大跨疊合曲面屋蓋風荷載分布特性研究

鐘建海 陳水福 羅飛文

（1.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，杭州 310050；2.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

杭州亞運輪滑館位于杭州經濟技術開發(fā)區(qū)22 號大街以南、杭州繞城公路以西，是2022 年亞運會輪滑類項目競賽的主要場館。該館占地近28 470 m2，主體長246 m，寬87 m，高29 m；整個屋面由東側和西側的飛旋環(huán)繞屋面以及中部的鞍形屋面三個部分組成，突出“盤旋環(huán)繞”動態(tài)、自由、流暢的特點。輪滑館效果圖如圖1 所示，其多個曲面的疊合組成方式參見圖2。

圖1 輪滑館效果圖Fig.1 Roller skating stadium rendering

圖2 屋蓋疊合曲面組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of superimposing curved roof components

已有研究表明，來流風越過大跨屋蓋表面時將形成柱狀渦、錐形渦等分離渦流，以及可能的再附流、回流等復雜流動［1-2］，其表面風壓與屋面形狀、坡度、跨度、高寬比等因素直接相關［3-6］。本文研究的輪滑館屋蓋跨度大，形狀復雜，且由多個曲面疊合而成［7］，預計在來流風作用下將產生復雜的分離和再附等流動現(xiàn)象，導致其表面風壓復雜多變，從現(xiàn)行規(guī)范［8-9］無法找到相關數(shù)據(jù)作為參考。

本文采用同步測壓風洞試驗方法，通過對測得的屋蓋表面風壓數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，探討此類疊合屋蓋的風荷載分布特點；通過對不利風向和不利區(qū)域平均和脈動風壓的分析探討，為屋蓋主體和圍護結構的抗風設計提供依據(jù)和借鑒。

1 風洞試驗與數(shù)據(jù)處理

1.1 風洞模型試驗

本次試驗為表面多點同步測壓風洞模型試驗，模型縮尺比1∶250，如圖3 所示。預估風壓的分布情況，對屋蓋表面進行了分區(qū)，共設11 個分區(qū)，如圖4 所示；在各分區(qū)中共布置了479 個風壓測點。試驗按B 類地貌模擬風場，在0～360°范圍內每隔15°一個風向角，共進行了24 個風向角的風壓測試。

圖3 風洞中的試驗模型Fig.3 Test model in wind tunnel

圖4 屋蓋風壓測試分區(qū)圖Fig.4 Sub-region division diagram for the roof wind pressure measurement

1.2 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)按風壓系數(shù)的形式給出［10］：

式中：Pi是第i測點的風壓值；P∞和V∞是參考點未受干擾的靜壓和風速值；ρ為空氣密度。

根據(jù)相似原理，可將模型上各測點的風壓系數(shù)應用于建筑實物；再考慮輪滑館所處區(qū)域的地面粗糙度為B類，基本風壓w0=0.45 kPa，通過對測得的風壓系數(shù)時程進行統(tǒng)計分析，可得到風壓系數(shù)的平均值和均方根值，進一步可獲得平均風壓、體型系數(shù)、極值風壓等風荷載參數(shù)。

2 平均風荷載分布特性

2.1 中部鞍型屋面

圖5 給出了典型風向角下，中部鞍型屋面的平均風壓等值線圖。不同風向角下，氣流經過東西側飛旋環(huán)繞屋面將形成分離，使得鞍型屋面處在分離剪切層中，因而其風壓以負壓為主。

圖5 典型風向下鞍型屋面平均風壓等值線圖（單位：kPa）Fig.5 Mean wind pressure contour on the saddleback roof under typical wind directions（Unit：kPa）

當來流風沿縱向或接近縱向流經屋蓋時，鞍型屋面負壓值（指絕對值）相對較小，例如0°風向時僅西側邊緣處風壓較大，負風壓最值約為-0.4 kPa，參見圖5（a）。但當來流風自東北或西南斜向作用屋蓋時，例如135°風向（東北風），鞍型屋面的平均負風壓值最大，迎風邊緣處達到約-0.7 kPa，參見圖5（b）。這與前方環(huán)繞屋面較陡，且受對向一側屋面延伸段的狹道影響，從而加劇氣流分離有關。315°風向（西南風）與此類似。

2.2 兩側環(huán)繞屋面

東側與西側環(huán)繞屋面近似對稱，故僅對0～180°風向角范圍的典型工況進行分析。不同風向角下，部分迎風較陡區(qū)域會出現(xiàn)正風壓，但數(shù)值均不大，參見圖6（a）。多數(shù)區(qū)域均表現(xiàn)為負風壓，不利負壓出現(xiàn)在150°風向角下，此時負壓最值位于西側環(huán)繞屋面的東南段與東側屋面疊合部位，數(shù)值約為-0.35 kPa，如圖6（b）所示。該風壓最值與氣流在疊合開口處的狹道聚集并加速分離有關。

圖6 不利風向下環(huán)繞屋面平均風壓等值線圖（單位：kPa）Fig.6 Mean wind pressure contour on the surrounding roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

2.3 分區(qū)體型系數(shù)

為便于工程應用，結合平均風壓的分布特點，將屋蓋劃分為11 個分區(qū)（圖4），計算得到了各分區(qū)的體型系數(shù)。

結果顯示，中部鞍形屋面中，中心部位1 區(qū)的分區(qū)體型系數(shù)較小，且隨風向角變化不大。2 區(qū)和3 區(qū)的體型系數(shù)在105°～165°風向角下較大，其中2 區(qū)在135°風向角下取得最值-0.83，3 區(qū)在150°風向時達到最值-0.63。4 區(qū)和5 區(qū)的分布規(guī)律類似，在300°～345°風向角范圍內的體型系數(shù)值較大，其中4 區(qū)在345°風向角下取得最值-0.72，5區(qū)在330°風向角下達到最值-0.96。

兩側環(huán)繞屋面中，6區(qū)、7區(qū)和8區(qū)的分區(qū)體型系數(shù)在45°～135°風向角下為正值，其中8 區(qū)系數(shù)值較大，在90°風向角下取得最大值0.31；其他風向角下為負值，同樣是8區(qū)較為不利，在330°風向角下取得最值-0.99。

西側屋面的情況類似，但由于受到鄰近高層建筑的遮擋，其分區(qū)體型系數(shù)稍小些。11 區(qū)的負壓體型系數(shù)在150°風向角下取到最值-0.64。

屋蓋典型分區(qū)在不利風向下的分區(qū)體型系數(shù)如表1所示，可供承重結構設計使用。

表1 典型分區(qū)在不利風向下的分區(qū)體型系數(shù)Table 1 Shape factors of typical sub-regions under unfavorable wind directions

3 脈動風荷載分布特性

3.1 不利風向角

輪滑館屋蓋的極值正風壓較小，以下主要討論負風壓的分布情況。試驗結果表明，極值負風壓的最不利風向主要集中在150°和330°風向角附近。當來流風沿150°風向時，將在東側屋面頂部和西側屋面尾部產生顯著分離，并在鞍形屋蓋上產生較大負風壓區(qū)域，且未見再附跡象。由于對稱性，330°風向的情況與此相似，將在鞍形屋蓋前緣和東側屋面尾部產生較大分離負壓。

3.2 極值風壓分布特性

圖7 給出了150°、330°兩個不利風向角下鞍形屋面和東側或西側（數(shù)值較大一側）環(huán)繞屋面的極值風壓等值線圖。

圖7 不利風向下屋蓋極值風壓等值線圖（單位：kPa）Fig.7 Extreme wind pressure contour on the roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

由圖7 可見，150°風向角下屋蓋極值風壓均表現(xiàn)為吸力，風壓最值出現(xiàn)在鞍型屋面迎風前緣附近，數(shù)值超過-1.2 kPa；風壓自東北到西南數(shù)值逐漸減少。西側環(huán)繞屋面的風壓在北部和東南部的疊合處數(shù)值較大，分別達-0.7 kPa和-0.6 kPa以上；東側屋面由于直接迎風，負壓值較小。

330°風向角下的負風壓分布與150°相似，在鞍型屋面西南部前緣達到最大，并自西南至東北逐漸減小；東側屋面尾部、與另一側屋面疊合處的負壓最大，數(shù)值約為-1.0 kPa，這與特定風向下疊合開口處氣流加速并加劇分離有關。

3.3 全風向角下極值風壓

為了便于圍護結構設計使用，取出不同測點在全部24 個風向角下的極值負風壓的最不利值，繪出全風向角下屋蓋極值負風壓的等值線圖，如圖8 所示。西側屋面的數(shù)值總體略小于東側屋面，故可根據(jù)對稱性參照東側取值。

圖8 全風向角下屋蓋極值負風壓等值線圖（單位：kPa）Fig.8 Extreme negative wind pressure contour on the roof under full-wind direction（Unit：kPa）

從圖8 看到，全風向角下中部鞍型屋面的極值負風壓普遍較大，特別是東北和西南側的前緣部位，負壓最值達到-1.46 kPa。東側和西側環(huán)繞屋面的負風壓最值出現(xiàn)在接近尾部與另一側屋面的疊合之處，數(shù)值略超過-1.0 kPa。

由于受分離、再附等復雜流動的影響，大跨屋蓋表面局部區(qū)域的風壓會呈現(xiàn)不同程度的非高斯特性，此時按峰值因子法計算的極值風壓的保證率可能低于按理想高斯分布的預期保證率。鑒此為提高圍護結構的抗風安全性，設計應用時可考慮增大式（2）、式（3）中的峰值因子取值，例如取為3.5或4。

4 結論

基于風洞試驗測壓數(shù)據(jù)，對杭州亞運輪滑館大跨疊合曲面屋蓋的風壓分布特性進行了分析，考察了不同部位平均風壓的分布規(guī)律，探討了不利風向角下極值風壓的變化特點。取得結論如下：

（1）輪滑館屋蓋中部鞍形屋面在不同風向角下均承受負風壓。當來流風自東北或西南斜向作用時，鞍形屋面迎風前緣的負風壓最大，這與前方環(huán)繞屋面較陡且另一側屋面延伸段的狹道影響加劇氣流分離有關。東西側屋面的平均負風壓最值出現(xiàn)在曲面疊合部位，也與該處的狹道效應有關。

（2）根據(jù)平均風壓分布特點，將屋蓋劃分為11 個分區(qū)，獲得了各風向角下的分區(qū)體型系數(shù)，可供承重結構設計使用。負壓體型系數(shù)的不利風向角發(fā)生于135°～165°（東北風）和315°～345°（西南風）斜風作用時。

（3）屋蓋極值負風壓的最不利風向角出現(xiàn)在150°（東北風）和330°（西南風）附近，其中鞍形屋面的風壓最值出現(xiàn)于迎風前緣部位；兩側環(huán)繞屋面的最值出現(xiàn)在其尾部與另一側屋面疊合處附近，主要與疊合處氣流加速并加劇分離有關。取出各測點在全部風向角下的極值負風壓的最不利值，給出了全風向角下屋蓋極值風壓的等值線圖，可供圍護結構設計使用。