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(duì)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(jiǎn)單形狀房屋的體型系數(shù)用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì),而沒(méi)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(guó)內(nèi)對(duì)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(zhǎng)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(duì)稱(chēng)軸線處寬約64 m,最高處約31 m,外雨棚對(duì)稱(chēng)軸線處寬約56 m,最高處約26 m。雨棚南北長(zhǎng)約330 m。對(duì)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(duì)此工程的剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)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)。
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?chē)鷶?shù)公里范圍內(nèi)的建筑環(huán)境,按照C類(lèi)地貌模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)[4],C類(lèi)地貌定義見(jiàn)我國(guó)《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(lèi)風(fēng)場(chǎng)(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(lèi)地貌平均風(fēng)速剖面、紊流度剖面
北京南站風(fēng)洞測(cè)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(cè)量的精度??紤]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ㄖP头胖迷谵D(zhuǎn)盤(pán)上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)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(cè)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(cè)點(diǎn)。在兩側(cè)雨棚部分,每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置需布置1對(duì)測(cè)點(diǎn),每對(duì)測(cè)點(diǎn)包括上、下表面兩個(gè)測(cè)壓孔,以同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)處內(nèi)外表面的壓力,而該測(cè)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(duì)應(yīng)于實(shí)際高度250 m。風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)的參考點(diǎn)風(fēng)速為12 m/s。測(cè)壓信號(hào)采樣頻率約為300 Hz,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣樣本總長(zhǎng)度為6 000個(gè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中,對(duì)每個(gè)測(cè)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(hào),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(wú)量綱壓力系數(shù)CPi表示為
(1)
式中,CPi為測(cè)點(diǎn)i處的壓力系數(shù),Pi為作用在測(cè)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(duì)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(cè)點(diǎn)的凈壓差值,即各測(cè)壓點(diǎn)上下表面風(fēng)壓之差,再對(duì)其進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析。懸挑部分上下表面同步測(cè)量的各對(duì)測(cè)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(cè)點(diǎn)i處的上表面壓力,Pid為作用在測(cè)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(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以獲得各測(cè)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(guó)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(cè)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)
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(guó)《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(cè)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(cè)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(guó)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?!督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》條文說(shuō)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(chǎng)中的各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)CPi是個(gè)隨機(jī)變量,因此對(duì)各個(gè)測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)在某一風(fēng)向來(lái)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(cè)點(diǎn)50年重現(xiàn)期的最大極值風(fēng)壓見(jiàn)圖3和圖4,最小極值風(fēng)壓見(jiàn)圖5和圖6。對(duì)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)
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(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在不同來(lái)流風(fēng)向下,朝著來(lái)流方向的鈍物形狀對(duì)尾流產(chǎn)生很大影響,而且其流向長(zhǎng)度對(duì)尾流也起到了重要作用。
為了直觀地觀察整個(gè)屋蓋各測(cè)點(diǎn)在所有風(fēng)向下的最大吸力,將各個(gè)測(cè)點(diǎn)在全風(fēng)向角下的最大負(fù)風(fēng)壓系數(shù)提取出來(lái),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(duì)較小。
通過(guò)對(duì)北京南站雨棚結(jié)構(gòu)模型的測(cè)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(lèi)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(guó)建設(shè)部.GB 5009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.
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