開(kāi)口狀態(tài)及干擾對(duì)柱面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響

孫高健， 馬文勇,2， 劉慶寬,2， 劉小兵,2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 石家莊，050043)(2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所 石家莊，050043)

開(kāi)口狀態(tài)及干擾對(duì)柱面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響

孫高健1， 馬文勇1,2， 劉慶寬1,2， 劉小兵1,2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 石家莊，050043)(2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所 石家莊，050043)

為滿足儲(chǔ)煤量、工藝及環(huán)保的要求，柱面煤棚結(jié)構(gòu)常常成對(duì)出現(xiàn)且在端部和兩側(cè)采用不同形式的開(kāi)口，煤棚間的相互干擾和開(kāi)口狀態(tài)對(duì)風(fēng)荷載的影響效應(yīng)目前尚不明確。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，研究了端部、兩側(cè)開(kāi)口狀態(tài)以及煤棚間距對(duì)其結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的影響，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)整體力系數(shù)、體型系數(shù)分布及脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，給出了風(fēng)向角、開(kāi)口狀態(tài)及間距對(duì)風(fēng)荷載的影響規(guī)律，分析了其產(chǎn)生機(jī)理，并給出了該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載建議。結(jié)果表明：半封閉的端部開(kāi)口方式能有效減小結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載，且脈動(dòng)風(fēng)壓值最??；兩側(cè)30% 開(kāi)孔率的開(kāi)口形式，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布更均勻，減小結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓；煤棚之間的干擾對(duì)平均風(fēng)荷載主要為遮擋效應(yīng)，對(duì)脈動(dòng)風(fēng)荷載影響不顯著。

風(fēng)工程； 風(fēng)壓分布； 風(fēng)洞試驗(yàn)； 三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)； 開(kāi)口狀態(tài)； 干擾效應(yīng)

引 言

三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)中的大跨度空間結(jié)構(gòu)，其跨度常達(dá)100 m以上，最大可達(dá)180 m。這類結(jié)構(gòu)常常需要在端部設(shè)置交通通道或者在兩側(cè)開(kāi)口以滿足工藝和環(huán)保要求，這些開(kāi)口變化對(duì)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載影響很大。另外，由于存儲(chǔ)量大，常常采用多個(gè)煤棚近距離布置的結(jié)構(gòu)形式，煤棚之間的相互干擾也對(duì)其表面風(fēng)荷載的估算帶來(lái)了更多的不確定性。上述問(wèn)題是目前柱體儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中遇到的急需解決的問(wèn)題。

已有研究表明，兩端封閉狀況不僅可以影響結(jié)構(gòu)承受的總體風(fēng)吸力，也可以改善結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布[1-2]。在各種兩端開(kāi)口的方式中，兩端半封閉[3]的儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值研究較少。另外，為解決環(huán)境保護(hù)和交通通行之間的矛盾，具有一定透風(fēng)率的防風(fēng)網(wǎng)也開(kāi)始被用在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，這種兩側(cè)防風(fēng)網(wǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響也不明確。風(fēng)向角對(duì)風(fēng)荷載也有很大的影響，研究表明最大的風(fēng)荷載往往出現(xiàn)在斜風(fēng)向下[4-5]，而目前我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》并未提供斜風(fēng)向下的風(fēng)荷載取值。對(duì)于成對(duì)出現(xiàn)的煤棚結(jié)構(gòu)，干擾效應(yīng)也是其風(fēng)荷載取值需要關(guān)注的重要因素。這種干擾效應(yīng)從整體風(fēng)荷載分析，常常表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，能夠減小結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載[6-7]，但是，受擾結(jié)構(gòu)對(duì)不同區(qū)域影響并不相同[8]。目前，對(duì)圓柱面網(wǎng)殼以及其他大跨度曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)[9-11]的風(fēng)荷載分布進(jìn)行了研究，而該類結(jié)構(gòu)由于其開(kāi)口狀態(tài)的復(fù)雜性，仍需進(jìn)一步研究其風(fēng)荷載分布規(guī)律。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了三心圓柱面煤棚結(jié)構(gòu)端部開(kāi)口狀態(tài)、兩側(cè)開(kāi)口狀態(tài)以及兩煤棚的相互干擾對(duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的影響，通過(guò)對(duì)比作用在結(jié)構(gòu)上的整體風(fēng)荷載給出了結(jié)構(gòu)的最不利風(fēng)向角、開(kāi)口及干擾狀態(tài)，并進(jìn)一步通過(guò)風(fēng)荷載分布解釋了其形成的原因。結(jié)果不僅可以為該類結(jié)構(gòu)的初期選型提供建議，也可以為類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供風(fēng)荷載取值依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 模型概況

筆者針對(duì)長(zhǎng)為220 m、寬為120 m、高為54.2 m、矢跨比為0.45的三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，該網(wǎng)殼面由中心一段半徑r=66.6 m、圓心角φ=70°圓弧和兩端半徑r=45.3 m、圓心角φ=46°的圓弧組成，底部支撐高度為6 m。Ln為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縱向測(cè)點(diǎn)行標(biāo)號(hào)，Ln=1～11；α為橫向測(cè)點(diǎn)位置參數(shù)，α=0°～180°。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃板制成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，模型縮尺比為1∶200，每個(gè)測(cè)壓孔布置1對(duì)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)外同步測(cè)壓，測(cè)點(diǎn)布置沿模型縱向劃分為11個(gè)剖面，每個(gè)剖面在全拱方向上布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r見(jiàn)圖1，x軸、y軸及z軸正向如圖1所示，坐標(biāo)系滿足右手定則。

圖 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣rFig.1 Model diagram

1.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)段寬為4.4 m，高為3 m，長(zhǎng)為24 m。用粗糙元和尖劈模擬實(shí)際工程所在A類地貌，圖2為A類地貌平均風(fēng)剖面、紊流度剖面[2]。試驗(yàn)自由來(lái)流風(fēng)速為11 m/s，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DTC Initium型電子式壓力掃描，采樣頻率為330 Hz，采樣時(shí)間為30 s，采樣點(diǎn)數(shù)為9 900點(diǎn)。試驗(yàn)相似比見(jiàn)表1。

圖 2 平均風(fēng)剖面和紊流度剖面Fig.2 Mean velocity profile and turbulence intensity profile

名稱模型值原型值相似比長(zhǎng)度比110cm×60cm220m×120m1∶200風(fēng)速比11m/s24m/s1∶2時(shí)間比33s55min1∶100

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)來(lái)流垂直于模型縱軸方向?yàn)?° 風(fēng)向角，風(fēng)向角β按順時(shí)針?lè)较蛟黾?，?0°為間隔，在0° ～ 180° 風(fēng)向角下進(jìn)行試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)。兩端開(kāi)口狀態(tài)分為兩端開(kāi)口、兩端半封閉、兩端全封閉3種情況，其中兩端半封閉底部距地面高度為8 m，3種開(kāi)口情形見(jiàn)圖3。沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向，在立柱側(cè)面有2種開(kāi)口狀態(tài)，定義開(kāi)孔率為δ，δ=0時(shí)為兩側(cè)全封閉狀態(tài)，δ= 30% 時(shí)為兩側(cè)30%開(kāi)孔率狀態(tài)。兩側(cè)開(kāi)口狀態(tài)見(jiàn)圖4。由于固定模型的需要，煤棚模型支座底部沿長(zhǎng)度方向設(shè)置2 cm寬的ABS板制成的長(zhǎng)條，干擾間距指兩煤棚支撐底部長(zhǎng)條間的距離。干擾間距用I表示，取I= 0,20,40,60,80,100和120 cm共7個(gè)間距進(jìn)行試驗(yàn)，其中模型跨度距離D=60 cm，則I/D分別為0，0.3，0.7，1，1.3，1.7和2。

圖 3 3種開(kāi)口狀態(tài)Fig.3 Three open states

圖 4 兩側(cè)開(kāi)口狀態(tài)Fig.4 Open state on both sides

1.4 參數(shù)定義

采用無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)描述結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓

(1)

其中：Cpi為i點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，pi為測(cè)點(diǎn)i處的壓力；ps為參考點(diǎn)靜壓；pt為參考點(diǎn)總壓；ρ為空氣密度；Ur為參考點(diǎn)風(fēng)速。

定義凈壓系數(shù)為

Cpdi=Cpwi-Cpni

(2)

其中：Cpdi為i測(cè)點(diǎn)位置的凈壓系數(shù)；Cpwi和Cpni為i測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的外表面測(cè)點(diǎn)和內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)。

下面用Cpdimean和Cpdirms表示Cpdi的凈壓系數(shù)均值和凈壓系數(shù)均方根值，凈壓體型系數(shù)可由凈壓系數(shù)均值求得

(3)

其中：μsdi為測(cè)點(diǎn)i的凈壓體型系數(shù)；Zi為測(cè)點(diǎn)i所處的高度；α為地面粗糙度指數(shù)，本試驗(yàn)為A類地貌，α= 0.12。

凈壓脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)可由凈壓系數(shù)求得

(4)

其中：Cpdirms為凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)；Cpdimean為凈風(fēng)壓系數(shù)均值；N為每個(gè)樣本采樣點(diǎn)的數(shù)目，本試驗(yàn)中N=9 900。

將作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓在各風(fēng)向角下進(jìn)行積分，得到結(jié)構(gòu)的整體力系數(shù)，此處的整體力系數(shù)指結(jié)構(gòu)受到的平均力，定義y，z方向及y與z合力方向的無(wú)量綱整體力系數(shù)分別為Cy，Cz，Cc

其中：Cpdi為i測(cè)點(diǎn)位置的凈風(fēng)壓系數(shù)；Ai為測(cè)點(diǎn)i所屬面積；θi為測(cè)點(diǎn)法線方向與水平方向的夾角(θi≤ 90°)；D為模型的寬；L為模型的長(zhǎng)；H為模型的矢高。

對(duì)式(5)～式(7)說(shuō)明如下：將作用在結(jié)構(gòu)上的平均風(fēng)壓沿y，z兩個(gè)方向進(jìn)行分解，然后進(jìn)行無(wú)量綱化即得到y(tǒng)，z方向整體力系數(shù)Cy和Cz，將這兩個(gè)方向的力系數(shù)合成，即得到合力方向的整體力系數(shù)Cc。

2 開(kāi)口狀態(tài)的影響

2.1 力系數(shù)分析

圖5給出了端部3種開(kāi)口狀態(tài)與兩側(cè)2種開(kāi)口狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。

圖 5 力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律Fig.5 Variation of force coefficients with angle of attack

由圖5可知，不同開(kāi)口狀態(tài)下力系數(shù)的變化趨勢(shì)一致，隨風(fēng)向角的增加而先增大然后減小，30°～40° 風(fēng)向角附近力系數(shù)最大。從圖5(a)可以看出，0° ～ 90° 風(fēng)向角內(nèi)，端部為開(kāi)口狀態(tài)時(shí)Cy最大，兩端全封閉與兩端半封閉Cy相同，兩端開(kāi)口水平推力最大，兩側(cè)開(kāi)口狀態(tài)對(duì)水平推力幾乎沒(méi)有影響。由圖5(b)可知，受開(kāi)口狀態(tài)的影響，Cz呈現(xiàn)明顯的梯度變化，兩端全封閉結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)吸力最大，兩端全封閉情況下，兩側(cè)30% 開(kāi)孔率能夠減小結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)吸力。由圖5(c)可知，從整體平均力角度考慮， 結(jié)構(gòu)在30°～ 40° 風(fēng)向角附近最為不利，在最不利風(fēng)向角下兩端半封閉、兩側(cè)全封閉Cc值最小。

2.2 體型系數(shù)分析

以整體力最大的30° 風(fēng)向角為例，圖6給出了不同開(kāi)口狀態(tài)下體型系數(shù)的分布。

圖6 體型系數(shù)分布Fig.6 Pressure coefficients distribution

由圖6可知，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面體型系數(shù)為正值，隨著高度增加呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，由結(jié)構(gòu)底部到中部數(shù)值逐漸減小，結(jié)構(gòu)頂部形成最強(qiáng)負(fù)壓區(qū)域，由結(jié)構(gòu)頂部至結(jié)構(gòu)背風(fēng)區(qū)域，負(fù)壓逐漸減弱。

對(duì)圖6體型系數(shù)等值線圖進(jìn)行對(duì)比，可以看出圖中所示Ⅰ,Ⅱ區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)負(fù)壓區(qū)域，其出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布變得更不均勻。由于端部開(kāi)口，斜風(fēng)向(β=30°)下風(fēng)直接吹向結(jié)構(gòu)區(qū)域Ⅰ內(nèi)表面，內(nèi)壓為正壓，該正壓增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)表面的凈負(fù)壓，使得y方向受力較大。兩端全封閉阻擋來(lái)流穿過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，來(lái)流在結(jié)構(gòu)頂部分離速度較快，在區(qū)域Ⅱ形成較大的負(fù)壓區(qū)，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)整體的風(fēng)吸力。從圖中可以看出，兩端半封閉的開(kāi)口狀態(tài)由于兩端遮擋，結(jié)構(gòu)y方向的風(fēng)壓受到減弱，同時(shí)來(lái)流在頂部的分離速度減緩，z方向的風(fēng)壓減小，使得結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布更均勻。

2.3 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分析

以整體力最大的30° 風(fēng)向角為例，圖7給出了不同位置處結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的分布。

圖 7 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.7 Fluctuating wind pressure coefficients distribution

由圖7(a)可以看出，在結(jié)構(gòu)端部位置(Ln=1)，α=0°～180°范圍內(nèi)，兩端開(kāi)口狀態(tài)下，兩側(cè)全封閉與兩側(cè)30%開(kāi)孔率的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)重合，α從0°～90°范圍變化時(shí)，兩端半封閉(兩側(cè)全封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率)與兩端全封閉(兩側(cè)全封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)基本重合，α在90°～180°范圍內(nèi)變化時(shí)，上述4種工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)大小略有差異。可以得出，兩側(cè)的開(kāi)口狀態(tài)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)沒(méi)有影響，而兩端開(kāi)口狀態(tài)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)略有影響，兩端開(kāi)口情況下，結(jié)構(gòu)表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值最大。

由圖7(b)可知，Ln=3截面處，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的分布受開(kāi)口狀態(tài)影響明顯，α=20°左右時(shí)不同開(kāi)口狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均達(dá)到最大值，其中，兩端開(kāi)口時(shí)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)約為0.6。α=0°～180°范圍時(shí)，兩端開(kāi)口、兩側(cè)全封閉時(shí)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值最大，兩端半封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值最小。位于40°<α<180°范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)，不同開(kāi)孔狀態(tài)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化不顯著，兩端開(kāi)口(兩側(cè)全封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率)情況下脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.2附近波動(dòng)，而兩端半封閉(兩側(cè)全封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率)與兩端全封閉(兩側(cè)全封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率)脈動(dòng)值在0.1附近變化。

從圖7(c)可以看出，結(jié)構(gòu)中間位置處(Ln=6)脈動(dòng)值變化較為劇烈，6種不同開(kāi)口狀態(tài)工況下脈動(dòng)值之間略有差異。從脈動(dòng)風(fēng)壓分布的總體趨勢(shì)可以看出，兩端開(kāi)口、兩側(cè)全封閉狀態(tài)脈動(dòng)值最大，兩端半封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率下脈動(dòng)值最小。

3 干擾效應(yīng)的影響

3.1 力系數(shù)分析

以兩端半封閉、兩側(cè)30%開(kāi)孔率的開(kāi)口狀態(tài)為例，研究干擾效應(yīng)對(duì)風(fēng)荷載的影響。圖8給出了施擾結(jié)構(gòu)位于受擾結(jié)構(gòu)上游時(shí)力系數(shù)分布圖。

圖 8 下游結(jié)構(gòu)力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律Fig.8 Variation of force coefficients on the leeward structure with angle of attack

當(dāng)施擾結(jié)構(gòu)位于受擾結(jié)構(gòu)上游時(shí)，由于其遮擋效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)力系數(shù)減小，其中0倍間距下遮擋效應(yīng)最為明顯。隨著干擾距離的增加，遮擋效應(yīng)逐漸減弱，從結(jié)構(gòu)受力角度考慮，30°風(fēng)向角仍為結(jié)構(gòu)受力最不利工況。由圖8(a)可知，由于施擾結(jié)構(gòu)與受擾結(jié)構(gòu)緊鄰，β= 0°～ 70°之間，受擾結(jié)構(gòu)完全位于施擾結(jié)構(gòu)尾流區(qū)，I/D=0時(shí)，Cy值隨風(fēng)向角變化不大，其值約在-0.09 ～ -0.07左右。80° ～ 90° 風(fēng)向角附近，施擾結(jié)構(gòu)的遮擋效應(yīng)減弱，使得無(wú)干擾與多種間距干擾下的Cy值相當(dāng)，遮擋效應(yīng)對(duì)水平推力影響較大。從圖8(b)可知，風(fēng)吸力的大小也受到遮擋效應(yīng)的影響，施擾結(jié)構(gòu)距離受擾結(jié)構(gòu)越近，遮擋效應(yīng)越強(qiáng)，風(fēng)吸力減小，反之遮擋效應(yīng)越弱，風(fēng)吸力增大。由圖8(c)可知，干擾效應(yīng)有利于減小結(jié)構(gòu)的整體平均力，整體平均力的大小受干擾距離影響顯著。

圖9給出了施擾結(jié)構(gòu)位于受擾結(jié)構(gòu)下游時(shí)的力系數(shù)分布圖。從圖9可以看出，當(dāng)施擾結(jié)構(gòu)位于下游時(shí)，仍然會(huì)對(duì)上游結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。從整體力系數(shù)上來(lái)看，在受力最強(qiáng)的30°風(fēng)向角左右，下游施擾結(jié)構(gòu)使得上游受擾結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載減小，這說(shuō)明下游施擾結(jié)構(gòu)可以降低上游受擾結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。雖然在某些風(fēng)向角下(如90°)，下游施擾結(jié)構(gòu)會(huì)增強(qiáng)上游受擾結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，但是從最不利風(fēng)荷載取值上來(lái)看，位于下游的施擾結(jié)構(gòu)對(duì)降低上游的受擾結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載值是有利的。

圖 9 上游結(jié)構(gòu)力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律Fig.9 Variation of force coefficients on the windward structure with angle of attack

3.2 體型系數(shù)分析

當(dāng)施擾結(jié)構(gòu)位于受擾結(jié)構(gòu)下游時(shí)，以30° 風(fēng)向角為例對(duì)受擾結(jié)構(gòu)體型系數(shù)進(jìn)行分析，圖10給出了30° 風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)中間列體型系數(shù)的分布。虛線表示無(wú)干擾煤棚體型系數(shù)值，實(shí)線表示受擾后煤棚體型系數(shù)值。

圖 10 體型系數(shù)分布Fig.10 Pressures coefficients distribution

由圖10可得，由于干擾效應(yīng)的影響，與無(wú)干擾相比體型系數(shù)有所減小。其中：水平推力的減小主要是由于迎風(fēng)向正壓的減小，背風(fēng)向的體型系數(shù)變化不大；豎向力的減小主要體現(xiàn)在頂部負(fù)壓的減弱。各種間距下體型系數(shù)的分布規(guī)律并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，其值也變化不大，因此在實(shí)際應(yīng)用中，間距大小對(duì)體型系數(shù)分布的影響可以忽略。

3.3 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分析

圖11 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.11 Fluctuating wind pressure coefficients distribution

圖11給出了中間列測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布。由圖11可得，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的分布受干擾效應(yīng)的影響，干擾間距為1.3倍跨距可以看作干擾效應(yīng)的分界線。1.3倍跨距之前的干擾對(duì)于結(jié)構(gòu)左跨脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)有放大作用，對(duì)右跨脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)基本沒(méi)有影響；1.3倍跨距之后的干擾使得結(jié)構(gòu)整跨的脈動(dòng)值與無(wú)干擾時(shí)重合，可知1.3倍跨距后干擾對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的分布沒(méi)有影響。

4 抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議

為便于設(shè)計(jì)人員使用，筆者將干煤棚表面劃分為9區(qū)域，如圖12所示，表面9區(qū)域體型系數(shù)取值見(jiàn)表2。表2中給出的體型系數(shù)并非為0° 風(fēng)向角下的取值，而是根據(jù)力系數(shù)判斷的最不利風(fēng)向角下對(duì)應(yīng)的體型系數(shù)值。

圖12 分為9塊的煤棚Fig.12 Divided into nine blocks of coal shed

區(qū)域兩端全封閉兩端半封閉兩端開(kāi)口δ=30%δ=0δ=30%δ=0δ=30%δ=010．60．70．30．50．10．220．30．50．10．3-0．1030．20．400．2-0．104-0．7-0．6-0．7-0．5-0．9-0．95-0．8-0．6-1．0-0．8-1．1-1．16-0．5-0．4-0．6-0．4-0．8-0．77-1．1-1．0-0．6-0．4-0．6-0．78-0．3-0．1-0．4-0．2-0．5-0．59-0．10-0．3-0．1-0．4-0．3

建議煤棚設(shè)計(jì)選用兩端半封閉、兩側(cè)30% 開(kāi)孔率的形式，干擾效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)是有利的，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)干擾效應(yīng)可不予考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

以某三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為背景，研究了開(kāi)口狀態(tài)及干擾效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)整體力系數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在30° 風(fēng)向角附近平均風(fēng)荷載最大，與文獻(xiàn)[3-4]中此類結(jié)構(gòu)30° ～ 45° 為最不利風(fēng)向角結(jié)論一致。對(duì)3種不同開(kāi)口狀態(tài)的力系數(shù)進(jìn)行比較，建議采用兩端半封閉開(kāi)口方式，這種方式不僅可以有效地減小整體風(fēng)荷載，使得風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)表面分布更均勻，而且結(jié)構(gòu)受到的脈動(dòng)風(fēng)壓最小。兩側(cè)全封閉與兩側(cè)30%開(kāi)孔率均可以減小結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載，且減小的幅度相當(dāng)，而兩側(cè)30% 開(kāi)孔率結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)壓脈動(dòng)值更小，且利于煤棚內(nèi)部通風(fēng)，符合環(huán)保要求，應(yīng)優(yōu)先選用。多種不同間距下的干擾試驗(yàn)，無(wú)論是施擾結(jié)構(gòu)位于受擾結(jié)構(gòu)的上游還是下游，都會(huì)減小受擾結(jié)構(gòu)的最大平均風(fēng)荷載。從平均風(fēng)荷載的角度看，干擾主要表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)是有利的，從脈動(dòng)風(fēng)荷載考慮，1.3倍跨距之后不需考慮干擾的影響。

[1] 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 Wenyong, Liu Qingkuan, Xiao Bin. Wind loads distribution on typical vaulted shells [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2011, 33(5): 63-68. (in Chinese)

[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(S2): 166-170,209.

Ma Wenyong, Liu Qingkuan, Xiao Bin, et al. Wind pressure distribution on three centered cylindrical latticed shell [J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(S2): 166-170,209. (in Chinese)

[3] 羅堯治,張浩.弦弓式預(yù)應(yīng)力柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)致效應(yīng)研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2005(2):3-8,26.

Luo Yaozhi, Zhang Hao. Wind tunnel fest and wind-induced response of string-bao prestressed cylindrical latticed shell[J]. Spatial Structures,2005(2):3-8,26. (in Chinese)

[4] 齊月芹, 李皓玉. 大跨度干煤棚網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J]. 空間結(jié)構(gòu), 2010, 16(4): 55-59.

Qi Yueqin，Li Haoyu. Experimental investigation of wind load on large-spandry-coal-shed latticed shell [J].Spatial Structure, 2010, 16(4): 55-59. (in Chinese)

[5] 黃鵬, 顧明, 葉孟洋. 干煤棚柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2011, 41(S1): 1432-1437.

Huang Peng, Gu Ming, Ye Mengyang. Experimental study on wind loads on cylindrical reticulated shells [J]. Building Structure, 2011, 41(S1): 1432-1437. (in Chinese)

[6] 黃鵬, 蘭志昆, 顧明. 干煤棚柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)多參數(shù)風(fēng)荷載試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2015, 45(17): 92-98,62.

Huang Peng, Lan Zhikun, Gu Ming. Experimental study of dry coal shed parameters of wind load on cylindrical reticulated shell structure [J]. Building Structure, 2015, 45(17): 92-98,62. (in Chinese)

[7] 周晅毅, 顧明, 米福生, 等. 干擾條件下煤棚結(jié)構(gòu)風(fēng)致干擾特性研究[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2009, 22(6): 652-658.

Zhou Xuanyi, Gu Ming, Mi Fusheng, et al. Interference effects on wind-induced responses of dry coal sheds [J]. Journal of Vibration Engineering, 2009, 22(6): 652-658. (in Chinese)

[8] 劉慶寬, 盧照亮, 鄭云飛, 等. 大跨球殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布規(guī)律和風(fēng)致干擾效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2016，37(10): 140-146.

Liu Qingkuan, Lu Zhaoliang, Zheng Yunfei, et al. Experimental study on shell structure of the wind pressure distribution and wind-induced interference effect of long-span ball [J]. Journal of Building Structures, 2016, 37(10): 140-146. (in Chinese)

[9] Li Yuanqi, Tamura Y, Yoshida A. Wind loading and its effects on single-layer reticulated cylindrical shells [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2006, 94(12): 949-973.

[10] Cheng C M, Fu 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.

[11] Faghih A K, Bahadori M N. Three dimensional numerical investigation of air flow over domed roofs [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 98(3): 161-168.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.06.006

河北省自然科學(xué)基金青年資助項(xiàng)目(E2013210132)；河北省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(YQ2014039)

2016-11-11；

2017-01-09

TU312+.1； TH126

孫高健，男，1991年9月生，碩士生。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制。曾發(fā)表《太陽(yáng)能光伏極風(fēng)荷載分布模型試驗(yàn)研究》(《振動(dòng)與沖擊》2017年第36卷第7期)等論文。

E-mail:15733171487@163.com