體育場罩棚結(jié)構(gòu)平均風荷載分布特點研究

王賢亮 闞建忠 丁子文

(浙江大學建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

體育場罩棚結(jié)構(gòu)平均風荷載分布特點研究

王賢亮 闞建忠 丁子文

(浙江大學建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

以灌南體育場、浦江體育場、金華體育場的罩棚結(jié)構(gòu)為工程背景，基于剛性模型表面測壓風洞試驗結(jié)果，得到了罩棚結(jié)構(gòu)表面各測點的風壓時程,并總結(jié)了挑棚結(jié)構(gòu)風壓分布的一般共性特點及由于結(jié)構(gòu)形式的不同對風壓場分布的影響，得出懸挑屋蓋挑蓬前緣拱可以明顯改善屋蓋結(jié)構(gòu)抗風性能的結(jié)論。

風洞試驗，體育場罩棚，風荷載特性，抗風性能

現(xiàn)代體育場的上部罩棚結(jié)構(gòu)的形狀往往采用大懸挑，輕材質(zhì)，柔結(jié)構(gòu)等形式，形成了典型的對風敏感的結(jié)構(gòu)，從而作用在懸挑罩棚上的風荷載和由此誘發(fā)的罩棚風致振動常常是控制結(jié)構(gòu)安全性的主要因素[1]。體育場罩棚從廣義上說主要分為環(huán)狀罩棚和主看臺罩棚兩種形式。其中主看臺罩棚又可根據(jù)其前沿狀態(tài)大體分為有拱無拱兩種情況。由于跨度問題，一般采用巨型鋼結(jié)構(gòu)拱作為前沿拱。我國規(guī)范對這種造型獨特體育場的風荷載計算缺乏相應(yīng)的體型系數(shù)規(guī)定。因此，需要基于風洞試驗剛性模型風壓測試數(shù)據(jù)，分析比較環(huán)狀挑棚，前沿有拱，前沿無拱主看臺挑棚形式的風壓分布形式，得出挑棚結(jié)構(gòu)風壓分布的一般共性與特性，并根據(jù)其風壓分布特點，對罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗風設(shè)計提出有效的建議。

1 工程概況

灌南體育場的罩棚屬于環(huán)狀罩棚，其水平投影為貝殼形，效果圖如圖1a)所示。罩棚結(jié)構(gòu)長度為234 m，最大懸挑29.5 m。罩棚采用徑向懸挑桁架與環(huán)向聯(lián)系桁架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，鋼桁架通過“V”形鋼支撐與支座相連。

浦江體育場的罩棚屬于前沿無拱的主看臺罩棚，上表面呈竹節(jié)狀起伏，其效果圖如圖1b)所示。罩棚結(jié)構(gòu)的縱向跨度達到209.5 m，最大懸挑28 m，罩棚采用改進懸臂型預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)構(gòu)，上覆張拉膜形式。金華體育場的罩棚屬于前沿有拱的主看臺罩棚，其水平投影為月牙形，其效果圖見圖1c)。罩棚長方向跨度263.8 m，短方向跨度44.5 m，結(jié)構(gòu)最高點為43.4 m。采用桁架拱與網(wǎng)殼相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，前端大拱采用管桁架，多點支撐與下部混凝土V形柱相連，兩側(cè)落地處設(shè)置大體積混凝土墩與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接。

2 三個體育場的風洞試驗概況

灌南體育場的風洞試驗?zāi)Ｐ蛶缀慰s尺比為1∶200。在體育場屋蓋模型上內(nèi)外表面共布置了494個測點。試驗在廣東省建筑科學研究院的CGB-1建筑風洞中進行。灌南體育場處于B類地貌，地貌粗糙度指數(shù)α=0.16，基本風壓為0.65 kN/m2(100年一遇)。試驗風速參考點選在風洞高度0.15 m處，對應(yīng)于實際高度30 m。浦江體育場的風洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶150。在體育場屋蓋模型上內(nèi)外表面共布置了740個測點。試驗在浙江大學的ZD-1邊界層風洞中進行。浦江體育場處于B類地貌，地貌粗糙度指數(shù)α=0.16，基本風壓為0.40 kN/m2(100年一遇)。試驗風速參考點選在風洞高度0.2 m處，對應(yīng)于實際高度30 m。

金華體育場的風洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶250。由于金華體育場為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以在東南側(cè)1/4屋蓋置186個測點。試驗在廣東建筑科學研究院的CGB-1建筑風洞中進行，金華體育場所處于B類地貌，地貌粗糙度指數(shù)α=0.16，基本風壓為0.40 kN/m2(100年一遇)，試驗直接測得的各點風壓系數(shù)均是以43.475 m高度處的風壓為參考風壓。

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)目前國內(nèi)外風工程慣用的方法，風壓系數(shù)可按式(1)計算：

(1)

為了使這幾個結(jié)構(gòu)具有可比性，可把風壓系數(shù)轉(zhuǎn)換成局部體型系數(shù)。根據(jù)GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定，某一點“i”的風壓Wi計算公式為[4]：

Wi=μsiμziW0

(2)

式中：W0——標準地貌的基本風壓； μsi——i點的風載體型系數(shù)； μzi——i點的風壓高度變化系數(shù)。

由風洞試驗得出的風壓計算公式為：

Wi=CpiμzrW0

(3)

其中，μzr為參考點zr處的風壓高度變化系數(shù)，對比式(1)與式(3)便可得到μsi與Cpi的關(guān)系為：

μsi=Cpiμzr/μzi

(4)

4 罩棚面典型測點的平均風壓分布特性

這三個風洞試驗均每隔15°共24個風向角進行風壓測試，為了便于比較，定義相同的試驗風向角如圖2所示。由于體育場結(jié)構(gòu)具有對稱性，典型測點A，B，C，D分別代表看臺罩棚的前、中、后緣和側(cè)部。

圖3為罩棚上典型測點的綜合體型系數(shù)隨風向角的變化曲線。綜合體型系數(shù)由罩棚各測點上下表面的風壓差經(jīng)式(4)計算得到。對于罩棚的上下表面來說，風壓正值為指向某個表面的方向(壓力)，負值為離開某個表面的方向(吸力)并定義綜合風壓方向同上表面方向，即向上的升力為負，向下的壓力為正，由圖3可以得到平均風在各類罩棚上分布的以下特征：1)在三種類型的罩棚上的風荷載均以向上的吸力為主，在迎風的邊緣位置，分布了較高的吸力，這一特性與風向角無關(guān)。這是由于分離流引起的，從正面吹向罩棚的氣流，在上表面形成分離泡，從而產(chǎn)生了一個大的負壓區(qū)域，而在罩棚下表面，由于結(jié)構(gòu)桿件以及主看臺的影響，對罩棚下表面的分離產(chǎn)生了抑制作用，這樣，聯(lián)合形成一個向上的升力。2)在90°及270°風向角即側(cè)面吹向A，B，C測點部分時，由于側(cè)風面罩棚體型無突變，且未直接承受來流方向風荷載，因此前緣后緣中部測點部分其上、下表面風壓主要為較小數(shù)值負壓，疊加后互相抵消，導致側(cè)風面凈風壓較小。對于側(cè)部測點D來說，在90°風向角時，其上表面則是正面直接承受來流風荷載，而在下表面則產(chǎn)生較大負壓，故綜合產(chǎn)生較大正壓；而在270°風向角時，D測點部分由于其上游罩棚影響在下表面產(chǎn)生較大正壓，故綜合產(chǎn)生較大的向上吸力。3)在90°～270°風向角即正面吹向后緣B測點部分時，對于浦江體育場和金華體育場模型來說，由于正后方無遮擋，所以當180°風向角時，其產(chǎn)生最大負風壓。對于灌南體育場來說，由于其風洞試驗?zāi)Ｐ涂紤]了旁邊體育館及游泳館的影響，當135°及225°風向角附近即體育館或游泳館位于后緣區(qū)上風向時，使得迎風面部分體育場罩棚處于體育館的尾流區(qū)，因為尾流區(qū)的湍流性更強，從而其上表面部分本應(yīng)是由于分離而產(chǎn)生負壓的區(qū)域形成了由于正面受風而產(chǎn)生的明顯正壓，產(chǎn)生了綜合正壓。

5 整個罩棚面的平均風壓分布特征

由圖3還可發(fā)現(xiàn)前緣有拱的金華體育場罩棚，比前緣無拱的浦江體育場罩棚在各個風向角下，其綜合體型系數(shù)均要小些，為了進一步分析這一情況，取典型的0°風向角，即懸挑罩棚正面迎風時的風向角下來討論平均風壓的分布情況。圖4為該風向角下有無拱罩棚的體型系數(shù)分布圖。

通過局部體型系數(shù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，平均風壓的分布存在一些區(qū)別。兩者的區(qū)別明顯表現(xiàn)在下表面：當罩棚處于迎風時，無拱罩棚下表面大部分形成正壓，而有拱罩棚則在罩棚的下表面大部分形成負壓，這是由于其前部存在產(chǎn)生阻擋作用的剛性拱，從而使來風在罩棚的上下表面均發(fā)生了分離，進而在罩棚的上下表面均產(chǎn)生了負壓。

通過比較圖4中兩個體育場罩棚的綜合參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)由于拱的阻擋作用，使得有拱罩棚上下兩個面上均產(chǎn)生背離表面的負壓，相互抵消之后，雖然總的效果仍然是產(chǎn)生向上的升力，但是相比無拱懸挑罩棚來說，這種升力的作用已經(jīng)減小了將近40%。

6 結(jié)語

通過風洞試驗的方法，得到模型表面各測點處的風壓時程。通過數(shù)據(jù)換算處理，把三個基于不同風速參考點，不同縮尺比的風洞試驗測壓數(shù)據(jù)換算成可以比較的局部體型系數(shù)，從而對這三種典型罩棚結(jié)構(gòu)的平均風壓分布情況進行了比較分析，得出以下結(jié)論：1)負壓風荷載是這種敞開式大懸挑體育場罩棚結(jié)構(gòu)的控制風荷載。罩棚結(jié)構(gòu)的前緣、中部和后緣測點的平均風壓隨風向角的變化規(guī)律相似。即當風正面吹向懸挑罩棚結(jié)構(gòu)前緣時，前緣風壓力較大；當風正面吹向懸挑罩棚結(jié)構(gòu)后緣時，后緣風壓力較大。故在懸挑罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需注意下部抗拉桿件的設(shè)置，如在浦江體育場的每榀張弦索桁架下部均施加了預(yù)應(yīng)力抗風索。2)前緣平均風壓最大值并不是發(fā)生在0°風向角，而是在45°或330°風向角。這是由于上風向主看臺和罩棚的影響，使處于尾流區(qū)的流場的湍流性更大，從而減小了下游罩棚0°風向角時的平均風壓。故在罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需考慮起控制作用的不同的風向角下的風荷載作為不同的工況參與組合。3)不能忽略體育場周邊相近的體育館或游泳館的影響。當體育館或游泳館位于體育場后緣區(qū)上風向時，使得迎風面部分體育場罩棚位于體育館尾流區(qū)，使其上表面部分本應(yīng)是由于分離而產(chǎn)生負壓的區(qū)域形成了由于正面受風而產(chǎn)生的明顯正壓，而使得綜合負壓減少，產(chǎn)生了綜合正壓。故在進行風洞測壓試驗或數(shù)值風洞模擬計算確定體育場的風荷載時，需正確模擬周邊臨近大型建筑物對風場的干擾作用。4)懸挑前緣的剛性拱可以改善一般大跨懸挑罩棚結(jié)構(gòu)的抗風性能，故在設(shè)計基本風壓較大地區(qū)或懸挑長度較大的體育場罩棚結(jié)構(gòu)，在罩棚前沿設(shè)置剛性拱可以作為提高其抗風性能的一種有效手段。

[1] 黃本才.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應(yīng)用[M].上海:同濟大學出版社，2001.

[2] 謝壯寧，倪振華，石碧青.大跨屋蓋風荷載特性的風洞試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2001，22(2)：23-28.

[3] 黃 鵬，全 涌，顧 明.TJ-2風洞大氣邊界層被動模擬方法的研究[J].同濟大學學報(自然科學版)，1999，27(2)：136.

[4] GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5] Barnard R H．Predicting dynamic wind loading on cantilevered canopy roof structures[J]．J wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000(85)：47.

Research on mean wind load distribution characteristics of stadium awning structure

WANG Xian-liang KAN Jian-zhong DING Zi-wen

(ArchitecturalDesignInstituteLimitedCompany,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)

Taking the awning structure of Guannan stadium, Pujiang stadium, Jinhua stadium as the engineering background, based on wind pressure tunnel experimental results of rigid surface model, obtained the wind pressure time history of surface each measuring point of awning structure, and summarized the general common characteristics of wind pressure distribution of overhanging roof structure, and because of the influence of different structure to wind pressure distribution, drew the conclusion of cantilevered roof awning front arch could significantly improve the wind resistance performance of roof structure.

wind tunnel test, stadium awning, wind load characteristic, wind resistance performance

1009-6825(2014)34-0051-03

2014-09-26

王賢亮(1982- )，男，工程師,一級注冊結(jié)構(gòu)工程師； 闞建忠(1968- )，男，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師； 丁子文(1980- )，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU311.2

A