高低雙干煤棚風荷載特性試驗研究

張 淵， 劉小兵， 吳曉龍

(1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京 100043;2.石家莊鐵道大學 風工程研究中心，河北 石家莊 050043;3.河北省風工程和風能利用工程技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

干煤棚在煤料場應用廣泛，因其跨度大、凈空高、結構輕柔，所以對風荷載較為敏感[1]。對于干煤棚的風荷載特性，已有很多學者進行了研究。葉孟洋等[2]通過風洞試驗的方法得到了不同風向角下單個干煤棚的分塊體型系數(shù)以及不同風場下典型測點的體型系數(shù)隨風向角的變化規(guī)律。齊月芹等[3]針對單個干煤棚通過風洞試驗的方法研究了不同測點體型系數(shù)的變化規(guī)律，并給出了設計建議。李玉學等[4]通過風洞試驗的方法研究了不同風向角單個干煤棚的平均、脈動風壓特性、脈動風荷載譜以及測點間脈動風荷載的相關性。對于2個煤棚相互干擾方面，也有一些學者進行了研究，王鑫[5]研究了2個相鄰等高干煤棚的風荷載，發(fā)現(xiàn)干擾結構的遮擋效應能減小試驗結構受到的風荷載作用與結構沿橫軸方向的位移響應。黃鵬等[6]針對2個等高干煤棚的風荷載進行研究，結果表明，150°風向角是有干擾情況下最不利風向。周晅毅等[7]研究了不同風向角時，2個等高干煤棚在外界干擾及不同風場影響下干擾效應的變化規(guī)律。 從以上文獻可以看到，對于干煤棚的研究，目前主要是針對單個干煤棚的風荷載特性進行的。對于2個干煤棚的研究主要集中在2個等高干煤棚風荷載特性相互干擾方面。然而，高低不同雙干煤棚的結構形式在實際工程中時有出現(xiàn)，因兩煤棚高度不同，從而導致風荷載更加復雜。但對于2個高低不同的干煤棚風荷載特性鮮有研究，為了確保結構抗風安全，十分有必要研究高低雙干煤棚的風荷載特性。本文以某實際高低雙干煤棚為研究對象，通過剛性模型測壓風洞試驗的方法研究了不同風向角下風荷載的變化規(guī)律。

1 風洞試驗設計

1.1 工程概況

如圖1所示，某實際工程中2個煤棚采用兩連跨方案，跨度分別為170 m和136 m，縱向長度均為820 m，高度分別為54.078 m和44.060 m，高煤棚采用預應力管桁架結構，低煤棚采用雙層網殼結構，中間連接采用6 m鋼筋混凝土的排架柱結構。高煤棚一側存在一些附屬干擾結構。高煤棚的頂部設有4個通風天窗，低煤棚的頂部設有12個通風天窗。

圖1 雙煤棚的剖面圖和平面圖(單位：mm)

1.2 試驗簡介

本試驗是在石家莊鐵道大學風洞試驗室的低速試驗段進行，低速段長24 m，寬4 m，高3 m，存在轉盤，通過轉動轉盤改變來流的風向角，低速試驗段最大風速約30 m/s。

根據(jù)實際工程所在位置，依據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[8]，采用A類地貌粗糙度類別風場。用尖劈、粗糙元和格柵被動模擬方法模擬了項目所在地的地表粗糙度特性。地面粗糙度模擬裝置照片如圖2所示。圖3為采用圖2地面粗糙度模擬裝置得到的平均風速剖面和順風向湍流度剖面。可以看出，試驗模擬得到的風速剖面與我國《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定的理論風剖面吻合較好。

圖2 地面粗糙度模擬裝置照片

圖3 試驗平均風速剖面和湍流度剖面

模型采用ABS板制作而成，模型縮尺比為1∶250。2個干煤棚共在1 221個位置布置了測壓點，由于模型內外表面均存在風壓，所以在模型內外表面均設置測壓孔，測點總數(shù)共2 442個。干煤棚頂部兩端風壓變化復雜，在頂部兩端測點進行了加密。為簡明了解體型系數(shù)的變化，將模型體型系數(shù)進行分塊，2個干煤棚共分為72塊，每個干煤棚36塊。測點布置及分塊情況如圖4所示。

圖4 測點布置及分塊

模型布置在低速試驗段轉盤的中間位置，0°風向角為來流垂直于干煤棚的縱軸線，0°風向角時，高干煤棚在上游，低干煤棚在下游。模型布置照片如圖5所示。風向角定義如圖6所示。試驗共測試了13個風向角，從0°到180°每15°一個風向角。由于模型基本對稱，以下重點討論和對比0°和180°風向角，以及45°和135°風向角時高低雙煤棚的風荷載特性。

圖5 風洞試驗照片

圖6 模型布置及風向角定義

圖7 0°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖

2 試驗結果與分析

2.1 0°和180°風向角時體型系數(shù)

圖7為0°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚和低干煤棚從整體來看體型系數(shù)沿縱軸方向變化規(guī)律基本一致。

高干煤棚迎風面底部區(qū)域，體型系數(shù)為正值，且隨著高度增加體型系數(shù)的值減小。到達一定高度時，氣流發(fā)生分離形成漩渦，在頂部形成負壓，體型系數(shù)為負值。這與文獻[4]中單個干煤棚迎風面平均風壓系數(shù)的變化規(guī)律相似。由于天窗的存在，體型系數(shù)在靠近天窗迎風部分為較小的正值，靠近天窗背風部分為絕對值較大的負值。高干煤棚背風面體型系數(shù)為負值且隨著高度的降低，體型系數(shù)的絕對值逐漸減小，并且在靠近鋼筋混凝土排架柱附近出現(xiàn)正壓。

低干煤棚由于受到高干煤棚的干擾，迎風面體型系數(shù)僅在垂直高干煤棚兩天窗中間位置出現(xiàn)正值，這可能是由于高干煤棚兩天窗之間產生間隙流，風速增大引起的。低干煤棚天窗迎風面附近體型系數(shù)為正值，天窗背風面附近體型系數(shù)為負值。低干煤棚背風面頂部體型系數(shù)為負值，且隨高度的降低，體型系數(shù)的絕對值減小。背風面底部由于氣流的再附著，體型系數(shù)為正值。

圖8 180°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖

圖8為180°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚和低干煤棚從整體來看體型系數(shù)沿縱軸方向變化規(guī)律基本一致。

低干煤棚迎風面底部區(qū)域體型系數(shù)為正值，隨高度的增加體型系數(shù)逐漸減小，到達一定高度體型系數(shù)為負值。體型系數(shù)在天窗迎風面附近出現(xiàn)正值，天窗背風面附近出現(xiàn)絕對值很大的負值。在背風面體型系數(shù)為負值，且隨高度的降低，體型系數(shù)的絕對值逐漸減小，在靠近混凝土排架柱附近體型系數(shù)為正值。

高煤棚除垂直于低煤棚兩天窗間隙位置和靠近混凝土排架柱附近的區(qū)域外體型系數(shù)均為負值。在干煤棚天窗背風面附近區(qū)域體型系數(shù)絕對值最大，且沿高度降低，體型系數(shù)絕對值逐漸減小。

圖9、圖10為0°風向角和180°風向角時結構分塊體型系數(shù)。分塊體型系數(shù)的定義為

(1)

式中,Ai為測點i對應的面積；A為分塊的總面積；μsi為測點體型系數(shù)。

圖9 0°風向角下結構分塊體型系數(shù)

圖10 180°風向角下結構分塊體型系數(shù)

對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，無論是0°風向角還是180°風向角，高干煤棚和低干煤棚體型系數(shù)極值均出現(xiàn)在頂部天窗背風面附近，且均為負值。最大正壓出現(xiàn)在迎風面。

0°風向角時，高干煤棚處于上游，由于遮擋作用，低干煤棚較180°風向角時最大負體型系數(shù)的絕對值減小，并且在低干煤棚背風面的底部附近出現(xiàn)正體型系數(shù)。180°風向角時，低干煤棚處于上游，高干煤棚迎風面的下部受到遮擋作用，較0°風向角時負體型系數(shù)的絕對值減小，背風面的體型系數(shù)絕對值增加且均為負值。干煤棚處于下游時，無論是高干煤棚還是低干煤棚均會受到上游干煤棚的遮擋，使迎風面下部風荷載降低，這與文獻[5]和[6]類似。但當高干煤棚處于下游時，高干煤棚迎風面上部體型系數(shù)的絕對值較處于上游時略有增加，這與文獻[6]不同。

2.2 45°和135°風向角時體型系數(shù)

圖11 45°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖

圖11為45°風向角時結構凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚北側底部區(qū)域體型系數(shù)為正值，靠近西側角部的體型系數(shù)的值較大，其余等高線呈水平分布，且隨高度的增加體型系數(shù)逐漸減小?？梢钥闯鲈谖鱾壬綁εc干煤棚頂部交接處氣流發(fā)生分離，干煤棚頂部西側區(qū)域出現(xiàn)很大的負壓，體型系數(shù)為負，且沿縱軸線方向，頂部其他區(qū)域體型系數(shù)變化不大。由于受到頂部天窗的影響，天窗北側區(qū)域體型系數(shù)的絕對值減小，天窗南側區(qū)域體型系數(shù)的絕對值增大。高干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱區(qū)域的體型系數(shù)為正值，在氣流分離點附近體型系數(shù)為負值，后由西向東出現(xiàn)一個較大的正值區(qū)域，之后體型系數(shù)為較小的正值。

低干煤棚由于受到高干煤棚天窗部分的影響，西北側區(qū)域出現(xiàn)部分很大的正體型系數(shù)，但東北側區(qū)域影響不明顯。低干煤棚南側區(qū)域，靠近西側山墻部分發(fā)生氣流的分離，體型系數(shù)為絕對值較大的負值，由西向東體型系數(shù)的絕對值逐漸減小，后體型系數(shù)出現(xiàn)正值。低干煤棚天窗位置處體型系數(shù)絕對值出現(xiàn)增大的情況，且由西向東天窗的干擾影響逐漸不明顯。

圖12 135°風向角下結構凈壓體型系數(shù)云圖

圖12為135°風向角時結構凈壓體型系數(shù)云圖。低干煤棚南側底部區(qū)域為迎風面，體型系數(shù)為正值，且西南角體型系數(shù)最大，沿縱軸方向體型系數(shù)逐漸減小。南側底部區(qū)域隨著高度的增加體型系數(shù)逐漸減小，到達一定高度時，氣流發(fā)生分離，體型系數(shù)為負值。低干煤棚氣流在西側山墻與干煤棚頂部交接處發(fā)生分離，頂部西側體型系數(shù)為絕對值較大的負值，其余區(qū)域體型系數(shù)絕對值較小。低干煤棚天窗西南側出現(xiàn)體型系數(shù)較小的正值，天窗東北側負體型系數(shù)的絕對值明顯增大?？拷摻罨炷僚偶苤浇鱾鹊撞繀^(qū)域，由西向東先出現(xiàn)負的體型系數(shù)，后出現(xiàn)正的體型系數(shù)。

高干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱附近西側的體型系數(shù)由西向東先出現(xiàn)負的體型系數(shù)，后出現(xiàn)正的體型系數(shù)，這與低干煤棚的變化規(guī)律相似。高干煤棚頂部西側區(qū)域氣流發(fā)生分離，體型系數(shù)為絕對值較大的負值，其余區(qū)域體型系數(shù)的絕對值較小。由于受到低干煤棚的影響，高干煤棚天窗南側區(qū)域負體型系數(shù)的絕對值雖稍有降低但仍為負值，天窗北側區(qū)域為絕對值較大的負體型系數(shù)。高干煤棚北側底部區(qū)域體型系數(shù)均為負值，且由西向東體型系數(shù)的絕對值逐漸減小。

圖13和圖14分別為45°和135°風向角時結構分塊體型系數(shù)。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，無論是45°還是135°風向角，高干煤棚和低干煤棚負體型系數(shù)的最大值均出現(xiàn)在頂部西側。高干煤棚和低干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱的區(qū)域，體型系數(shù)均在兩端為負值中間位置為正值。

圖13 45°風向角下結構分塊體型系數(shù)

圖14 135°風向角下結構分塊體型系數(shù)

45°風向角時，高干煤棚處于上游，低干煤棚由于受到高干煤棚的影響，體型系數(shù)的絕對值較135°風向角時減小。135°風向角時，低干煤棚處于上游，高干煤棚最大負體型系數(shù)的絕對值較45°風向角時增大，且高干煤棚天窗附近的體型系數(shù)絕對值也增大。

3 結論

(1)無論來流風與干煤棚跨度方向平行還是45°斜交，高干煤棚處于上游時頂部風吸力均比處于下游時頂部風吸力小。低干煤棚處于上游時頂部風吸力均比處于下游時頂部風吸力大。

(2)當來流風與干煤棚跨度方向平行時，無論是高干煤棚還是低干煤棚，頂部風吸力沿縱軸線方向基本不變。當來流風與干煤棚跨度方向45°斜交時，高干煤棚無論處于上游還是下游，頂部風吸力除端部外沿縱軸線方向變化均不明顯；低干煤棚處于上游時，頂部風吸力除端部外沿縱軸線方向變化不明顯，但低干煤棚處于下游時，頂部風吸力沿縱軸線方向由西向東逐漸減小。