給出了針對平均風壓、峰值負風壓和峰值正風壓計算的干擾因子隨風向角的變化示意圖。 分析圖3(b)，在風向角165度、330度和350度的位置分別有三個干擾建筑物，當這三個干擾體正面迎風遮擋時，風越過干擾體后再附到屋蓋上，導致屋蓋大部分表面出現正風壓;當風通過這三個干擾體之間的通道穿過而作用在屋蓋上時，產生狹縫效應和氣動干擾影響，屋蓋表面的脈動風壓增大，負風壓增大，干擾因子高達1.5。

體育館幕墻的測點分別布置在兩層，第一層測點標高2.1cm(2.1cm為模型標高，對應的實物標高為3.15m處)，測點編號為M-1到M-35，如圖4所示;第二層測點標高5.0cm(5.0cm為模型標高，對應的實物標高為7.4m處)，測點編號為N-1到N-35，兩層測點上下對應。

圖4. 幕墻的第一層測點布置圖

Fig.4 Measuring points of curtain wall

in the first floor

圖5. 屋蓋等效風荷載

Fig.5 Equivalent wind loads of the stadium roof

體育館平面形狀為圓弧形，無干擾影響時，風從正面吹來，迎風幕墻承受風壓力，兩側幕墻表面出現較強的氣流分離現象，產生負壓區，氣流繞過體育館幕墻后，在其后方形成尾部渦流的負壓區。

有干擾影響時，由于干擾體和體育館之間的距離較近，它們之間的風通道變窄而產生狹縫效應，建筑物之間產生相互的氣動干擾，致使干擾體和體育館之間的幕墻部分的風荷載變得非常復雜，受影響部位的脈動風壓和峰值風壓比無干擾影響時的數值要大很多 。

本文分別對無干擾和有干擾時的所有風向角下的幕墻峰值風壓系數進行統計，將幕墻的

最大峰值風壓系數列于表1和表2，具體說明干擾體對幕墻風荷載的不利影響。

分析表1，無干擾影響時，測點M-6、M-13、N-8、N-14的峰值正壓系數最大，原因有兩個:(1)正面迎風;(2)它們位于墻面凹處，即兜風較明顯區域。有干擾影響時，測點M-17、M-13、N-17、N-13的峰值正壓系數最大。分析測點M-13和N-13:(1)正面迎風;(2)它們位于墻面凹處，即兜風較明顯區域;(3)它們位于體育館、干擾體高層建筑和訓練館的三者之間的區域，受到狹縫效應和氣動干擾影響，脈動風壓相對于無干擾影響時要大很多。分析測點M-17和N-17:(1)正面迎風;(2)干擾體訓練館距離體育館較近，它們之間的狹縫效應顯著，測點M-17和N-17位于這兩個建筑物之間的區域，脈動風壓相對于無干擾影響時要大很多。

分析表2，無干擾影響時，測點M-14、N-14的峰值負壓系數最大，原因有兩個:(1)側面迎風，出現較強的氣流分離現象;(2)它們位于墻面的拐角處，氣流分離較大。有干擾影響時，測點M-29、M-33、N-14的峰值負壓系數最大;分析測點M-29和M-33:(1)它們位于墻面的拐角處，氣流分離較大。(2)氣流繞過干擾體圓弧形的體育場后，在其后方形成尾部渦流的負壓區，測點M-29和M-33位于這一負壓區域。分析測點N-14:(1)側面迎風，出現較強的氣流分離現象;(2)它們位于墻面的拐角處，氣流分離較大;(3)測點N-14位于體育館、干擾體高層建筑和訓練館的三者之間的區域，受到狹縫效應和氣動干擾影響，脈動風壓相對于無干擾影響時要大很多。

5屋蓋等效風荷載

本文采用多階模態力法計算體育館屋蓋的等效風荷載 。多階模態力法的基本思路是將各測點的脈動風壓和屋面結構的各階模態相乘轉換為相應的模態力，采用振型疊加法在廣義坐標中求出結構響應。它的優點在于只要在剛性模型風洞試驗中輸出各階模態力系數和模態力譜，就能快捷得到屋面結構的風振響應和風振系數。

本文基于設計院提供的計算模型(MIDAS模型)，利用多階模態力法，根據風洞測壓試驗數據求得無周邊和有周邊條件下的體育館屋蓋各個分塊部分的風振系數，利用《建筑結構荷載規范》中的風荷載計算公式，進行計算，考慮張家界地區100年重現期的基本風壓值。

分析無干擾影響時的屋蓋各個分塊部分的等效風荷載，其中屋蓋懸挑部分:100年重現期最大等效負風壓為-0.28kPa，位于30板塊;其中屋蓋其余部分:100年重現期最大等效負風壓為-0.72kPa，位于29板塊。

分析有干擾影響時的屋蓋各個分塊部分的等效風荷載，其中屋蓋懸挑部分:100年重現期最大等效負風壓為-0.47kPa，位于36板塊，100年重現期最大等效正風壓為0.61kPa，位于35板塊;其中屋蓋其余部分:100年重現期最大等效負風壓為-0.82kPa，位于29板塊，100年重現期最大等效正風壓為0.43kPa，位于6板塊。

訓練館的形體尺寸和體育館較為相近，并且相距較近，所以在315度風向角下時，風越過干擾體訓練館后，再附到懸挑的35板塊和鄰近的6板塊上，導致這兩處位置出現較大的等效正風壓，分別達到0.61KPa和0.43KPa，見圖5，這需要設計人員在設計中加以特別的重視，防止出現局部屋面的正風壓破壞。

6結論

本文詳細分析周邊建筑對體育館屋蓋和幕墻風荷載的干擾影響，得到以下結論:

1)分析屋蓋的峰值風壓:有干擾影響時，屋蓋的峰值負壓增大，干擾因子達到1.5;干擾體周邊的屋蓋的峰值正壓有較大幅度的增大，干擾因子達到5。

2)干擾體影響下的幕墻風壓增大，其中幕墻的最不利風壓集中在以下位置:正風壓極值位置出現在干擾體周邊的幕墻凹陷處，負風壓極值位置出現在干擾體周邊的幕墻拐角處。

3)由于周邊建筑物對體育館的干擾，產生狹縫效應和相互的氣動影響，致使干擾體周邊的屋蓋和幕墻的風荷載變得非常復雜，相鄰部位的脈動風壓和峰值風壓比無干擾影響時的風壓要大很多，需要在設計中引起足夠的重視。

4)訓練館周邊的35板塊和6板塊的位置出現較大的等效正風壓，需要設計人員在設計中加以特別的重視，防止出現局部屋面的正風壓破壞。

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