北京南站雨棚結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載特性試驗(yàn)研究

趙建華

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

對于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)壓體型系數(shù),現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)[1]僅給出了幾種簡單形狀房屋的體型系數(shù)用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì),而沒有給出用于設(shè)計(jì)的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)屋面風(fēng)荷載。國內(nèi)對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性已進(jìn)行了一些研究[2～6],也得出了不少有用的結(jié)論,但這些結(jié)論還不能完全適用于其他大跨結(jié)構(gòu)．

北京鐵路南站主樓南北長350 m,東西寬190 m,最高處約40 m。主樓兩側(cè)為大跨度懸挑雨棚,內(nèi)雨棚對稱軸線處寬約64 m,最高處約31 m,外雨棚對稱軸線處寬約56 m,最高處約26 m。雨棚南北長約330 m。對北京南站而言,風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一。為保證結(jié)構(gòu)安全,對此工程的剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),測量了模型表面的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓,試驗(yàn)結(jié)果可用于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡介

北京南站風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,根據(jù)北京南站周圍數(shù)公里范圍內(nèi)的建筑環(huán)境,按照C類地貌模擬大氣邊界層風(fēng)場[4]，C類地貌定義見我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)。按照文獻(xiàn)[4]的方法,以1/250的幾何縮尺比模擬了C類風(fēng)場(圖1,其中Ug表示10 m高風(fēng)速,U表示風(fēng)速,α表示風(fēng)速剖面指數(shù),Iu表示湍流度)。

圖1 C類地貌平均風(fēng)速剖面、紊流度剖面

北京南站風(fēng)洞測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傮w模型(圖2),用有機(jī)玻璃板和ABS板制成,具有足夠的強(qiáng)度和剛度,在試驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生變形,并且不出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象,以保證壓力測量的精度。考慮到實(shí)際建筑物和周邊建筑的情況,選擇模型的幾何縮尺比為1/250。模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃椭苓吔ㄖＰ头胖迷谵D(zhuǎn)盤上,通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向[7]。

圖2 北京南站風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在北京南站整個(gè)模型上總共布置了1 987個(gè)測壓孔。在模型主樓屋面懸挑部分,在上下兩面均單獨(dú)布置了測點(diǎn)。在兩側(cè)雨棚部分,每個(gè)測點(diǎn)位置需布置1對測點(diǎn),每對測點(diǎn)包括上、下表面兩個(gè)測壓孔,以同時(shí)測量該點(diǎn)處內(nèi)外表面的壓力,而該測點(diǎn)最終的壓力為上、下表面壓力之差。

試驗(yàn)參考點(diǎn)選在高度為1.0 m處,該高度對應(yīng)于實(shí)際高度250 m。風(fēng)洞測壓試驗(yàn)的參考點(diǎn)風(fēng)速為12 m/s。測壓信號采樣頻率約為300 Hz,每個(gè)測點(diǎn)采樣樣本總長度為6 000個(gè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中,對每個(gè)測點(diǎn)在每個(gè)風(fēng)向角下都記錄了6 000個(gè)數(shù)據(jù)的風(fēng)壓時(shí)域信號,加上所采集的參考點(diǎn)總壓和靜壓的數(shù)據(jù),共記錄了約4.3億個(gè)數(shù)據(jù)。

在空氣動(dòng)力學(xué)中,物體表面的壓力通常用無量綱壓力系數(shù)CPi表示為

(1)

式中，CPi為測點(diǎn)i處的壓力系數(shù),Pi為作用在測點(diǎn)i處的壓力,P0和P∞分別是試驗(yàn)時(shí)參考高度處的總壓和靜壓。

對結(jié)構(gòu)懸挑部分,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要用到的是懸挑部分各測點(diǎn)的凈壓差值,即各測壓點(diǎn)上下表面風(fēng)壓之差,再對其進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析。懸挑部分上下表面同步測量的各對測壓點(diǎn)上的凈壓力系數(shù)由式(1)導(dǎo)出如下

(2)

式中，Piu為作用在測點(diǎn)i處的上表面壓力,Pid為作用在測點(diǎn)i處的下表面壓力。

凈壓力的方向由式(2)決定。

由于風(fēng)壓是隨機(jī)變量,因此為了獲得平均風(fēng)壓系數(shù),必須對所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以獲得各測點(diǎn)在各個(gè)風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)CPmean,i(以梯度風(fēng)壓為參考風(fēng)壓的風(fēng)壓系數(shù))。

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),常以10min平均風(fēng)速下的風(fēng)壓值再考慮動(dòng)力放大效應(yīng)(我國規(guī)范中定義為風(fēng)振系數(shù))作為設(shè)計(jì)荷載。根據(jù)試驗(yàn)所得的各風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)CPmean,i以及參考風(fēng)壓(梯度風(fēng)風(fēng)壓pG),則50年和100年重現(xiàn)期下建筑物表面上測點(diǎn)i處在各個(gè)風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓wmean,i(10min平均風(fēng)速)為

(3)

2 平均風(fēng)壓分布

圖3 北京南站西雨棚的最不利正風(fēng)壓(50年重現(xiàn)期)(單位：kPa)

按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算了用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)壓值。作用在點(diǎn)支式玻璃幕墻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下述公式計(jì)算

wi=βgzμsiμziw0

(4)

式中,μsi為測點(diǎn)i處的風(fēng)荷載點(diǎn)體型系數(shù)(由以上風(fēng)洞試驗(yàn)獲得)；μzi為測點(diǎn)i處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；βgz為陣風(fēng)系數(shù),按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用；w0為基本風(fēng)壓。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》條文說明中指出,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要性與主體結(jié)構(gòu)相比要低些,因此用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)壓取為50年重現(xiàn)期。若設(shè)計(jì)方選用100年重現(xiàn)期,則將以上50年重現(xiàn)期結(jié)果乘以系數(shù)0.50/0.45=1.11即可。

處于紊流場中的各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)CPi是個(gè)隨機(jī)變量,因此對各個(gè)測點(diǎn)除了得到前述的各個(gè)風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)CPmean,i, 對所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析后還可獲得各測點(diǎn)各個(gè)風(fēng)向角下的脈動(dòng)均方根風(fēng)壓系數(shù)Cprms,i(以梯度風(fēng)壓為參考風(fēng)壓)。

根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論可知,各測點(diǎn)在某一風(fēng)向來流的作用下,其風(fēng)壓系數(shù)的極大值CPmax和極小值Cpmin可表示為

CPmax=CPmean+kCPrms

(5)

Cpmin=Cpmean-kCprms

(6)

其中k=2.5～4為峰值因子,在這里取k=3.5[6]。北京南站各測點(diǎn)50年重現(xiàn)期的最大極值風(fēng)壓見圖3和圖4,最小極值風(fēng)壓見圖5和圖6。對封閉結(jié)構(gòu)部分,進(jìn)行了相應(yīng)的內(nèi)壓修正。

圖5 北京南站西雨棚的最不利負(fù)風(fēng)壓(50年重現(xiàn)期)(單位：kPa)

3 結(jié)果分析

隨著風(fēng)向角的變化,屋蓋上的平均風(fēng)壓主要呈現(xiàn)負(fù)壓(即風(fēng)吸力),較大的吸力主要是分布在迎風(fēng)面的屋檐和屋蓋角區(qū)。在最不利風(fēng)向角下,氣流在懸挑區(qū)域的角部分離,形成很大逆壓梯度,且在分離點(diǎn)出現(xiàn)很大的吸力,此時(shí)最大負(fù)平均風(fēng)壓-1.07 MPa。在上風(fēng)向區(qū)域負(fù)風(fēng)壓系數(shù)較大,且其變化梯度也大；而在下風(fēng)向區(qū)域負(fù)風(fēng)壓較小。從試驗(yàn)結(jié)果也看出,當(dāng)氣流在鈍物繞流時(shí),先在物體邊緣拐角出現(xiàn)分離形成很大的吸力,然后往下游發(fā)生再附著,負(fù)風(fēng)壓減小甚至出現(xiàn)正風(fēng)壓。因此在進(jìn)行大跨結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮下風(fēng)向區(qū)域正壓對結(jié)構(gòu)的影響。在不同來流風(fēng)向下,朝著來流方向的鈍物形狀對尾流產(chǎn)生很大影響,而且其流向長度對尾流也起到了重要作用。

為了直觀地觀察整個(gè)屋蓋各測點(diǎn)在所有風(fēng)向下的最大吸力,將各個(gè)測點(diǎn)在全風(fēng)向角下的最大負(fù)風(fēng)壓系數(shù)提取出來,得到屋面全風(fēng)向角下最大平均負(fù)風(fēng)壓分布,可以看出較大的負(fù)風(fēng)壓系數(shù)分布在迎風(fēng)面的屋檐及其角區(qū)附近,而屋面內(nèi)部區(qū)域的負(fù)風(fēng)壓相對較小。

4 結(jié)論

通過對北京南站雨棚結(jié)構(gòu)模型的測壓試驗(yàn)和分析,可以得到如下主要結(jié)果。

(1)北京南站雨棚結(jié)構(gòu)屋面平均風(fēng)壓一般以負(fù)壓為主。受到鈍物繞流的氣流分離、再附的影響,在迎風(fēng)向的屋檐及其角區(qū)附近出現(xiàn)很大負(fù)壓且局部負(fù)壓梯度變化很大,特別是迎風(fēng)懸挑屋檐角區(qū)；在下風(fēng)向區(qū)域屋面負(fù)壓比較小,甚至出現(xiàn)正壓力。因此,此類風(fēng)壓分布特征在大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。

(2)結(jié)構(gòu)外形在鈍體繞流中起決定性作用,直接影響屋面風(fēng)壓的分布。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 5009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[2] 程志軍,樓文娟,孫炳楠,等.屋面風(fēng)荷載及風(fēng)致破壞機(jī)理[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2000,21(4)：39-49.

[3] 謝壯寧.倪振華,石碧青.大跨屋蓋風(fēng)荷載特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(2)：23-28.

[4] 黃 鵬,顧 明.風(fēng)洞中模擬大氣邊界層流場的方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1999，27(2).

[5] 點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程CECS 127：2001,中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)．

[6] Wind tunnel studies of buildings and structures, ASCE manuals and reports on engineering practice No.67, Task committee on wind tunnel testing of buildings and structures[M]. Aerodynamics committee aerospace division, American Society of Civil Engineers, 1999.

[7] 沈之容，王之宏.上海北外灘酒店中庭結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(12).