并列雙煤棚風(fēng)荷載干擾效應(yīng)試驗(yàn)研究

陳 娟， 馬密雪， 崔會(huì)敏， 韓智銘,2,3， 劉慶寬,2,3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3. 河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043；4. 石家莊鐵道大學(xué) 數(shù)理系，河北 石家莊 050043)

干煤棚是火電廠中存儲(chǔ)煤的一種大型庫房。干煤棚結(jié)構(gòu)要求跨度大、凈空高，滿足存儲(chǔ)和作業(yè)空間，對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，其形態(tài)結(jié)構(gòu)有很多種，比如圓形煤棚、三心圓柱面煤棚、氣膜煤棚等。沙蔚博等[1]通過對(duì)比分析有、無考慮周邊球殼屋蓋，從結(jié)構(gòu)基底力和風(fēng)荷載體型系數(shù)分布規(guī)律等方面研究群體球殼屋蓋間的干擾效應(yīng)，研究結(jié)果表明，周邊球殼屋蓋的存在可顯著減弱結(jié)構(gòu)的基底豎向力，而在部分風(fēng)向角下增加了結(jié)構(gòu)的基底水平力。張淵等[2]通過剛性測壓風(fēng)洞試驗(yàn)研究了高低不同的兩干煤棚在不同風(fēng)向角下相互干擾的風(fēng)荷載特性變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高干煤棚處于上游時(shí)頂部風(fēng)吸力較處于下游時(shí)降低，低干煤棚處于上游時(shí)頂部風(fēng)吸力較處于下游時(shí)增大。王鑫[3]以某兩端半敞口干煤棚工程為背景，對(duì)干煤棚結(jié)構(gòu)表面的平均風(fēng)壓分布與沿橫軸方向的位移響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。黃鵬等[4]針對(duì)固定間距的煤棚干擾進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，由于遮擋效應(yīng)，單邊干擾和雙邊干擾均能有效減小受擾結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓系數(shù)。周晅毅等[5]考慮了2種干擾條件，鄰近煤棚及內(nèi)部煤堆，加上風(fēng)場共3種因素的影響，對(duì)干煤棚結(jié)構(gòu)的風(fēng)致干擾效應(yīng)進(jìn)行了較全面的分析。張金龍等[6]研究了不同干擾條件下結(jié)構(gòu)力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相鄰煤棚間干擾效應(yīng)主要表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)和狹管效應(yīng)，其遮擋效應(yīng)在40°風(fēng)向角下最為顯著。

由上述文獻(xiàn)可知，對(duì)于雙煤棚間干擾效應(yīng)的研究主要集中在施擾形式，包括單邊施擾和雙邊施擾，但所研究干擾與目標(biāo)煤棚間距因素單一，實(shí)際工程中常出現(xiàn)2個(gè)煤棚并排擺放，間距受場地等因素影響多變，因此對(duì)煤棚間干擾風(fēng)荷載的研究很有必要?，F(xiàn)以并列雙煤棚為研究對(duì)象，研究不同間距下結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載體型系數(shù)分布規(guī)律。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)概況及工況設(shè)計(jì)

風(fēng)洞試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心STU-1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室低速試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行，該試驗(yàn)段寬4.38 m，高3.0 m，長24.0 m，速度不穩(wěn)定性不大于0.6%，速度場不均勻性不大于0.4%，湍流度不大于0.4%，通過轉(zhuǎn)盤改變來流風(fēng)向角，模型布置在低速試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤中間位置。為了模擬實(shí)際工程所在位置的風(fēng)環(huán)境，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M風(fēng)場為文獻(xiàn)[7]中的B類地貌風(fēng)場。研究的煤棚縮尺比為1∶200，實(shí)際跨度為102 m，縱向長度為195 m，高度為39 m，煤棚密閉，因此只在外面布置測點(diǎn)，數(shù)目共計(jì)483個(gè)。模型采用ABS板制作，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1，右側(cè)煤棚為目標(biāo)研究煤棚，左側(cè)為干擾煤棚。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

為了研究并列雙煤棚間距對(duì)煤棚結(jié)構(gòu)外表面風(fēng)壓分布的干擾效應(yīng)，定義參數(shù)間距比L，L為兩煤棚的間距與煤棚跨度D的比值。采用剛性模型測壓試驗(yàn)，共設(shè)置3個(gè)間距比工況(L=0.125、0.250、0.500)和1個(gè)對(duì)照工況(單煤棚工況)，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，以10°為間隔，共測試了90°風(fēng)向角范圍內(nèi)的10個(gè)風(fēng)向角工況，試驗(yàn)風(fēng)向角示意圖見圖2。

圖2 風(fēng)向角示意圖

1.2 參數(shù)定義

物體表面的壓力利用無量綱壓力系數(shù)來表示

(1)

式中,Cp,i為測點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)；pi為測點(diǎn)i的壓力值；p0、p∞分別為參考點(diǎn)處的總壓、靜壓；ρ為空氣密度；Ur為參考點(diǎn)的風(fēng)速。結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面風(fēng)壓符號(hào)的約定為壓力作用向測量表面為正，而背離測量表面(吸力)為負(fù)[8]。

體型系數(shù)μs,i與風(fēng)壓系數(shù)的換算關(guān)系

(2)

式中,z為參考點(diǎn)高度，取10 m；h為測點(diǎn)高度；α為風(fēng)場的粗糙度指數(shù)，取0.16。風(fēng)荷載體型系數(shù)正負(fù)號(hào)定義與表面風(fēng)壓相同。

2 風(fēng)荷載體型系數(shù)及干擾分析

2.1 間距比對(duì)體型系數(shù)分布影響分析

圖3為不同間距下0°及90°風(fēng)向角的體型系數(shù)云圖。0°風(fēng)向角下，無干擾煤棚時(shí)，迎風(fēng)端體型系數(shù)偏大，其體型系數(shù)最大值為0.92，氣流沿著屋脊上升發(fā)生漩渦脫落，在煤棚迎風(fēng)端頂部風(fēng)荷載體型系數(shù)為負(fù)值，煤棚迎風(fēng)前緣角部受到屋脊導(dǎo)流的影響，體型系數(shù)也為負(fù)值，受到風(fēng)吸力。煤棚兩側(cè)體型系數(shù)接近于0，隨著高度的增加，體型系數(shù)的絕對(duì)值稍大一些，最大為0.15。通過有無干擾煤棚的對(duì)比可知，并列煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚的影響主要在鄰近干擾煤棚一側(cè)。當(dāng)干擾煤棚并列于目標(biāo)煤棚左側(cè)時(shí)，目標(biāo)煤棚左側(cè)體型系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)值，且隨著煤棚間距的增大，受影響的范圍減小，體型系數(shù)的絕對(duì)值也減小。這是因?yàn)闅饬髟跊]碰見的通道中受狹管效應(yīng)的影響，產(chǎn)生較大風(fēng)速，狹管兩側(cè)都受到風(fēng)吸力。

圖3 不同間距下0°及90°風(fēng)向角的體型系數(shù)云圖

90°風(fēng)向角單煤棚工況下體型系數(shù)沿來流方向?qū)ΨQ分布，迎風(fēng)側(cè)受到較大風(fēng)壓力，體型系數(shù)等值線大致平行，體型系數(shù)最大值為0.91，煤棚頂部受較大風(fēng)吸力，體型系數(shù)為負(fù)值，其絕對(duì)值最大為1.24。當(dāng)干擾煤棚與目標(biāo)煤棚并列放置時(shí)，目標(biāo)煤棚位于干擾煤棚下游，此時(shí)目標(biāo)煤棚臨近干擾煤棚一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)壓，體型系數(shù)為負(fù)，且隨著煤棚的間距增大，干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚的遮擋效應(yīng)減小。當(dāng)目標(biāo)煤棚上游有相同體型煤棚遮擋時(shí)，屋面頂部的負(fù)壓明顯減小，無干擾煤棚時(shí)頂部負(fù)體型系數(shù)最大為-1.21，L=0.125時(shí)頂部負(fù)體型系數(shù)為-0.63，減小了47.9%。迎風(fēng)側(cè)角部由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，且一直延伸到屋面頂部，說明氣流在迎風(fēng)面發(fā)生分離，在角部處再附，產(chǎn)生的最大正體型系數(shù)為0.42。

2.2 風(fēng)荷載干擾效應(yīng)分析

模型表面布置了大量的測點(diǎn)，為了便于分析，以文獻(xiàn)[7]中對(duì)封閉式拱形屋面分區(qū)的要求為依據(jù)，將煤棚表面劃分為49個(gè)區(qū)域用于分析其所受風(fēng)荷載的情況，雙煤棚并列放置時(shí)受影響區(qū)域較為明確，因此只對(duì)這些區(qū)域的干擾因子進(jìn)行研究，區(qū)域劃分如圖4。結(jié)合煤棚結(jié)構(gòu)及氣流對(duì)煤棚表面風(fēng)壓系數(shù)的影響，選取圖2中A309和A240 2個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)A309和測點(diǎn)A240分別位于煤棚頂面縱軸線和角部前緣縱軸線上，隨著風(fēng)向角有較為明顯的變化。因此繪制L=0.125時(shí)2個(gè)測點(diǎn)的體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化的折線圖如圖5，發(fā)現(xiàn)30°及60°風(fēng)向角能夠反映煤棚體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化的規(guī)律，選取0°、30°、60°、90°這4個(gè)典型風(fēng)向角下的分區(qū)體型系數(shù)及干擾因子進(jìn)行分析。

圖4 煤棚表面分區(qū)

圖5 L=0.125時(shí)測點(diǎn)隨風(fēng)向角的變化

分區(qū)體型系數(shù)

(3)

式中,μs,i為測點(diǎn)i的體型系數(shù)；μz,i為測點(diǎn)i的高度變化系數(shù)；Ai為測點(diǎn)i代表的面積；μz,b為分區(qū)中心位置處的高度變化系數(shù)；A為分區(qū)的面積。

為了更好地量化干擾效應(yīng)，可將干擾因子K作為干擾效應(yīng)的衡量指標(biāo)

(4)

圖6為0°風(fēng)向角下各間距比的煤棚分區(qū)體型系數(shù)，無干擾煤棚時(shí)，A～E區(qū)的體型系數(shù)接近0，而有了干擾煤棚之后，分區(qū)的負(fù)壓都有不同程度增大，A、B和C區(qū)的體型系數(shù)并沒有太大區(qū)別，間距對(duì)煤棚體型系數(shù)的影響主要集中在煤棚中心區(qū)域(D、E區(qū))及迎風(fēng)區(qū)域(F、G區(qū))，在迎風(fēng)區(qū)域產(chǎn)生較大的負(fù)壓，氣流在兩煤棚間形成的狹長通道內(nèi)產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”。煤棚的不利風(fēng)壓區(qū)域?yàn)镋、F、G區(qū)。圖7為0°風(fēng)向角下煤棚的最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系情況，G區(qū)的干擾因子隨著間距比的增大，干擾因子逐漸增大，說明此區(qū)域受干擾煤棚影響隨著間距的增大而減小，間距比L=0.500時(shí)K小于1.15，所以此區(qū)域受干擾煤棚影響較弱。

圖6 0°風(fēng)向角下煤棚分區(qū)體型系數(shù)

圖7 0°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系

圖8為30°風(fēng)向角下不同煤棚間距各區(qū)的體型系數(shù)，可以看出在煤棚中間區(qū)域(E、F區(qū))體型系數(shù)在干擾煤棚的影響下有正負(fù)的改變，此時(shí)受到干擾煤棚的遮擋效應(yīng)，使得本來位于迎風(fēng)面的區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓。在F區(qū)間距對(duì)分區(qū)體型系數(shù)的影響較為明顯，隨著間距的增大，遮擋效應(yīng)逐漸減小，間距比L=0.500時(shí)，F(xiàn)區(qū)受到正壓，但仍小于單煤棚，說明此時(shí)的遮擋效應(yīng)仍然存在。圖9為30°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子隨間距比變化情況，其中E、F、G 3個(gè)區(qū)的K值都小于1，說明干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚的分區(qū)體型系數(shù)都是起減小的作用且受到較強(qiáng)影響。B區(qū)域所受干擾最為強(qiáng)烈。

圖8 30°風(fēng)向角下煤棚分區(qū)體型系數(shù)

圖9 30°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系

圖10為60°風(fēng)向角下煤棚分區(qū)體型系數(shù)，單煤棚工況下除A區(qū)外全部呈現(xiàn)正壓，且整體呈現(xiàn)增大趨勢，在F區(qū)受到較大正壓，為0.8，干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚所受正負(fù)壓有較大影響。圖11為60°風(fēng)向角下煤棚的最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系情況，E、F、G區(qū)的干擾因子K為0.5～1，其中F區(qū)的干擾因子在0左右浮動(dòng)，即該區(qū)處于強(qiáng)影響區(qū)域，干擾煤棚對(duì)該區(qū)域的體型系數(shù)有較強(qiáng)的減小作用。E、G區(qū)的K值隨著煤棚間距的增大也逐漸增大，說明煤棚間距越大，E、G兩區(qū)所受到的干擾效應(yīng)越弱。間距比L=0.125時(shí)，B、F區(qū)域處最不利干擾因子為負(fù)，目標(biāo)煤棚受到干擾，此處的壓力由正壓變?yōu)樨?fù)壓。

圖10 60°風(fēng)向角下煤棚分區(qū)體型系數(shù)

圖11 60°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系

由圖12可知，90°風(fēng)向角時(shí)干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚的影響最明顯。中間區(qū)域(C、D、E區(qū))的體型系數(shù)在干擾煤棚的影響下由正壓變?yōu)樨?fù)壓，這是因?yàn)楦蓴_煤棚的遮擋，使氣流沿著煤棚表面在煤棚間形成的“峽谷”中形成卷吸，產(chǎn)生負(fù)壓，而邊角區(qū)域(A、G區(qū))在干擾煤棚的影響下由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，這是因?yàn)闅饬髟诟蓴_煤棚角部分離，往后在目標(biāo)煤棚角部再附，但經(jīng)過干擾煤棚的阻塞，形成正壓值較小。圖13為90°風(fēng)向角下煤棚的最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系情況，干擾因子K值均小于1，說明干擾使目標(biāo)煤棚的體型系數(shù)較單煤棚都有一定程度減小，E區(qū)受干擾程度幾乎不隨間距變化，B區(qū)受干擾程度隨間距的增大明顯增大，說明此區(qū)域?qū)Ω蓴_煤棚的遮擋效應(yīng)反應(yīng)最為敏感。

圖12 90°風(fēng)向角下煤棚分區(qū)體型系數(shù)

圖13 90°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子與間距比的關(guān)系

2.3 抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議

為了明確煤棚表面各處受干擾效應(yīng)的程度，可以對(duì)比試驗(yàn)得到的體型系數(shù)μs′與規(guī)范中規(guī)定的體型系數(shù)μs，提出適用于并列雙煤棚的抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議。將90°風(fēng)向角下單煤棚、L=0.125的并列煤棚及規(guī)范參考三者的分區(qū)體型系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示。可以看出，單煤棚下迎風(fēng)側(cè)靠近地面的區(qū)域體型系數(shù)最大為0.8，比規(guī)范體型系數(shù)大33.33%，且在角部產(chǎn)生較大負(fù)體型系數(shù)。頂部區(qū)域的體型系數(shù)均為-1.1，比規(guī)范體型系數(shù)大了50%，說明頂部受到較大風(fēng)吸力，這對(duì)大跨度煤棚結(jié)構(gòu)是較為不利的，在實(shí)際設(shè)計(jì)中此處區(qū)域的防風(fēng)措施需要加強(qiáng)。當(dāng)并列雙煤棚間距比L=0.125時(shí)，煤棚的整體分區(qū)體型系數(shù)明顯減小，均小于規(guī)范規(guī)定體型系數(shù)，說明在90°風(fēng)向角下干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚產(chǎn)生有利干擾。

圖14 煤棚分區(qū)體型系數(shù)

3 結(jié)論

(1)煤棚并列放置時(shí)，隨著間距比的增大，目標(biāo)煤棚受到干擾煤棚的影響逐漸減小，間距比L=0.125時(shí)，0°風(fēng)向角時(shí)體型系數(shù)受狹管效應(yīng)最大放大了2.6倍，產(chǎn)生的最大負(fù)體型系數(shù)為-0.52；90°風(fēng)向角時(shí)煤棚頂部體型系數(shù)受遮擋效應(yīng)減小47.9%。

(2)煤棚并列放置時(shí)，0°為最不利風(fēng)向角，E區(qū)域干擾因子K值最大為4.07，隨著間距的增大干擾因子減??；30°風(fēng)向角下干擾煤棚對(duì)目標(biāo)煤棚E、F、G區(qū)的體型系數(shù)都是起減小的作用；90°風(fēng)向角下煤棚最不利分區(qū)干擾因子K值均小于1，說明干擾煤棚使目標(biāo)煤棚的體型系數(shù)較單煤棚都有一定程度減小。

(3)氣膜單煤棚頂部受到較大風(fēng)吸力，規(guī)范當(dāng)中所給相應(yīng)區(qū)域體型系數(shù)值偏小，煤棚并列放置且間距比L=0.125時(shí)，目標(biāo)煤棚的體型系數(shù)均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。