大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風荷載的分布規(guī)律

張雪 李壽科 肖飛鵬

【摘 要】本文以1：200幾何縮尺比的剛性模型進行風洞試驗，基于相應的風洞試驗數(shù)據(jù)處理方法，研究了大跨度平屋蓋表面風壓分布特征，給出了風壓系數(shù)分布規(guī)律。得出，屋面的風壓系數(shù)以吸力為主，氣流在屋面前緣發(fā)生分離，發(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附。

【關(guān)鍵詞】大跨屋蓋結(jié)構(gòu);平均風壓系數(shù);脈動風壓系數(shù);極值風壓系數(shù);局部風壓系數(shù)

中圖分類號： TU312.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.082

【Abstract】The wind tunnel test is carried out with a rigid model of 1：200 geometric scale. Based on the corresponding wind tunnel test data processing method， the wind pressure distribution characteristics of the long-span flat roof are studied， and the distribution law of wind pressure coefficient is given. . It is concluded that the wind pressure coefficient of the roof is mainly suction， and the airflow is separated at the front edge of the house. After the separation occurs， the vortex is detached and reattached.

【Key words】Large span roof structure; Mean wind pressure coefficient; Pulsating wind pressure coefficient; Extreme wind pressure coefficient; Local wind pressure coefficient

0 引言

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)廣泛應用于藝術(shù)館、體育館、 展覽館，航站樓，火車站站房等公共建筑，風荷載是該類大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設計需考慮的一個重要的荷載。在我國規(guī)范中對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風設計，通常區(qū)分于主體承重結(jié)構(gòu)設計和圍護結(jié)構(gòu)設計。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)通常處于近地面大氣湍流邊界層，且其外形較為不規(guī)則，使得風在結(jié)構(gòu)表面繞流特征明顯，其圍護結(jié)構(gòu)在強風作用下容易被破壞[1]。圍護結(jié)構(gòu)通常由小塊的屋面系統(tǒng)組成，其表面風荷載表現(xiàn)出明顯的非高斯特性，易在強風作用下被掀開，被撕裂甚至發(fā)生卷曲和變形[2]。大跨屋蓋圍護結(jié)構(gòu)受到的表面風壓是千變?nèi)f化的且有正負之分，正壓是建筑結(jié)構(gòu)阻擋到來流風而產(chǎn)生的，一般是迎風面，而正壓受到阻塞時，會產(chǎn)生改變方向，造成結(jié)構(gòu)表面受到的風壓不均勻。而負壓一般在建筑屋面和背面以及側(cè)面產(chǎn)生，負壓的分析比較復雜，會產(chǎn)生分離和漩渦[3]。

因為大跨屋蓋結(jié)構(gòu)大部分都是鈍體結(jié)構(gòu)，而繞流因慣性力減小呈現(xiàn)出一種減速的形式，逆壓梯度使得表面氣流倒流，致使氣流發(fā)生分離。不同的建筑外形它的氣流分離點也不同，且在分離之后會產(chǎn)生漩渦引起結(jié)構(gòu)橫風向振動，也會有再附現(xiàn)象發(fā)生[4]。

1 剛性模型測壓風洞試驗概況

本文試驗在湖南科技大學風工程試驗研究中心進行，該風洞為開口直流吸入式矩形截面風洞，如圖1所示，試驗段尺寸為：寬4.0米×高3.0米×長21.0米。風洞是有一臺350kW功率的電機，試驗風速范圍為0m/s～30m/s。風洞有一個半徑為1.5米的轉(zhuǎn)盤，能夠采集360度各個方向角數(shù)據(jù)。

試驗模擬了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中的B類地貌，風場縮尺比為1：200，平均風剖面指數(shù)為0.15，屋面風速大約達到10m/s。大跨平屋蓋建筑的足尺尺寸為176.8m×176.8m×30m，模型縮尺比為1：200，模型照片如圖2所示。在試驗模型屋蓋和立墻表面布置測點，屋蓋表面測點共計為500個。采樣時長約20s，采樣頻率330Hz，采集6600個數(shù)據(jù)樣本。

2 表面風壓分布規(guī)律分析

2.1 測點體型系數(shù)分布規(guī)律

測點平均風壓系數(shù)的分布規(guī)律為（1）平均風壓成對稱分布，由此也證明該風洞試驗的可靠性;（2）屋面的平均風壓系數(shù)以吸力為主，0度方向屋面前緣吸力比較明顯，等值線基本平行，氣流在屋面前緣發(fā)生分離，隨著向尾流區(qū)的發(fā)展，吸力逐漸減小，這是因為氣流發(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附，等值線不再平行。45度風向角時，氣流在角部分離形成雙翼錐形渦，且隨著向尾流區(qū)發(fā)展越來越弱;（3）0度風向角下，最大負壓出現(xiàn)在屋面前緣屋角處。45度風向角下，最不利負壓出現(xiàn)在屋面角部分離處。

2.2 測點脈動風壓系數(shù)分布規(guī)律

脈動風壓為風荷載所具有的脈動能量，由來流和建筑本身所產(chǎn)生的湍流能量。分布規(guī)律為：在0度和45度風向角下，脈動風壓系數(shù)和平均風壓系數(shù)規(guī)律大致相同。0度風向角時，最大脈動風壓出現(xiàn)在屋面迎風前緣和錐形渦處，變化梯度大，是屋面極易破壞區(qū)域，范圍為0.07～0.5。隨著向尾流區(qū)域發(fā)展，脈動風壓越來越小，這與平均風壓系數(shù)一樣。45度風向角時，最大脈動風壓系數(shù)同樣出現(xiàn)在角部分離處，這是由于風壓脈沖所影響，與特征湍流相符合，范圍為0.05～0.5。

2.3 測點極值風壓系數(shù)分布規(guī)律

極值的研究在風工程試驗中具有重要意義。圖3為0度風向角下極值風壓系數(shù)等高直線圖，看出在屋面中間有一次風壓分離，離屋面前沿越遠極小值的絕對值越小，到屋面后緣風壓再附，在屋面后沿絕對值又逐漸變大，極大值風壓系數(shù)，旋渦脫落產(chǎn)生吸力到屋面后沿再附有關(guān)，使得屋面后沿絕對值急劇增大。

圖4為45度風向角下極小值風壓系數(shù)等高直線圖，圖中極值風壓系數(shù)對稱，可證明數(shù)據(jù)的準確性，由于錐形渦的影響，角部極值絕對值最大，隨著錐形渦向屋面后緣擴散，絕對值變小，且中間部分，極值風壓系數(shù)偏小，也是由于氣流分離所影響。45度風向角下極大值風壓系數(shù)等高直線圖，圖中極值風壓系數(shù)對稱，由于錐形渦影響極大值出現(xiàn)在屋面尾部。

2.4 分塊體型系數(shù)分布規(guī)律

本節(jié)統(tǒng)計了局部體型系數(shù)，根據(jù)圖5、圖6的屋面分塊，本節(jié)統(tǒng)計了局部體型系數(shù)，為0度和45度風向角的體型系數(shù)規(guī)范取值，體型系數(shù)試驗統(tǒng)計值，可看出數(shù)據(jù)對稱分布，證明了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。45度風向角下，區(qū)域1、2、4和5受到氣流分離、雙翼錐形渦以及旋渦脫落的影響造成風壓系數(shù)變化大。

0度風向角下每塊區(qū)域的測點體型系數(shù)隨著向尾流區(qū)發(fā)展，體型系數(shù)越來越小。區(qū)域1體型系數(shù)范圍在-1.34～-0.31，有17.6%的測點超過規(guī)范值，且靠近屋面前沿;區(qū)域2體型系數(shù)范圍在-0.42～-0.15，所有值都小于規(guī)范值;區(qū)域3體型系數(shù)范圍在-0.27～-0.10，且接近規(guī)范值。45度風向角下每塊區(qū)域的測點體型系數(shù)統(tǒng)計值。在區(qū)域1體型系數(shù)為負值，12%的測點超過規(guī)范值，最大值超過規(guī)范值44%，其余小于規(guī)范值;區(qū)域2體型系數(shù)都小于規(guī)范值;區(qū)域3體型系數(shù)有一個測點超過規(guī)范值即1號測點;區(qū)域4體型系數(shù)有兩個測點超過規(guī)范值，即有3.4%超過規(guī)范值;區(qū)域5體型系數(shù)有兩個測點超過規(guī)范值，即有2.4%超過規(guī)范值，且超過規(guī)范值的測點大多數(shù)在邊緣和雙翼錐形渦處。

3 總結(jié)

采用縮尺比為1：200的大跨度平屋蓋進行剛性模型風洞測壓試驗，研究了屋蓋表面風壓分布特征，得到以下結(jié)論：（1）屋面的平均風壓系數(shù)以吸力為主，0度方向氣流在屋面前緣發(fā)生分離，發(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附，最大負壓出現(xiàn)在屋面前緣。45度風向角時，氣流在角部分離形成雙翼錐形渦，且隨著向尾流區(qū)發(fā)展越來越弱，最大負壓出現(xiàn)在屋面前緣。（2）脈動風壓系數(shù)和平均風壓系數(shù)規(guī)律大致相同。最大脈動風壓出現(xiàn)在屋面迎風前緣和錐形渦處，變化梯度大，是屋面極易破壞區(qū)域，這是由于風壓脈沖所影響，與特征湍流相符合。（3）風壓系數(shù)極值離屋面前沿越遠極大值和極小值的絕對值偏小。這與風壓在屋面前沿產(chǎn)生分離，旋渦脫落產(chǎn)生吸力到屋面后沿再附。研究大跨屋蓋結(jié)構(gòu)表面風壓特性為大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風設計提供理論參考。

【參考文獻】

[1]Holmes J D.Wind loading of structures[M].London，UK： Taylor & Francis Group，2015：66-67.

[2]李超.球面屋蓋圍護結(jié)構(gòu)風荷載特性及設計風荷載[D].北京交通大學，2015，3-4.

[3]韓淼，王紳，杜紅凱，李萬鈞，韓蓉.大跨度剛性屋蓋數(shù)值模擬及女兒墻對風壓影響分析[J].工業(yè)建筑，2019（03）：104-110+131.

[4]李壽科，張雪，方湘璐，孫洪鑫，陳寧，胡金星.雙坡光伏車棚屋面風荷載特性[J].太陽能學報，2019，40（02）：530-537.

※基金項目：湖南科技大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX2017B639）。

作者簡介：張雪（1992—），女，河南安陽人，漢族，碩士研究生學歷。