局部開口對(duì)封閉柱面網(wǎng)殼風(fēng)荷載影響

馬文勇，李曉娜，劉慶寬，齊澎波

（1.石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心，石家莊 050043；2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070）

局部開口對(duì)封閉柱面網(wǎng)殼風(fēng)荷載影響

馬文勇1，李曉娜1，劉慶寬1，齊澎波2

（1.石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心，石家莊 050043；2.海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070）

局部開口對(duì)封閉大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載影響很大，通過剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)底部和頂部有局部開口的兩端封閉三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布進(jìn)行了研究，對(duì)比不同開口狀況下結(jié)構(gòu)的力系數(shù)及風(fēng)荷載分布，給出了局部開口對(duì)風(fēng)荷載及其分布的影響規(guī)律，如強(qiáng)負(fù)壓區(qū)的局部開口能有效的減小結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)吸力，而正壓區(qū)域的局部開口會(huì)增大結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)吸力，這些規(guī)律為類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)及防風(fēng)措施提供了合理的建議。

封閉圓柱面網(wǎng)殼；局部開口；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)荷載分布；防風(fēng)措施

三心圓柱面單層網(wǎng)殼廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如電廠儲(chǔ)煤等［1］。為了滿足工藝、運(yùn)輸及室內(nèi)工作環(huán)境的要求常需要對(duì)結(jié)構(gòu)局部開口，另外在使用過程中該類結(jié)構(gòu)也存在著不同開口組合開放的情況。

三心圓柱面或者穹頂結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律比較復(fù)雜［2－5］。圓弧形結(jié)構(gòu)表面流體分離形態(tài)復(fù)雜，局部開口不僅對(duì)結(jié)構(gòu)表面形狀的影響大，流體流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生明顯的變化，對(duì)風(fēng)荷載有很大的影響，如兩端的封閉狀況與底部開口的影響［6］、頂部開口（換氣孔）以及底部門窗對(duì)風(fēng)荷載影響［7］、風(fēng)向與局部開口的位置關(guān)系的影響等等。在結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用過程當(dāng)中，各種局部開口的組合使得不同工況下風(fēng)荷載分布規(guī)律更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步試驗(yàn)和理論研究。

本文通過剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)底部和頂部有局部開口的兩端封閉三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布進(jìn)行了研究，對(duì)比不同開口狀況下結(jié)構(gòu)的力系數(shù)及風(fēng)荷載分布，給出了局部開口對(duì)類似結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及其分布的影響規(guī)律，并為類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)及防風(fēng)措施提供了合理的建議。

1 試驗(yàn)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 模型簡(jiǎn)介

本文針對(duì)一兩端1／4球殼封閉的三心圓柱面網(wǎng)殼儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)考慮常見發(fā)電機(jī)組及運(yùn)煤通道（周邊干擾建筑）的影響。

圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕靖艣r，結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度為380m，其中兩端的1／4球殼半徑為60 m，中心三心圓柱面網(wǎng)殼長(zhǎng)度為260m，結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾?20m；三心圓柱面由R＝30m和R＝70m兩種半徑的圓弧組成，總高40.4m，其中弧面部分高度38.6 m，底部有1.8 m高的擋墻；結(jié)構(gòu)底部共開有M1～M8共8個(gè)門，尺寸為6m寬×5m高，頂部開有V1～V12共12個(gè)換氣孔，面積為1.6 m寬×16 m長(zhǎng)；為方便描述，本文中將換氣孔稱為頂部開口，將門稱為底部開口。

圖1（a）為場(chǎng)地概況及風(fēng)向角，其中距離測(cè)試結(jié)構(gòu)約150m處有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組（非對(duì)稱布置），高度約30 m，共進(jìn)行36個(gè)風(fēng)向角測(cè)試，風(fēng)垂直于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸由無(wú)干擾模型方向吹來為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角間隔為10°，逆時(shí)針增加。

圖1 試驗(yàn)概況Fig.1 Experimental situation

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心風(fēng)洞的低速試驗(yàn)段內(nèi)完成，該試驗(yàn)段尺寸為24 m長(zhǎng)×4.4 m寬×3m高［8］，試驗(yàn)采用剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，幾何縮尺比1∶200，采樣頻率312.5 Hz，地貌類型為A類。

圖2為試驗(yàn)?zāi)M的平均風(fēng)剖面、紊流度剖面及zg高度處順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜。其中U為順風(fēng)向平均風(fēng)速、Z為高度，Zg取風(fēng)洞中對(duì)應(yīng)實(shí)際80m高度處。Ug代表Zg高度處順風(fēng)向平均風(fēng)速。n為頻率，Su為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜、σu為脈動(dòng)風(fēng)速均方根值、xLu為順風(fēng)向湍流積分尺度。

考慮六組局部開口的組合方式，編號(hào)為G1～G6

G1：M1～M8關(guān)閉；V1～V12打開；

G2：M1～M4關(guān)閉；M5～M8，V1～V12打開；

圖2 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)Fig.2Wind parameters

G3：M5～M8關(guān)閉；M1～M4，V1～V12打開；

G4：所有開口打開；

G5：V2、V4、V6、V8、V10、V12關(guān)閉，其余打開；

G6：V1～V12關(guān)閉；M1～M8打開。

1.3 數(shù)據(jù)處理及參數(shù)定義

試驗(yàn)采用內(nèi)外表面同步測(cè)壓技術(shù)，如無(wú)特殊說明，下文提到的風(fēng)壓系數(shù)為凈風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

采用無(wú)量綱的風(fēng)壓系數(shù)描述結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載分布，風(fēng)壓系數(shù)定義如下：

其中：cpi（t）為風(fēng)壓系數(shù)，pi（t）為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓，P0為靜壓平均值，Pr為參考點(diǎn)動(dòng)壓平均值，ρ為空氣密度，Ur為參考點(diǎn)高度（10 m）處來流的風(fēng)速平均值。cpi（t）的平均值稱為平均風(fēng)壓系數(shù)，是本文中描述風(fēng)荷載分布的主要參數(shù)。

風(fēng)壓及風(fēng)壓系數(shù)的方向規(guī)定如下，當(dāng)風(fēng)壓沿結(jié)構(gòu)表面方向遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)時(shí)為負(fù)壓，表現(xiàn)為風(fēng)吸力，反之為正壓，表現(xiàn)為風(fēng)壓力。

風(fēng)壓系數(shù)參數(shù)可以有效的描述風(fēng)荷載的分布，為了進(jìn)一步描述開口對(duì)整體風(fēng)荷載的影響，本文采用體軸力系數(shù)衡量風(fēng)荷載的整體變化：

按照測(cè)點(diǎn)數(shù)目將結(jié)構(gòu)劃分為n個(gè)區(qū)域，編號(hào)從i＝1到i＝n，每個(gè)區(qū)域的面積為Ai，式（2）中T可取x、y、z三個(gè)方向，其中cFx、cFy、cFz、表示x、y、z三個(gè)方向的力系數(shù)，θxi、θyi、θzi表示i個(gè)區(qū)域表面與x、y、z三個(gè)方向的夾角。坐標(biāo)系定義見圖1（a），z軸按照左手螺旋定則確定。

2 風(fēng)荷載分布規(guī)律

2.1 局部開口對(duì)整體風(fēng)荷載的影響

圖3為六種局部開口下x、y、z三個(gè)方向的體軸力系數(shù)?？梢钥闯?，不同局部開口工況對(duì)x、y方向的力系數(shù)的影響較小，六種開口工況下僅關(guān)閉所有頂部開口的力系數(shù)與其他工況有較大差別，總的看來，關(guān)閉頂部開口后風(fēng)的水平推力有一定的減小。

z方向體軸力系數(shù)對(duì)開口變化非常敏感，不同開口工況下力系數(shù)差別很大（見圖3（c）），甚至?xí)霈F(xiàn)荷載方向上的變化?？傮w上來看，G1～G6六種工況下，豎向風(fēng)荷載值逐漸減小，隨著底部開口的打開與頂部開口的關(guān)閉，風(fēng)荷載值由正值（壓力）逐漸變?yōu)樨?fù)值（拉力）；關(guān)閉底部開口時(shí)（G1），所有風(fēng)向角下力系數(shù)為正值，表明結(jié)構(gòu)整體承受向下的壓力；而當(dāng)所有底部開口打開時(shí)，結(jié)構(gòu)整體承受向上的拉力，其中以底部開口打開，頂部開口封閉結(jié)構(gòu)承受的拉力最大。

從風(fēng)荷載從風(fēng)向角的變化上來看，340°～350°風(fēng)向角附近的風(fēng)力較強(qiáng)，即干擾建筑位于結(jié)構(gòu)背風(fēng)面時(shí)，在y、z方向的風(fēng)力都比較大，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)底部構(gòu)件的設(shè)計(jì)，應(yīng)以該風(fēng)向角下的風(fēng)荷載作為依據(jù)。

另外由于非對(duì)稱干擾建筑的存在，結(jié)構(gòu)力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化圖并不對(duì)稱，干擾建筑對(duì)最大風(fēng)荷載對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角有一定的影響。

圖3 不同方向的力系數(shù)Fig.3Wind force coefficients in different directions

2.2 局部開口對(duì)風(fēng)荷載分布的影響

主要通過0°和90°風(fēng)向角下受干擾模型影響較小的工況描述局部開口對(duì)風(fēng)荷載分布的影響。

圖4為0°風(fēng)向角下不同工況的風(fēng)荷載分布。其中等值線以風(fēng)壓系數(shù)值0.2為間隔，風(fēng)壓系數(shù)為0的部分采用黑粗線表示，從而將正壓區(qū)域與負(fù)壓區(qū)域區(qū)分開。從圖中可以看出，不同的開口狀況下，結(jié)構(gòu)負(fù)壓值與負(fù)壓分布區(qū)域都有很大變化，G1工況下僅天窗打開，除去結(jié)構(gòu)頂部小部分區(qū)域外，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓均為正值，其迎風(fēng)向正壓最大，背風(fēng)向次之；隨著底部開口的進(jìn)一步打開（部分打開G2、G3），負(fù)壓區(qū)范圍近一步增大，負(fù)壓值進(jìn)一步增強(qiáng)，其中底部迎風(fēng)向開口負(fù)壓區(qū)域大于背風(fēng)向開口，但區(qū)別并不大；隨著底部開口的進(jìn)一步打開（所有底部開口打開G4），負(fù)壓區(qū)范圍繼續(xù)增大，負(fù)壓值繼續(xù)加強(qiáng)；關(guān)閉部分頂部開口后（G5），負(fù)壓值范圍與強(qiáng)度并未有明顯變化；關(guān)閉所有頂部開口后（G6），結(jié)構(gòu)表面大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)壓，僅迎風(fēng)向小區(qū)域范圍內(nèi)為正壓。

為進(jìn)一步說明開口狀況對(duì)風(fēng)荷載分布的影響，圖5給出了90°風(fēng)向角下不同工況的風(fēng)荷載分布。該風(fēng)向角下的風(fēng)荷載分布隨開口狀況的變化與0°風(fēng)向角下的變化規(guī)律基本相同。但是從整體分布規(guī)律上看結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸方向中間部位的風(fēng)荷載變化不大，是一個(gè)比較穩(wěn)定的壓力區(qū)域，兩端的風(fēng)荷載變化較大。

圖4 0°風(fēng)向角風(fēng)荷載分布Fig.4W ind loads distribution at 0°wind direction

圖5 90°風(fēng)向角風(fēng)荷載分布Fig.5W ind loads distribution at 90°wind direction

2.3 局部開口對(duì)內(nèi)外表面風(fēng)壓影響

局部開口對(duì)風(fēng)荷載的影響是通過外表面和內(nèi)表面的風(fēng)壓共同作用引起的，因此本節(jié)通過G1和G6兩種工況下的內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)的分布說明局部開口對(duì)兩者的影響規(guī)律。

圖6和圖7為G1和G6工況下的外風(fēng)壓系數(shù)和內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)。由圖6可以看出，兩種工況下外壓體型系數(shù)分布規(guī)律、最大值、最小值都很接近，說明局部開口對(duì)結(jié)構(gòu)外表面的風(fēng)壓影響很小。圖7中G1工況下的內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)分布均勻，其值約為－1.0～－1.2之間，G6工況的內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)分布均勻，其值在－0.1左右。

由此可以看出，局部開口對(duì)風(fēng)荷載的影響主要是由于開口對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面風(fēng)壓的影響造成的，局部開口后結(jié)構(gòu)內(nèi)表面形成均勻的內(nèi)壓分布，不同開口時(shí)其內(nèi)壓值差別大。

2.4 局部開口對(duì)風(fēng)荷載影響小結(jié)

從局部開口對(duì)總體力系數(shù)及風(fēng)荷載分布的影響可以得到如下規(guī)律：

（1）局部開口對(duì)總體力的影響主要體現(xiàn)在豎向力上，其中當(dāng)來流方向垂直與結(jié)構(gòu)縱軸時(shí)，風(fēng)荷載較大，受局部開口的影響也較大（見圖3（c））；

（2）底部開口尤其是迎風(fēng)向底部開口能顯著增大結(jié)構(gòu)的負(fù)壓區(qū)域，其中開口的面積（即打開的門窗數(shù)量）也對(duì)風(fēng)荷載有一定的影響；

（3）頂部開口可以顯著的減小結(jié)構(gòu)的負(fù)壓區(qū)域以及負(fù)壓值，但本文的兩種打開面積對(duì)風(fēng)荷載的影響差別不大；

（4）不同的開口組合形式，結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載差異很大，如當(dāng)頂部開口打開，底部開口關(guān)閉時(shí)，結(jié)構(gòu)總體豎向力向下，大部分區(qū)域表面風(fēng)荷載為正值（即風(fēng)壓力）；當(dāng)結(jié)構(gòu)底部開口打開，頂部開口關(guān)閉時(shí)，結(jié)構(gòu)總體豎向力向上，絕大部分區(qū)域表面風(fēng)荷載為負(fù)值（即風(fēng)吸力）。

圖6 0°風(fēng)向角外風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.6 External pressure distribution at 0°wind direction

圖7 0°風(fēng)向角內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.7 Internal pressure distribution at 0°wind direction

3 類似結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)及防風(fēng)措施建議

本文通過對(duì)六種不同開口組合的情況下風(fēng)荷載的試驗(yàn)研究，給出了局部開口對(duì)兩端封閉三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力系數(shù)及風(fēng)荷載分布規(guī)律，給出底部和頂部局部開口對(duì)風(fēng)荷載及其分布的影響，結(jié)合該影響規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)及防風(fēng)措施提供建議如下：（1）對(duì)于細(xì)長(zhǎng)類的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，來流平行于縱軸時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的總體風(fēng)荷載較小，且分布比較均勻，因此盡量使結(jié)構(gòu)縱向平行于該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向；

（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)頂部（一般是負(fù)壓最大區(qū)域）可均勻設(shè)置局部開口，底部均勻布置部分可開合的局部開口，這些開口不僅可用于滿足工業(yè)工藝及其他要求，也可作為防風(fēng)抗風(fēng)的基本措施；

（3）類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)破壞形式中風(fēng)荷載掀翻結(jié)構(gòu)屋面的案例很多，因此在強(qiáng)風(fēng)來臨時(shí)，保證頂部開口敞開，底部開口關(guān)閉的狀態(tài)下（尤其是迎風(fēng)向開口），結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)吸力區(qū)域最小，風(fēng)吸力最弱；

（4）底部開口與頂部開口同時(shí)打開的情況下，結(jié)構(gòu)表面多數(shù)區(qū)域?qū)儆谙鄬?duì)較弱的風(fēng)吸力，因此在非強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下，這種開口形式對(duì)空氣流動(dòng)以及抵消結(jié)構(gòu)屋面板本身的豎向荷載都是有利的；

（5）對(duì)于類似的局部開口的弧面封閉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)負(fù)壓區(qū)的開口能有效減小結(jié)構(gòu)的表面的風(fēng)吸力，正壓區(qū)的開口會(huì)增大表面的風(fēng)吸力，這可以作為類似結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本規(guī)律。

［1］羅堯治.大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［2］馬文勇，劉慶寬，肖 彬，等.三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布規(guī)律［J］.工程力學(xué)，2011，28（SUP2）：166－170.

MA Wen-yong，LIU Qing-kuan，XIAO Bin，et al.Wind pressure distribution on three centered cylindrical latticed shell［J］.Engineering Mechanics，2011，28（SUP2）：166－170.

［3］張攀峰，王晉軍，陳明祥，等.穹頂結(jié)構(gòu)表面平均壓力分布及繞流結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（1）：54－60.

ZHANG Pan-feng，WANG Jin-jun，CHEN Ming-xiang，et al.Numerical simulation on the flow around the dome and the mean pressure distribution［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，2010，28（1）：54－60.

［4］Faghih A K，Bahadori MN.Three dimensional numerical investigation of air flow over domed roofs［J］.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynam ics，2010，98（3）：161－168.

［5］Cheng C M，F(xiàn)u C L.Characteristic of wind loads on a hemispherical dome in smooth flow and turbulent boundary layer flow［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2010，98（6－7）：328－344.

［6］馬文勇，劉慶寬，肖 彬.典型拱形殼體風(fēng)荷載分布規(guī)律［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（5）：63－68.

MA Wen-yong，LIU Qing-kuan，XIAO Bin.Wind loads distribution on typical vaulted shells［J］.Journal of civil，architectural＆environmental engineering，2011，33（5）：63－68.

［7］Blessmann J.Researches on wind effects on domes in brazil［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1996，65（1－3）：167－177.

［8］劉慶寬.多功能大氣邊界層風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010，25（3）：66－70.

LIU Qing-kuan.Aerodynamic and structure design of multifunction boundary layer wind tunnel［J］.Journal of Experiments in FluidMechanics，2010，25（3）：66－70.

Effects of local openings on w ind loads of an enclosed cylindrical latticed shell

MAWen-yong1，LIXiao-na1，LIU Qing-kuan1，QIPeng-bo2
（1.Wind Engineering Research Center，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Navy Design＆Research Institute，Beijing 100070，China）

The effects of local openings on wind loads of an enclosed large span spatial structure were considered.Wind loads distribution on an enclosed three-center cylindrical latticed shell with local openings was studied via a rigid modelwind pressure test in a wind tunnel.The wind force coefficients and wind loads distributions of the structure in different local openings cases were compared.The variation laws of wind loads distribution versus local openings were gained.Itwas shown that the suction on structure surface is decreased by the local openings of a strong negative wind pressure region whereas it is increased by the local openings of a positive wind pressure region.The results provided a suggestion for wind-resistant design and wind-resistantmeasures of similar structures.

enclosed cylindrical latticed shell；local openings；wind tunnel test；wind loads distribution；windresistantmeasures

TU312.1

A

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51108280）；河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（09215626D）

2012－08－13 修改稿收到日期：2013－03－23

馬文勇男，博士，1981年生