體育場(chǎng)月牙形大跨懸挑屋蓋風(fēng)荷載特性

李波，馮少華，楊慶山，范重

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院 范重工作室，北京 100044)

大跨懸挑屋蓋具有自重輕、跨度大、結(jié)構(gòu)柔等特點(diǎn)，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制性荷載，屬典型風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)［1-2］.大跨懸挑屋蓋的風(fēng)荷載特性一直是風(fēng)工程研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到了一些有價(jià)值的結(jié)論［3-5］，對(duì)認(rèn)識(shí)該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性起到了重要作用.

月牙形大跨懸挑屋蓋是現(xiàn)代體育場(chǎng)看臺(tái)最常采用的罩棚形式，并且通常呈雙側(cè)布置用以滿足建筑功能要求.平面形體的改變使得月牙形大跨懸挑屋蓋的風(fēng)荷載分布更為復(fù)雜，雙側(cè)布置又使得屋蓋間風(fēng)致干擾效應(yīng)成為需要考察的內(nèi)容.相對(duì)于普通大跨懸挑屋蓋，專門針對(duì)月牙形大跨懸挑屋蓋風(fēng)荷載的研究相對(duì)缺乏.文獻(xiàn)［6］采用數(shù)值的方法對(duì)月牙形大跨懸挑屋蓋的平均風(fēng)壓分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)［7］則研究了局部構(gòu)造對(duì)月牙形懸挑屋蓋平均風(fēng)壓分布的影響.

靈武體育中心位于寧夏回族自治區(qū)靈武市新區(qū)行政中心，距自治區(qū)首府銀川市38 km，總建筑面積27 173 m2.體育場(chǎng)西側(cè)設(shè)上、下兩層看臺(tái)，東側(cè)設(shè)一層看臺(tái)，并在東、西兩側(cè)看臺(tái)上方設(shè)置大跨度懸挑屋蓋.懸挑屋蓋為復(fù)雜曲面，前高后低，且中間高、兩側(cè)低，平面投影為月牙形.

本文將以靈武體育中心為例，采用同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)雙側(cè)布置的月牙形懸挑屋蓋風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析該類懸挑屋蓋平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載與極值風(fēng)荷載的分布特性，為該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考.

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

本次試驗(yàn)在北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速試驗(yàn)段完成，該風(fēng)洞(圖1)為雙試驗(yàn)段回流式閉口風(fēng)洞，風(fēng)洞洞體平面尺寸為41.0 m×18.8 m，其中，高速試驗(yàn)段尺寸為 3.0 m ×2.0 m ×15.0 m，低速試驗(yàn)段尺寸為5.2 m ×2.5 m ×14.0 m.經(jīng)第三方校核，風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)秀.

圖1 北京交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室Fig.1 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University

在正式試驗(yàn)前，首先通過(guò)尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)的規(guī)定，模擬了1∶200的B類風(fēng)場(chǎng)(地面粗糙度指數(shù)α=0.16)，試驗(yàn)中名義風(fēng)速為15 m/s，風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)剖面如圖 2 所示.圖中 Z、Zr、U、Ur、α 分別為高度、參考點(diǎn)高度、風(fēng)速、參考點(diǎn)處風(fēng)速和風(fēng)速剖面冪指數(shù)(試驗(yàn)中，參考點(diǎn)設(shè)置在模型頂部高度處).

圖2 平均風(fēng)速與湍流度剖面Mean wind speed and turbulence intensity profiles

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)處理

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ?，根?jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用ABS材料制作，主體模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在試驗(yàn)過(guò)程不會(huì)發(fā)生變形和振動(dòng)，以保證壓力測(cè)量的精度.根據(jù)實(shí)際建筑物的大小和風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200，如圖3所示.

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Wind tunnel test model

該體育中心月牙形大跨懸挑屋蓋分東、西兩部分，其中，東懸挑屋蓋面積較小，且高度較西懸挑屋蓋低.采用雙面測(cè)壓技術(shù)［8］，在西懸挑屋蓋內(nèi)外表面共布置352個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，在東懸挑屋蓋內(nèi)外表面共布置312個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，如圖3所示.測(cè)點(diǎn)處設(shè)置測(cè)壓管，用來(lái)測(cè)量各點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)壓.試驗(yàn)采用美國(guó)PSI公司生產(chǎn)的電子掃描閥測(cè)壓系統(tǒng)，采樣頻率311.74 Hz，每個(gè)通道采樣點(diǎn)數(shù)為 9 000，采樣時(shí)間28.8 s.在 0°～360°范圍內(nèi)每轉(zhuǎn)動(dòng) 10°測(cè)試一次，主要風(fēng)向角如圖4所示.

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，物體表面的壓力通常用對(duì)應(yīng)于參考點(diǎn)的無(wú)量綱壓力系數(shù)表示，該系數(shù)可按下式確定［9］:

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖及風(fēng)向角示意Fig.4 Tap distribution and wind angle

本文風(fēng)壓符號(hào)約定為:壓力向上或向外為負(fù)，壓力向下或向內(nèi)為正.

2 平均風(fēng)荷載

壓力系數(shù)的均值反映了平均風(fēng)荷載.本節(jié)將基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果給出月牙形大跨懸挑屋蓋壓力系數(shù)均值分布，用以揭示該類結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)荷載分布特性.

2.1 平均風(fēng)荷載分布

圖5給出了靈武體育中心0°、270°風(fēng)向角，屋蓋上、下表面合成后的壓力系數(shù)均值分布云圖.

盡管投資條約和自由貿(mào)易協(xié)定很少引入文化影響評(píng)估，但是在東道國(guó)和外國(guó)投資者之間的投資合同中引入這種具體的機(jī)制可能有助于調(diào)和不同的利益，這將會(huì)是解決涉及文化遺產(chǎn)問(wèn)題糾紛的有效機(jī)制。[注]參見(jiàn)Valentina Sara Vadi, Cultural Heritage in International Investment Law and Arbitration, p.287.

0°風(fēng)向角時(shí)平均風(fēng)荷載分布如圖5(a)所示.該風(fēng)向角東、西懸挑屋蓋沿來(lái)流方向?qū)ΨQ布置，由于兩片屋蓋形狀相似，平均風(fēng)荷載分布規(guī)律基本相同;受屋蓋傾角變化的影響，平均風(fēng)荷載沿屋蓋由正壓逐漸變化為負(fù)壓;其中，屋蓋正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)的分界線大致在屋蓋三分之一處，該處屋蓋傾角約為10°;由平均壓力分布圖還可以看出，來(lái)流在屋蓋正壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)的角部產(chǎn)生了明顯的錐形渦［10-11］，正壓區(qū)渦心處壓力系數(shù)均值為0.6，負(fù)壓區(qū)渦心處壓力系數(shù)均值為 -0.5.

270°風(fēng)向角時(shí)平均風(fēng)荷載分布如圖5(b)所示.該風(fēng)向角東懸挑屋蓋位于來(lái)流上游，作用于屋蓋的風(fēng)荷載均為負(fù)壓，并且風(fēng)壓分布對(duì)稱性較好.來(lái)流在東屋蓋根部形成了明顯的柱狀渦［12］，渦心處壓力系數(shù)均值達(dá)到-0.6，但是柱狀渦作用范圍較小，衰減很快;來(lái)流流過(guò)東屋蓋后，在西屋蓋懸挑端再次形成柱狀渦，由于來(lái)流受東屋蓋阻礙，流速減緩，湍流成分增加，該柱狀渦的作用范圍較大，但強(qiáng)度小，渦心處壓力系數(shù)均值僅為-0.35.

圖5 壓力系數(shù)均值分布Fig.5 Distribution of the mean of pressure coefficient

2.2 平均風(fēng)荷載隨方向角變化

為了更好地說(shuō)明平均風(fēng)壓分布規(guī)律，圖6給出了月牙形大跨懸挑屋蓋整體平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線.其中，屋蓋整體平均壓力系數(shù)定義為:

圖6 屋蓋整體平均壓力系數(shù)Fig.6 The mean of pressure coefficient of the whole roof

可以看出，東、西懸挑屋蓋整體平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的規(guī)律性較好.處于來(lái)流上游的懸挑屋蓋整體風(fēng)壓值較小，而處于下游的懸挑屋蓋風(fēng)壓值較大;50°和140°風(fēng)向角時(shí)，東屋蓋整體風(fēng)壓值較大，其值達(dá)到 -0.4;230°與310°風(fēng)向角時(shí)，西屋蓋整體風(fēng)壓值較大，其值達(dá)到-0.54.

3 脈動(dòng)風(fēng)荷載

壓力系數(shù)的根方差是用來(lái)衡量脈動(dòng)風(fēng)壓大小的重要指標(biāo).圖7給出了0°、270°風(fēng)向角，月牙形大跨懸挑屋蓋上、下表面合成后的壓力系數(shù)根方差分布云圖.

圖7 壓力系數(shù)根方差分布Fig.7 Distribution of the RMS of pressure coefficient

由圖7可以看出，壓力系數(shù)根方差的分布規(guī)律與壓力系數(shù)均值分布規(guī)律相似.90°風(fēng)向角時(shí)，東、西屋蓋壓力系數(shù)根方差分布基本相同，但是西屋蓋渦心處壓力系數(shù)根方差的值較東屋蓋大;270°風(fēng)向角時(shí)，東屋蓋壓力系數(shù)根方差衰減較慢，西屋蓋則衰減較快.

圖8給出了屋蓋整體壓力系數(shù)根方差隨風(fēng)向角的變化曲線.可以看出，處于來(lái)流上游的懸挑屋蓋脈動(dòng)風(fēng)壓較小，而處于下游的懸挑屋蓋脈動(dòng)風(fēng)壓較大，該規(guī)律與平均風(fēng)壓變化規(guī)律一致.

圖8 屋蓋整體壓力系數(shù)根方差Fig.8 The RMS of pressure coefficient of the whole roof

4 極值風(fēng)荷載

極值風(fēng)壓是用來(lái)指導(dǎo)圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù).對(duì)于大跨度懸挑屋蓋而言，上吸風(fēng)極值通常為最不利荷載，按本文的符號(hào)約定，即為壓力系數(shù)極小值.本文按下式確定作用于屋蓋的極值風(fēng)荷載:

圖9給出了36個(gè)風(fēng)向角作用下，月牙形大跨懸挑屋蓋上、下表面最不利壓力系數(shù)極小值分布云圖.由圖可以看出，屋蓋表面的極值風(fēng)壓分布對(duì)稱較好，上表面極值風(fēng)壓數(shù)值普遍大于下表面，且變化更為劇烈;屋蓋上表面極值風(fēng)壓數(shù)值大于-1.6的區(qū)域占到整個(gè)屋蓋的1/3，并且僅位于屋蓋的懸挑端;下表面則是屋蓋邊緣周圈的極值風(fēng)壓數(shù)值均較大，約占屋蓋的1/5區(qū)域.

圖9 壓力系數(shù)極值分布Fig.9 Distribution of the minimum of pressure coefficient

5 結(jié)論

風(fēng)荷載是大跨懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制性荷載，本文以靈武體育中心為例，采用同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)得到了作用于體育場(chǎng)雙側(cè)布置的月牙形大跨懸挑屋蓋平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載以及極值風(fēng)荷載的分布特性:

1)整體而言，作用于雙側(cè)布置的月牙形大跨懸挑屋蓋的平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載隨風(fēng)向角變化均勻，處于來(lái)流下游的懸挑屋蓋平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載均較處于來(lái)流上游的懸挑屋蓋大.

2)當(dāng)來(lái)流與懸挑屋蓋縱向平行時(shí)(如0°風(fēng)向角)，受屋蓋傾角變化的影響，來(lái)流前緣為正壓區(qū)，后緣為負(fù)壓區(qū)，并且，來(lái)流在屋蓋表面形成錐形渦，渦心位于屋蓋角部;當(dāng)來(lái)流與懸挑屋蓋橫向平行時(shí)(如270°風(fēng)向角)，屋蓋表面均為負(fù)壓區(qū)，來(lái)流在屋蓋前緣形成柱狀渦.

3)懸挑屋蓋上表面極值風(fēng)壓數(shù)值普遍大于下表面，且變化更為劇烈;上表面懸挑端1/3的范圍均可劃為邊緣區(qū)，極值風(fēng)荷載較大.

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