荷載規(guī)范中柱面屋蓋圍護(hù)體系風(fēng)荷載取值合理性的分析

唐麒

[摘? 要]：柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的控制荷載通常為風(fēng)荷載，GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》關(guān)于柱面屋蓋圍護(hù)體系風(fēng)荷載的取值較為粗糙，使得圍護(hù)體系的部分區(qū)域存在隱患，部分區(qū)域設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)。文章利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲取了柱面屋蓋結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)風(fēng)壓，并利用POD法（本征正交分解法）將測點(diǎn)風(fēng)壓進(jìn)行擴(kuò)展，使得每個(gè)極值風(fēng)壓其數(shù)值的代表面積為6.6 m2。在較高的精度下，研究了柱面屋蓋圍護(hù)體系風(fēng)荷載的分布特性，并探討了荷載規(guī)范中柱面屋蓋圍護(hù)體系風(fēng)荷載取值合理性。

[關(guān)鍵詞]：柱面網(wǎng)架屋蓋; 局部風(fēng)荷載; 圍護(hù)體系

TU312+.1A

柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)是一種常見的跨度較大的曲面屋蓋結(jié)構(gòu)，被廣泛用于工業(yè)廠房、飛機(jī)庫、航空港、體育場館等建筑形式中。目前對于柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性和抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)有較成熟的研究，而其圍護(hù)體系風(fēng)荷載特性的研究還相對比較薄弱，至今尚未有一套成熟的陣風(fēng)荷載描述方法被提出來。因此，該類結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系的風(fēng)荷載取值往往是其圍護(hù)體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。

1 風(fēng)壓數(shù)據(jù)來源

結(jié)構(gòu)風(fēng)壓風(fēng)洞試驗(yàn)在日本東京工藝大學(xué)的邊界層風(fēng)洞進(jìn)行。采用粗糙元和劈尖，針對柱面網(wǎng)架弧形屋面模型被動(dòng)模擬了冪指數(shù)為0.16的風(fēng)剖面。多通道風(fēng)壓同步測試系統(tǒng)的采樣頻率為781Hz，并修正了測壓管對風(fēng)壓測試產(chǎn)生的影響[6]。模型頂部平均屋檐高度處的風(fēng)速以及對應(yīng)的速度壓力按慣例作為參考風(fēng)速及參考風(fēng)壓，求得各風(fēng)壓測點(diǎn)處對應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)。風(fēng)壓符號的約定為向下或向內(nèi)為正，向上或向外為負(fù)。柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞模型的幾何縮尺比為1/400，風(fēng)洞試驗(yàn)的具體布置及流程可參考文獻(xiàn)[1]。

本文利用POD法[2]將風(fēng)洞試驗(yàn)的99個(gè)測壓點(diǎn)獲得的11個(gè)10 min的風(fēng)壓時(shí)程擴(kuò)展到每個(gè)屋面板的中心點(diǎn)，共獲得4 320個(gè)風(fēng)壓時(shí)程。然后利用“改進(jìn)全涌法[3]”對這些風(fēng)壓時(shí)程進(jìn)行極值估計(jì)，最后獲得屋面上4 320個(gè)點(diǎn)的極值風(fēng)壓（以下簡稱極值風(fēng)壓），每個(gè)極值風(fēng)壓其數(shù)值的代表面積為6.6 m2。同時(shí)依據(jù)荷載規(guī)范也獲得了屋面的風(fēng)壓（以下簡稱荷載規(guī)范風(fēng)壓）。

2 局部風(fēng)壓的對比

本文的研究對象是圍護(hù)體系的風(fēng)荷載特性及其效應(yīng)，因此較高精度的風(fēng)壓數(shù)據(jù)是該研究工作的基礎(chǔ)。利用荷載規(guī)范中進(jìn)行柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系的抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，其風(fēng)壓值由下式獲得：

wk=βgzμslμzw0（1）

式中：βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)。

一般地，建筑物表面的風(fēng)荷載并非均勻分布，在屋面角部區(qū)域、屋檐區(qū)域以及在如陽臺、雨棚等外挑構(gòu)件的區(qū)域，局部風(fēng)壓值可能會(huì)超過依據(jù)荷載規(guī)范得到的平均風(fēng)壓值。

建筑物表面一定區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)壓與來流的動(dòng)壓的比值被定義為風(fēng)荷載體型系數(shù)，風(fēng)荷載體型系數(shù)考慮了建筑物表面由于不均勻的風(fēng)壓而出現(xiàn)的局部風(fēng)壓超過平均風(fēng)壓的情況。其主要影響因素為建筑的外形和幾何尺寸，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。但是荷載規(guī)范中柱面屋蓋結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系的風(fēng)壓局部體型系數(shù)是基于柱面屋蓋建筑主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓體型系數(shù)，規(guī)范中規(guī)定將柱面屋蓋建筑主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓體型系數(shù)乘以1.25進(jìn)行放大，從而獲得柱面屋蓋結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系風(fēng)壓的局部體型系數(shù)。然而局部的風(fēng)壓不僅受來流的影響，還受到特征湍流的影響，而目前的研究中對于特征湍流的特性還不能很好地描述。荷載規(guī)范中直接將主體結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)乘以1.25進(jìn)行放大來考慮湍流對風(fēng)壓分布的影響。然而在實(shí)際的情況下，建筑圍護(hù)體系的部分區(qū)域，其局部體型系數(shù)可能有的大于1.25倍，有的不足1.25倍，所以這種處理方法存在不安全的隱患或不經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。另一方面，荷載規(guī)范中將屋面分為3個(gè)平行的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)一個(gè)局部體型系數(shù)，所以整個(gè)屋面一共只取了3個(gè)局部體型系數(shù)值，且僅僅考慮了一個(gè)風(fēng)向角。

陣風(fēng)系數(shù)是考慮到風(fēng)壓的瞬間增大情況而乘的系數(shù)，一般是陣風(fēng)風(fēng)速與時(shí)距10 min的平均風(fēng)速之間的比值。規(guī)范中關(guān)于陣風(fēng)系數(shù)的取值統(tǒng)一按照一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，這種方法獲得的陣風(fēng)系數(shù)用于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面上的圍護(hù)體系的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是合適的，因?yàn)橛L(fēng)面上的湍流特征與大氣來流特征很相似，但對于屋面上的負(fù)壓區(qū)卻不一定適用，因?yàn)檫@些區(qū)域受到漩渦的作用，其湍流特征與來流的湍流特征不同。

由圖1可知，荷載規(guī)范風(fēng)壓的數(shù)值大致將3個(gè)平行于來流屋檐的區(qū)域分別取某一常數(shù)值，且屋蓋表面風(fēng)壓全部為負(fù)值。最靠近來流方向的負(fù)壓值較小，屋蓋中部區(qū)域取較大的負(fù)壓值，而尾部區(qū)域取稍小一些的負(fù)壓值。

圖2顯示，0°風(fēng)向時(shí)，屋蓋表面的極值風(fēng)壓也存在互相平行的正壓區(qū)域和負(fù)壓區(qū)域，但是這些區(qū)域與迎風(fēng)屋檐并不是平行的，而是具有一定角度。并且，屋蓋表面大致可以分為5個(gè)正負(fù)壓交替的平行區(qū)域。在靠近來流的屋檐附近，有正的風(fēng)壓值也有負(fù)的風(fēng)壓值。相關(guān)研究表明，屋蓋表面的特征湍流是導(dǎo)致建筑物表面出現(xiàn)局部負(fù)壓（吸）極值的主要原因，因此，屋蓋表面旋渦的分離和再附使得屋蓋表面的風(fēng)壓等值線不再是規(guī)則地平行于靠近來流的屋檐，而是具有一定夾角，同時(shí)等值線也不再是平行線，而是封閉的環(huán)線。

從極值風(fēng)壓和荷載規(guī)范風(fēng)壓數(shù)值的絕對值發(fā)現(xiàn)，在迎風(fēng)屋檐左上角的角部區(qū)域，極值風(fēng)壓的正壓值遠(yuǎn)大于荷載規(guī)范風(fēng)壓的負(fù)壓值，達(dá)到了4倍之多。同時(shí)，在該區(qū)域的中部和下部，存在著較大的風(fēng)洞試驗(yàn)負(fù)壓區(qū)，比相應(yīng)區(qū)域的荷載規(guī)范風(fēng)壓數(shù)值大2到3倍。因此，迎風(fēng)屋檐附近區(qū)域應(yīng)該作為圍護(hù)體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)的的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，容易出現(xiàn)安全隱患。

另一方面，雖然極值風(fēng)壓和荷載規(guī)范風(fēng)壓的正負(fù)值區(qū)域并沒有重合，但是在屋蓋的中部區(qū)域，荷載規(guī)范風(fēng)壓在數(shù)值上比極值風(fēng)壓大3到6倍之多。這說明在這些區(qū)域規(guī)范風(fēng)壓的取值偏于保守，會(huì)造成圍護(hù)體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)。

由圖2～圖5可知，0°、45°、90°以及全風(fēng)向角下，屋蓋表面的極值風(fēng)壓分布具有很大的相似性，同時(shí)取值的正負(fù)以及相應(yīng)的絕對值的大小也相差不大。所以風(fēng)向角對屋蓋表面的極值風(fēng)壓的分布和取值影響不大，荷載規(guī)范中只考慮了一個(gè)風(fēng)向的做法也是合理的。

3 結(jié)論

綜上所述，在迎風(fēng)屋檐左上角的角部區(qū)域及在該區(qū)域的中部和下部，極值風(fēng)壓遠(yuǎn)大于荷載規(guī)范風(fēng)壓，同時(shí)由時(shí)程分析獲得的應(yīng)力明顯比靜力分析獲得的應(yīng)力大。因此，迎風(fēng)屋檐附近區(qū)域應(yīng)該作為圍護(hù)體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)的的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，容易出現(xiàn)安全隱患。另一方面，在屋蓋的中部區(qū)域，荷載規(guī)范風(fēng)壓絕對值遠(yuǎn)大于極值風(fēng)壓的絕對值，同時(shí)由時(shí)程分析獲得的應(yīng)力明顯比靜力分析獲得的應(yīng)力小。因此在這些區(qū)域規(guī)范風(fēng)壓的取值偏于保守，會(huì)造成圍護(hù)體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)的不經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)

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