國(guó)家海洋博物館風(fēng)洞試驗(yàn)與等效靜風(fēng)荷載研究

近年來(lái)，大跨屋蓋結(jié)構(gòu)得到了前所未有的發(fā)展，被廣泛用于各種大型公共建筑中。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)具有跨度大、自重輕、阻尼小的特點(diǎn)，屬典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。由于其風(fēng)荷載和風(fēng)效應(yīng)的復(fù)雜性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者從風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論等方面對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了大量研究并已體現(xiàn)在各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范中[1～2]。

但上述研究成果具體到工程應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，如大跨屋蓋風(fēng)荷載時(shí)空特性復(fù)雜且受特征湍流影響顯著，屋蓋結(jié)構(gòu)等效目標(biāo)眾多等問(wèn)題，導(dǎo)致對(duì)于實(shí)際大型結(jié)構(gòu)尚未形成成熟的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，一定程度上限制了該類結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。本文以國(guó)家海洋博物館為研究對(duì)象，采用剛性模型動(dòng)態(tài)測(cè)壓試驗(yàn)獲得建筑表面的平均及脈動(dòng)風(fēng)荷載信息；建立結(jié)構(gòu)有限元模型，應(yīng)用時(shí)程分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，相當(dāng)于考慮了所有振型的貢獻(xiàn)；在此基礎(chǔ)上應(yīng)用多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載方法獲得了針對(duì)多個(gè)目標(biāo)響應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載分布并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際動(dòng)力極值響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。

1 工程概況

國(guó)家海洋博物館選址于天津市濱海旅游區(qū)核心區(qū)，規(guī)劃占地面積15萬(wàn)m2，總建筑面積約8萬(wàn)m2，是我國(guó)首座國(guó)家級(jí)、綜合性、公益性的海洋博物館，建成后將展示海洋自然歷史和人文歷史，成為重塑中國(guó)國(guó)家海洋文明價(jià)值觀的國(guó)家級(jí)愛(ài)國(guó)主義教育基地。外立面體型不規(guī)則，其風(fēng)荷載分布依現(xiàn)有資料難以確定；同時(shí)，由于該結(jié)構(gòu)跨度較大，風(fēng)致動(dòng)力效應(yīng)突出，現(xiàn)行GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》已經(jīng)不能提供其設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。因此，須通過(guò)風(fēng)洞模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布；在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，確定主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的等效靜力風(fēng)荷載。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)在北京交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室高速試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ?，采用有機(jī)玻璃和ABS板制成，模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠保證在試驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，以保證壓力測(cè)量的精度?？紤]風(fēng)洞阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸苍O(shè)計(jì)933個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)風(fēng)速為12 m/s，試驗(yàn)采樣頻率為312.5Hz。試驗(yàn)時(shí)，模型固定在試驗(yàn)段底壁轉(zhuǎn)盤上，由0°開(kāi)始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到345°，每隔15°測(cè)量一次，共進(jìn)行24個(gè)風(fēng)向角的測(cè)量。試驗(yàn)中通過(guò)在迎風(fēng)向前沿布置尖塔、擋板和粗糙元模擬A類地貌風(fēng)速剖面。

限于篇幅，圖2給出了45°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)分布，可以看出，屋蓋風(fēng)壓主要表現(xiàn)出風(fēng)吸力的作用，分布總體上具有與風(fēng)的來(lái)流相垂直的特性且基本呈現(xiàn)平行分布，即在各垂直于來(lái)流的截面上風(fēng)壓系數(shù)基本接近。各館屋蓋風(fēng)壓存在一定的干擾效應(yīng)，干擾效應(yīng)總體上表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，即位于下游的屋蓋平均風(fēng)壓有減小的趨勢(shì)。各屋面間風(fēng)壓分布相互影響但總體上也呈現(xiàn)出與來(lái)流相垂直的特性。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖2 45°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)分布

3 風(fēng)振響應(yīng)分析

風(fēng)振分析采用通用有限元軟件ANSYS，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。該結(jié)構(gòu)為大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架體系，建模中采用Beam188單元模擬鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，Shel l63單元模擬下部混凝土墻體。

圖3 有限元模型

采用時(shí)程分析方法進(jìn)行各場(chǎng)館典型工況下的風(fēng)振響應(yīng)分析，45°風(fēng)向角下A館所有節(jié)點(diǎn)最大位移分布見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，屋蓋中部位移較大，其原因是該位置遠(yuǎn)離支撐，豎向剛度較弱。45°風(fēng)向角下最大位移節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程及功率譜密度見(jiàn)圖5。從屋蓋最大位移點(diǎn)響應(yīng)的譜密度曲線中可以看出，響應(yīng)譜在0.97Hz左右出現(xiàn)明顯的峰值，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)第2階振型。

圖4 極值位移分布

圖5 最大位移節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程及功率譜密度

4 多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)一般采用等效靜風(fēng)荷載，傳統(tǒng)的等效靜風(fēng)荷載分析方法，如荷載-響應(yīng)相關(guān)系數(shù)法、慣性力法等均是針對(duì)某一特定等效目標(biāo)（如最大節(jié)點(diǎn)位移或最大桿件內(nèi)力）進(jìn)行求解。對(duì)于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，由于關(guān)心的響應(yīng)類型眾多，存在所謂多等效目標(biāo)問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)分析方法并不適用。為解決這一問(wèn)題，本文引入多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載分析方法，目的是獲得可同時(shí)滿足多個(gè)目標(biāo)等效的靜力風(fēng)荷載分布，其基本思路是分別建立多目標(biāo)等效方程組和約束方程組，前者的目的是得到與各等效目標(biāo)吻合程度最好的數(shù)值解，后者的作用是保證等效靜風(fēng)荷載在各節(jié)點(diǎn)的合力與建筑表面垂直，避免某些不合理作用模式的出現(xiàn)。多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載的具體求解方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3～4]。

圖6分別給出了45°風(fēng)向下以結(jié)構(gòu)所有上弦節(jié)點(diǎn)豎向位移和所有桿件最大應(yīng)力為等效目標(biāo)的靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)并與時(shí)程方法得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力極值響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比?？梢钥闯?，等效靜風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)均與實(shí)際動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果吻合較好，表明本文給出的等效靜風(fēng)荷載可以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

圖6 45°風(fēng)向角等效結(jié)果驗(yàn)證

5 結(jié)論

1）該類大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的屋面風(fēng)荷載受特征湍流影響顯著，屋蓋風(fēng)壓主要表現(xiàn)出風(fēng)吸力的作用，分布總體上具有與風(fēng)的來(lái)流相垂直的特性。各館屋蓋風(fēng)壓存在一定的干擾效應(yīng)，干擾效應(yīng)總體上表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，即位于下游的屋蓋平均風(fēng)壓有減小的趨勢(shì)。

2）結(jié)合大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)特點(diǎn)引入多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載分析方法，獲得了針對(duì)多個(gè)等效目標(biāo)的靜力風(fēng)荷載分布并對(duì)等效結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以實(shí)現(xiàn)以少量靜力風(fēng)荷載分布形式實(shí)現(xiàn)所有響應(yīng)均與動(dòng)力極值響應(yīng)等效，從而實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的目的。

[1]孫 瑛,武 岳,林志興,等.大跨度平屋蓋表面的特征湍流特性研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2007,25（3）：319-324.

［2］Uematsu Y,Kuribara O,Yamada M,etal.Wind-induced dynamic behavior and its load estimation of a single-layer latticed dome with a long span[J].Journal of Wind Engineering and Indust rial Aerodynamics,2001,89(14)：1671-1687.

［3］吳 迪,武 岳,張建勝.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)等效靜風(fēng)荷載分析方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2011,32（4）：17-23.

［4］吳 迪,武 岳,孫 瑛,等.大跨度鐵路站房屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)與等效靜風(fēng)荷載研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33（1）：43-50.