上海浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳鋼屋面風(fēng)壓分布研究

周亞萍

（上海機(jī)場建設(shè)指揮部，上海201207）

1 引言

上海浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳是一座超大型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，平面東西長約933m，南北寬約960m，由2座相連的衛(wèi)星廳“S1”和“S2”組成，形成“工”字型的整體構(gòu)型。衛(wèi)星廳總建筑面積6.22×105m2，可以提供83座登機(jī)橋125個(gè)近機(jī)位，是全世界單體規(guī)模最大的衛(wèi)星廳。

上海位于臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，僅2018年，就有“安比”“云雀”和“溫比亞”3個(gè)臺(tái)風(fēng)先后正面登陸上海。而浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳位于上海東部，周邊地勢開闊，東部面朝海面，受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重。而該結(jié)構(gòu)高度較低（頂部標(biāo)高39m），處于剪切風(fēng)速較大且湍流度高的大氣邊界層底層，因此，風(fēng)荷載為其主要控制荷載之一。而浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳為大型異型結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)行規(guī)范中無法得到可供設(shè)計(jì)使用的壓力系數(shù)，目前，國內(nèi)外大多采用剛性模型測壓試驗(yàn)獲取相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[1～3]。

本文通過對(duì)浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳結(jié)構(gòu)開展剛性模型測壓試驗(yàn)，獲取了平均、脈動(dòng)和極值風(fēng)壓系數(shù)，以及規(guī)范規(guī)定的體型系數(shù)。S1和S2衛(wèi)星廳最上層屋蓋均為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，而鋼結(jié)構(gòu)屋面自重較輕，柔性大，阻尼小，結(jié)構(gòu)更易發(fā)生大幅風(fēng)致破壞。限于篇幅，本文側(cè)重分析衛(wèi)星廳鋼結(jié)構(gòu)屋面的風(fēng)壓分布特性。通過分析給出了全風(fēng)向角下最不利風(fēng)壓發(fā)生的區(qū)域，并結(jié)合上海地區(qū)歷年風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料，給出鋼屋面最可能發(fā)生風(fēng)致破壞的區(qū)域，對(duì)工程設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)的后期檢修具有一定參考意義。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞中開展，該風(fēng)洞為豎向回流式低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段長14m，橫截面尺寸為2m×15m（高×寬），試驗(yàn)風(fēng)速范圍為 0.2～17.6m/s，連續(xù)可調(diào)，流場性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場的速度不均勻性小于2%，湍流度小于2%，平均氣流偏角小于0.2°。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)向角定義

浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳剛性測壓模型采用有機(jī)玻璃板和ABS板制成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在試驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生變形，并且不出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，以保證壓力測量的精度?？紤]實(shí)際建筑物和周邊建筑情況，選擇模型的幾何縮尺比為1∶250，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)保持幾何相似。試驗(yàn)時(shí)，將測試模型放置在轉(zhuǎn)盤中心，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向，圖1為安裝在風(fēng)洞內(nèi)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

定義風(fēng)從西北偏北方向吹向模型時(shí)為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角按順時(shí)針方向增加。試驗(yàn)風(fēng)向角間隔取為15°，共24個(gè)試驗(yàn)工況，方位及風(fēng)向角定義如圖2所示。

在剛體模型上布置了1495個(gè)測點(diǎn)，分塊編號(hào)為1～24，其中，S1、S2鋼屋面挑檐上均為雙面測點(diǎn)，其最后結(jié)果為外、內(nèi)雙面壓力的凈風(fēng)壓。圖3給出了S1、S2鋼屋面測點(diǎn)布置圖。

圖1 放置在風(fēng)洞中的剛性試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 鋼屋蓋位置示意 圖及風(fēng)向角定義

圖3 鋼屋面測點(diǎn)布置圖

2.2 邊界層風(fēng)場模擬

根據(jù)浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳項(xiàng)目數(shù)公里范圍內(nèi)的建筑環(huán)境，確定本試驗(yàn)的大氣邊界層流場模擬為A類地貌風(fēng)場（A類風(fēng)場定義見我國GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]）。試驗(yàn)中采用被動(dòng)風(fēng)場模擬技術(shù)，利用尖塔和粗糙元等產(chǎn)生湍流，模擬得到了A類風(fēng)場。大氣邊界層模擬風(fēng)場風(fēng)速采用丹麥DANTEC公司的streamline熱線/熱膜風(fēng)速儀測量。圖4給出了平均風(fēng)速和順風(fēng)向湍流剖面。由圖可知，模擬邊界層流場風(fēng)剖面與A類規(guī)范風(fēng)場（風(fēng)剖面指數(shù)，α=0.12）吻合得非常好；湍流剖面整體與規(guī)范值吻合較好，150m以下湍流強(qiáng)度略高于規(guī)范值。圖5給出了模擬邊界層風(fēng)場中模型頂部高度處脈動(dòng)風(fēng)速譜，并與常用的經(jīng)驗(yàn)譜進(jìn)行了比較，包括Davenport譜、Karman譜和Kaimal譜。由圖5可知，高頻部分譜值與Davenport譜吻合較好。低頻部分譜能量低于3種經(jīng)驗(yàn)譜，這主要是受風(fēng)洞尺寸和現(xiàn)有湍流模擬技術(shù)的限制，導(dǎo)致大尺度湍流不足。目前，在不增大模型縮尺比的情況下，還沒有比較好的辦法解決。但是，一般認(rèn)為在湍流積分尺度不小于實(shí)際湍流積分尺度1/2的情況下，對(duì)局部風(fēng)壓影響較小。

圖4 風(fēng)剖面和湍流剖面

圖5 建筑頂部高度處脈動(dòng) 風(fēng)功率譜

2.3 參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理

風(fēng)洞測壓試驗(yàn)的參考點(diǎn)風(fēng)速為12.0m/s，對(duì)應(yīng)50年重現(xiàn)期基本風(fēng)速的風(fēng)速比為1∶1.42。壓力測量和數(shù)據(jù)采集使用美國Scanivalue掃描閥公司的DSM3400電子式壓力掃描閥系統(tǒng)。測壓信號(hào)采樣頻率為312.5Hz，每個(gè)測壓孔采樣樣本總長度為6000個(gè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)長約為19.2s，根據(jù)相似比，對(duì)應(yīng)于實(shí)際采樣時(shí)間約為1145s（50年重現(xiàn)期）。為消除風(fēng)壓信號(hào)經(jīng)過測壓系統(tǒng)后的畸變影響，利用測壓管路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對(duì)試驗(yàn)采集的風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。

本文中的風(fēng)壓系數(shù)以梯度風(fēng)高度處的動(dòng)壓為參考，由式（1）計(jì)算得到：

式中，Cpi為i測點(diǎn)處參考梯度風(fēng)高度處動(dòng)壓的風(fēng)壓系數(shù)；Pi為作用在測點(diǎn)i處的壓力；P0和P∞為試驗(yàn)時(shí)參考高度處的總壓和靜壓，由放置在參考高度處的皮托管測得；S為將風(fēng)洞測得的風(fēng)壓系數(shù)換算得到以梯度風(fēng)高度處動(dòng)壓為參考風(fēng)壓的換算因子，對(duì)于 A 類風(fēng)場S=（1×100/300）0.24=0.7682。

根據(jù)測得的各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程可得到統(tǒng)計(jì)量平均風(fēng)壓系數(shù)（Cpmean）和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)（Cprms）。通過平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)可計(jì)算得到用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的極值風(fēng)壓系數(shù)（極大值風(fēng)壓系數(shù)和極小值風(fēng)壓系數(shù)）：

式中，g為峰值因子，一般取2.5～4，本文取g=3.5。

GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》定義的體型系數(shù)μsi可由各測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)轉(zhuǎn)換得到：

式中，Cpmean，i為測點(diǎn)處平均風(fēng)壓系數(shù)；zG為A類風(fēng)場梯度風(fēng)高度；z為測點(diǎn)i處高度；α為風(fēng)剖面指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)壓分布

圖6～圖8給出了全風(fēng)向下體型系數(shù)、平均風(fēng)壓系數(shù)和極小風(fēng)壓系數(shù)最小值。由圖可知：

1）由于衛(wèi)星廳為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在不考慮周邊建筑影響的情況下，S1和S2鋼屋面全風(fēng)向下風(fēng)壓系數(shù)最小值大致呈對(duì)稱分布，與預(yù)想的結(jié)果一致，一定程度上說明了測量結(jié)果的可靠性；

2）S1、S2鋼屋蓋上表面風(fēng)壓及挑檐處的凈風(fēng)壓主要呈現(xiàn)為負(fù)壓（即升力）；鋼屋蓋上各測點(diǎn)體型系數(shù)全風(fēng)向下最小值在-1.8～-0.2，平均風(fēng)壓系數(shù)全風(fēng)向下最小值在-1.0～-0.2，極小值風(fēng)壓系數(shù)全風(fēng)向下最小值在-1.8～-0.2；

3）雖然S1和S2鋼屋面標(biāo)高不同（S1鋼屋面頂部標(biāo)高39m，S2鋼屋面頂部標(biāo)高34m），但平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)沒有明顯不同，表明對(duì)該建筑而言，S1和S2鋼屋面的結(jié)構(gòu)高度不同對(duì)屋面風(fēng)壓結(jié)果沒有顯著影響；

4）最不利風(fēng)壓出現(xiàn)在鋼屋蓋挑檐區(qū)域，體型系數(shù)大部分在-1.8～-1.2，且等壓線分布密集，表明風(fēng)壓變化梯度較大。這一方面是由于，當(dāng)挑檐迎風(fēng)時(shí)，鋼屋面挑檐上表面迎風(fēng)前緣氣流分離距離，會(huì)在上表面產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓；另一方面，當(dāng)挑檐迎風(fēng)時(shí)，挑檐下表面為正壓（升力），會(huì)與上表面吸力疊加。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后期檢修時(shí)需特別注意挑檐區(qū)域；

5）鋼屋面中部區(qū)域風(fēng)壓同樣受負(fù)壓控制，但風(fēng)壓相對(duì)較小，體型系數(shù)為-1.0～-0.2。另外，屋面中部區(qū)域風(fēng)壓梯度變化不大。這主要是由于鋼屋面坡度較小且走勢平緩。

圖6 全風(fēng)向下最小體型系數(shù)

圖7 全風(fēng)向下最小平均風(fēng)壓系數(shù)

3.2 體型系數(shù)隨風(fēng)向變化規(guī)律

圖9給出了S1鋼屋面挑檐邊緣區(qū)域典型測點(diǎn)19-1～19-18的體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。由圖可知，體型系數(shù)隨風(fēng)向的變化而變化。在所有風(fēng)向下，圖中所給測點(diǎn)體型系數(shù)幾乎全部呈現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)風(fēng)向角在90°～180°（東南風(fēng)）之間時(shí)，體型系數(shù)絕對(duì)值最大。圖9同時(shí)給出了上海市歷年風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖，圖中實(shí)線為風(fēng)向概率，虛線為風(fēng)速大小。由圖可知，東南風(fēng)為流行風(fēng)向，且該風(fēng)向風(fēng)速一般較大。而這恰好與S1鋼屋面下翼緣測點(diǎn)19-1～19-18的最不利風(fēng)向角一致?？梢?，S1鋼屋面下翼緣挑檐區(qū)域?yàn)樽钜装l(fā)生風(fēng)致破壞的地方，檢修時(shí)需特別關(guān)注。

圖8 全風(fēng)向下最小極值風(fēng)壓系數(shù)

圖9 典型測點(diǎn)體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律

4 結(jié)語

本文基于浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳1∶250剛性模型測壓試驗(yàn)，討論了S1、S2鋼結(jié)構(gòu)屋面體型系數(shù)、平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最不利風(fēng)壓出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)屋面挑檐區(qū)域，需引起設(shè)計(jì)人員的注意。另外，本文還討論了挑檐區(qū)域典型測點(diǎn)體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。結(jié)合上海歷年風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖，發(fā)現(xiàn)S1鋼屋面下翼緣南面挑檐區(qū)域?yàn)樽钜装l(fā)生風(fēng)致破壞的區(qū)域，檢修時(shí)需特別注意。