雙曲型塔柱大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性研究

陸 煜， 趙善博， 馬文勇，2， 劉小兵，2， 劉慶寬，2

（1.石家莊鐵道大學(xué) 風(fēng)工程研究中心，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，各種造型獨特、結(jié)構(gòu)新穎的大跨屋蓋空間結(jié)構(gòu)相繼建成。這類結(jié)構(gòu)大都具有跨度大、質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特性，屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。學(xué)者們已對部分大跨屋蓋懸挑結(jié)構(gòu)、圓拱形懸挑結(jié)構(gòu)及復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)等進行了研究［1－7］，但針對雙曲型塔柱大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的研究仍十分有限。

結(jié)合某公園景觀大型結(jié)構(gòu)海之泉項目，對雙曲型塔柱大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性進行了研究。該結(jié)構(gòu)分為A、B兩座鋼結(jié)構(gòu)，其中海之泉A高度約32.0m，平面投影輪廓直徑約79.0m；海之泉B高度約42.0m，平面投影輪廓直徑約85.6 m，如圖1所示。相對傳統(tǒng)景觀建筑而言，該結(jié)構(gòu)尺寸較大、形狀特殊，懸挑部分為具有凸起的弧面，下部結(jié)構(gòu)為中空塔柱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性無法依據(jù)以往經(jīng)驗及現(xiàn)有規(guī)范進行準(zhǔn)確分析。結(jié)合風(fēng)洞試驗結(jié)果，研究了該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供了一定參考。

圖1 海之泉結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

1 試驗概況

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

該風(fēng)洞試驗在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心風(fēng)洞實驗室低速試驗段內(nèi)進行。該風(fēng)洞是一座串聯(lián)雙試驗段回／直流大型多功能邊界層風(fēng)洞，低速試驗段寬4.4 m，高3.0m，長24.0m，最大風(fēng)速大于30.0m／s，風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，本次試驗風(fēng)速采用16 m／s。

試驗?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D2）主要采用有機玻璃和ABS板兩種材料制成，模型縮尺比為1∶125，模型表面共布置840個測點。其中，模型A共布置測點192對，內(nèi)外表面各192個；模型B共布置測點228對，內(nèi)外表面各228個。采用內(nèi)外點同步測壓的方式，采樣頻率為312.5 Hz。為研究方便，以懸挑結(jié)構(gòu)外緣所在水平面為界，將結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分，以海之泉A為例，剖面示意圖如圖3。測點布置如圖4所示。

圖2 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖3 海之泉A模型剖面示意圖

圖4 海之泉模型測點布置圖

1.2 試驗工況和風(fēng)場模擬

定義風(fēng)由北向南為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角按逆時針方向增加，間隔10°為一個風(fēng)向角，共36個風(fēng)向角，圖5為模型方位與試驗風(fēng)向角示意圖。

海之泉項目所在地地貌類型為B類，試驗時采用尖劈和粗糙元等用被動模擬的方法進行模擬。

圖5 模型方位與試驗風(fēng)向角

2 數(shù)據(jù)處理方法

采用無量綱風(fēng)壓系數(shù)來描述結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓

式中，Cpi為i點的風(fēng)壓系數(shù)；Pi為測點i的壓力；ˉPs為參考點靜壓平均值；ˉPt，h為參考高度h處總壓；ρ為空氣密度；ˉVh為參考高度h處的平均風(fēng)速。為方便使用，參考點高度取h＝10m，下文分別采用ˉCpi和＾Cpi表示Cpi的均值和均方根值，分別稱為平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)上下表面或者內(nèi)外表面同步測壓時，定義測點凈壓系數(shù)

式中，Cpni為i點位置的凈壓系數(shù)；Cpei和Cpii為i點位置的外部測點和內(nèi)部測點的風(fēng)壓系數(shù)。ˉCpni和＾Cpni表示Cpni的均值和均方根值，稱為平均凈壓系數(shù)和脈動凈壓系數(shù)。

體型系數(shù)可由測點的平均風(fēng)壓系數(shù)（或者平均凈壓系數(shù)）計算得到

式中，μi（μni）稱為測點i處的體型系數(shù)；Zi為測點i所處的高度；α為地貌粗糙度指數(shù)，B類地貌α取0.16［5］。同理可得外壓體型系數(shù)和內(nèi)壓體型系數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 上部懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分離區(qū)

兩結(jié)構(gòu)具有相似的外形，以海之泉A為例進行研究。為了有效地研究具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，在模型上表面選取0°風(fēng)向角下與來流平行的軸線處的12個測點（沿來流方向分別記為1～12號）作為特征觀察點，按所處位置將其分為2組，圖5（a）和圖5（b）分別給出了所選特征點的體型系數(shù)。

圖6 特征點體型系數(shù)圖

從圖6（a）中可以看出，凸面懸挑結(jié)構(gòu)迎風(fēng)向測點1、2號的體型系數(shù)為正值，而3～6號測點的體型系數(shù)為負(fù)，可以判斷結(jié)構(gòu)該方向的氣流分離點位于2、3號測點之間，而結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對稱，因此該凸面懸挑結(jié)構(gòu)的外部分離區(qū)域為如圖7（a）所示的陰影區(qū)域，界限在2、3號測點所夾圓環(huán)區(qū)域內(nèi)。從圖6（b）中可以看出，凸面懸挑結(jié)構(gòu)迎風(fēng)向測點7號的體型系數(shù)為正值，而8～12號測點的體型系數(shù)為負(fù)，可以判斷結(jié)構(gòu)該方向的氣流分離點位于7、8號測點之間，因此凸面懸挑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分離區(qū)域為如圖7（b）所示的陰影區(qū)域，界限在7、8號測點所夾圓環(huán)區(qū)域內(nèi)。

圖7 海之泉A懸挑結(jié)構(gòu)分離區(qū)范圍圖

以上分析表明，上部大跨懸挑結(jié)構(gòu)的正壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)外沿以及空心處內(nèi)沿部分，其余部分基本為負(fù)壓區(qū)。

3.2 下部塔柱結(jié)構(gòu)體型系數(shù)分布

海之泉的下部結(jié)構(gòu)為中空塔柱形結(jié)構(gòu)，屬于典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)，其自身對風(fēng)的作用十分敏感。結(jié)合上部大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)整體受到風(fēng)荷載的影響會更加明顯，因此對海之泉下部結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性進行研究是十分有必要的。

結(jié)構(gòu)的外壓體型系數(shù)和內(nèi)壓體型系數(shù)可分別由布置在結(jié)構(gòu)外壁和內(nèi)壁上的測點得到的風(fēng)壓系數(shù)經(jīng)公式（3）求得。圖8為0°風(fēng)向角下海之泉A下部結(jié)構(gòu)不同高度處周向測點的體型系數(shù)分布圖。圖中橫軸刻度表示周向測點的方位角，定義正迎風(fēng)向測點角度為0°。圖中C1～C4依次為由高向低交錯排列的海之泉A下部結(jié)構(gòu)周向測點，每一周有12個測點組成，參見圖4（c）。

圖8 下部結(jié)構(gòu)不同高度處周向測點體型系數(shù)分布

由圖8可知：（1）結(jié)構(gòu)內(nèi)壓體型系數(shù)均為負(fù)值，即表現(xiàn)為吸力；（2）正迎風(fēng)面測點（0°方位角）外壓體型系數(shù)較大，兩側(cè)各約30°范圍內(nèi)外壓體型系數(shù)為正，60°附近及背風(fēng)側(cè)測點體型系數(shù)為負(fù)，且趨于穩(wěn)定；（3）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)側(cè)所承受的風(fēng)荷載作用大于具有相似外形的封閉結(jié)構(gòu)，而背風(fēng)側(cè)由于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)負(fù)壓的存在使得其所承受的風(fēng)荷載絕對值小于具有相似外形的封閉結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過海之泉剛性模型測壓試驗結(jié)果，對具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)及中空塔柱形結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)進行了分析，研究了此類風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布及體型系數(shù)的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）上部具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)的正壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)外沿以及空心處內(nèi)沿部分，其余部分基本為負(fù)壓區(qū)。沿來流方向，氣流在上游結(jié)構(gòu)表面的分離點的水平投影位于結(jié)構(gòu)水平投影的前1／6～1／3所在范圍內(nèi)，氣流在下游結(jié)構(gòu)表面的分離點的水平投影位于結(jié)構(gòu)水平投影的前1／6范圍內(nèi)。

（2）下部塔柱形中空結(jié)構(gòu)不同高度周向測點體型系數(shù)分布規(guī)律較為相似，結(jié)構(gòu)內(nèi)壓體型系數(shù)始終為負(fù)值，結(jié)構(gòu)正迎風(fēng)面外壓體型系數(shù)為正且數(shù)值較大，兩側(cè)各約30°范圍內(nèi)外壓體型系數(shù)為正，兩側(cè)60°附近及背風(fēng)側(cè)體型系數(shù)為負(fù)且變化不大。

［1］沈國輝，孫炳南，樓文娟，等.大跨屋蓋懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分析［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2003，22（1）：41－46.

［2］黃明開，倪振華，謝壯寧，等.大跨圓拱屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)分析［J］.振動工程學(xué)報，2004，17（3）：275－279.

［3］沈國輝，孫炳南，樓文娟，等.復(fù)雜體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布［J］.土木工程學(xué)報，2005，38（10）：39－43.

［4］汪叢軍，黃本才，徐曉明，等.環(huán)狀懸挑屋蓋平均風(fēng)壓與風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬［J］.同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，34（6）：711－715.

［5］田玉基，楊慶山，范重，等.國家體育場大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28（2）：26－31.

［6］鮮榮，廖海黎，李明水.大跨懸挑屋蓋風(fēng)壓分布風(fēng)洞試驗分析［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2009，27（5）：572－577.

［7］陳亞楠，周 岱，孫穎昊.環(huán)狀大懸臂挑篷風(fēng)載特性與風(fēng)場繞流分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（5）：53－61.

［8］中國建筑科學(xué)研究院.GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.