不同風傾角下典型等邊角鋼靜風力風洞試驗研究

張慶華　馬文勇　楊杰　張彥　周帥偉

摘要： 角鋼作為格構式結構的基本組成部分，其風力系數的精度將直接影響結構整體風力系數取值的準確性。通過剛性模型高頻動態天平測力風洞試驗，測量了隨傾角和風向角變化的典型三維等邊角鋼的靜風力。研究表明：傾斜安裝角鋼的阻力系數、升力系數與垂直安裝相比，隨風向變化趨勢類似，但在某些風向角下數值明顯降低;不同風傾角（=30°～50°）時風力系數（，，）隨風向變化能夠較好地吻合，即風傾角的變化對風力系數值影響不明顯。角鋼垂直安裝時，靜力折算高度隨風向在（0.4～0.6）倍總高附近變化，角鋼對于來流前傾安裝后，靜力折算高度隨風向的波動增大明顯;此外，根據試驗結果分別給出了角鋼垂直安裝和傾斜安裝情況下角度風荷載系數、升力系數的建議公式，并對相關參數進行了擬合。

關鍵詞： 風洞試驗;?等邊角鋼;?高頻動態測力天平;?風力系數;?角度風系數

中圖分類號： TU317.1; TU392.1 ???文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0277-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.003

引??言

中國《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）中，格構式桁架結構體型系數的確定方法通常有兩種：①整體法。對于形狀規則的空間結構（如矩形、三角形截面等），把結構作為一個整體，直接給出總體型系數。該方法給出的體型系數考慮了構件間的相互影響，使用方便快捷。②組合法。基于單根角鋼阻力系數，組合得到格構式結構整體體型系數，構件間的相互影響通過荷載降低系數（）考慮。組合法多用于多榀平行桁架和外形復雜桿塔體形系數的確定。然而，中國荷載規范GB 50009—2012中，單根角鋼風力系數取值簡單（+1.30），并未考慮風向等因素的影響，相比現有國內外規范和文獻研究結果在多數情況下相對偏小，這將造成組合法得到的結構整體體型系數相對較小。可見，作為格構式結構的基本組成部分，獲得準確可靠的單根角鋼風力系數值是采用組合法得到合理的整體風力系數的基礎，將直接影響桁架整體風力系數取值的準確性。

單根角鋼靜風力系數的研究開展較早，Wardlaw，Slater，Sachs，Modi等分別給出了單角鋼靜風力系數隨來流風向變化情況，其研究結果被廣泛的應用于國外相關荷載規范中（ISO 4354：2009，AIJ，ASCE No.74，AS/NZS1170.2：2011等）。鑒于早期研究僅關注了風向的影響，Prud'homme S等通過試驗詳細探討了雷諾數、紊流度、阻塞效應等參數對鋼風力系數的影響。上述研究測力試驗中，角鋼模型均為二維模型（角鋼的傾斜角為0°），因而理論模型當中的氣動力也是二維的。現實中，角鋼在空間的分布是任意的，即風傾角不為零，角鋼與來流之間的相對位置是三維空間關系，二維角鋼模型獲得的氣動力并不能準確反映三維角鋼的氣動力特性。

針對以上問題，本文完成了三維等邊角鋼模型的剛性模型測力風洞試驗，系統地測量了在不同風向角下傾斜角鋼模型的風力系數，構建了考慮風傾角影響的單角鋼角度風系數公式，對相關參數進行了擬合，計算了角鋼靜風力作用折算高度。所得結果不僅可為相關荷載規范的完善提供試驗依據，也可為工程中L型結構抗風設計參考。