張江霖，范振中，周麗瓊，馬春雷

(1.中國電力工程顧問集團科技開發(fā)有限公司，北京 100120；2. 中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

封閉煤場屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)物理模型試驗研究

張江霖1，范振中2，周麗瓊2，馬春雷2

(1.中國電力工程顧問集團科技開發(fā)有限公司，北京 100120；2. 中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

本文通過介紹封閉式圓形煤場網(wǎng)殼風(fēng)荷載體型系數(shù)的物理模型試驗研究情況，給出相應(yīng)的研究結(jié)論，供封閉式圓形煤場網(wǎng)殼屋面結(jié)構(gòu)的合理和優(yōu)化設(shè)計參考。

封閉式圓形煤場；球形網(wǎng)殼；風(fēng)荷載體型系數(shù)；物理模型試驗.

1 概述

封閉式圓形煤場是燃煤火力發(fā)電廠煤儲存設(shè)施的統(tǒng)稱，包括煤場機械設(shè)備和土建兩部分。近年來，隨著環(huán)保要求的不斷提高以及資源節(jié)約重要性的日益突出，作為煤儲存設(shè)施的封閉煤場開始在火力發(fā)電廠中推廣應(yīng)用。封閉煤場結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括鋼筋混凝土環(huán)形擋煤墻以及屋蓋結(jié)構(gòu)，其屋蓋均采用跨度100 m以上的大跨度螺栓球節(jié)點空間球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。單個直徑為120 m的封閉煤場正常貯量達20萬t，可滿足2 MW×600 MW電廠運行15天～20天的要求,其典型斷面如圖1所示。

圖1 直徑120m封閉式圓形煤場典型橫斷面圖

2 風(fēng)荷載設(shè)計參數(shù)的確定

風(fēng)荷載是大跨度空間結(jié)構(gòu)的主要荷載之一，目前大跨度空間結(jié)構(gòu)均采用輕型維護結(jié)構(gòu)恒、活荷載相應(yīng)較小，風(fēng)荷載成為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載，因此合理確定風(fēng)荷載對于大跨度屋面球面網(wǎng)殼設(shè)計的安全和經(jīng)濟具有重要意義。對于封閉煤場屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計中基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)等設(shè)計參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范確定，而風(fēng)荷載體型系數(shù)需要進行研究確定，現(xiàn)行國標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)風(fēng)效應(yīng)技術(shù)委員會及前蘇聯(lián)CHNII2.01.07-85《荷載和作用》規(guī)范都作的相關(guān)規(guī)定見圖2、圖3、圖4。不難發(fā)現(xiàn)三個規(guī)范關(guān)于風(fēng)荷載體型系數(shù)的差異較大，同時根據(jù)有關(guān)文獻的風(fēng)洞試驗結(jié)果同現(xiàn)行國標(biāo)規(guī)范相比也存在一定的不同，考慮到封閉煤場屋面結(jié)構(gòu)的特殊性，有必要進行深入研究；另外從工程設(shè)計實際需要考慮，有必要對封閉煤場的直徑、擋煤墻高度、場地土類別、屋面結(jié)構(gòu)全封閉和局部開啟等對風(fēng)荷載體型系數(shù)影響等問題進行研究，以確定合適的風(fēng)荷載設(shè)計參數(shù)保證結(jié)構(gòu)安全。綜上考慮，《封閉式圓形煤場優(yōu)化設(shè)計研究》課題組開展了封閉煤場屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)的物理模型試驗。

圖2 國標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載體形系數(shù)μs

圖3 ECCS球面風(fēng)荷載體型系數(shù)

圖4 前蘇聯(lián)CHNII2.01.07-85《荷載和作用》中球體表面外壓空氣動力系數(shù)Ce

3 物理模型試驗研究

3.1 模型試驗研究

120m直徑模型的剛性物理模型試驗在北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的環(huán)境風(fēng)洞進行，模型縮尺比例為1∶129。北京大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖、試驗段中的模型和尖塔見圖5、圖6。

圖5 北京大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖

圖6 試驗段中的模型和尖塔－粗糙元

試驗分析對照了不同的擋煤墻高度(9 m和18 m兩種)、場地土類別(A類和B類兩種)、封閉煤場屋面結(jié)構(gòu)全封閉及局部開啟對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響，其中局部開敞時試驗?zāi)Ｐ蜑槲菝婢W(wǎng)殼和擋煤墻頂部2 m高度范圍(即網(wǎng)殼支承混凝土短柱高度范圍)開敞，其他部分網(wǎng)殼封閉。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上布置內(nèi)外測壓孔分布圖見圖7，模型測壓孔開在模型四分之一內(nèi)外球冠上，布置在球冠經(jīng)線和緯線的交點上。緯線B圍成的球冠對應(yīng)的球心角為25°，從緯線B開始每增加12°畫一條緯線，分別標(biāo)記為C、D、E、F、G。

圖7 模型測壓孔布置(左圖：俯視圖，右圖：中心剖面圖)

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 試驗結(jié)果與國標(biāo)規(guī)范的分析對照

對于典型物理模型煤場直徑120 m，擋煤墻高度9 m，A類地貌的試驗結(jié)果和GB50009/ECCS規(guī)范進行對照分析見表1。

表1 試驗結(jié)果與GB50009/ECCS規(guī)范對照分析(直徑120m，擋煤墻高度9m，A類地貌)

從試驗結(jié)果和國標(biāo)GB50009的對照分析可知：兩者正壓區(qū)和負壓區(qū)的分布范圍基本一致；負壓區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)，試驗結(jié)果要小于規(guī)范值；正壓區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，試驗結(jié)果要大于規(guī)范值，規(guī)范值是否存在不安全的

因素有待檢驗。從試驗結(jié)果和歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)規(guī)范的對照分析可知：兩者正壓區(qū)和負壓區(qū)的分布范圍基本一致；正壓區(qū)及負壓區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，ECCS規(guī)范數(shù)值均要大于風(fēng)洞試驗結(jié)果，可見ECCS規(guī)范是偏于保守的。

3.2.2 擋煤墻高度對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響

120 m直徑，不同擋煤墻高度條件下(9 m/18 m)的封閉煤場試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 不同擋煤墻高度條件下的試驗結(jié)果

分析1軸線A、B、…G各點的風(fēng)荷載體型系數(shù)值可以看出，正壓區(qū)最大值點1G在擋煤墻高度從9 m變?yōu)?8 m時，風(fēng)荷載體型系數(shù)從0.57增大到0.59，增幅為3.7 %；負壓區(qū)最大值點1A在擋煤墻高度從9 m變?yōu)?8 m時，風(fēng)荷載體型系數(shù)從-0.87增大到-0.89，增幅為2.6 %。對照ECCS可知擋煤墻高度從9 m增大18 m時，h/d值從0.075增大為0.15，f/d值保持0.44不變，則A點處外部壓力系數(shù)Cpe(正壓力)從0.67降低為0.64，降幅為4.7 %；B點處的外部壓力系數(shù)Cpe(負壓力)從-1.11增大為-1.14，增幅為2.7 %。兩者結(jié)果比較可知，擋煤墻高度從9 m增大到18 m時，負壓區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)的變化規(guī)律是相似的，增幅為3 %；對于正壓區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)變化，ECCS規(guī)范是呈降低趨勢，而試驗結(jié)果剛好相反，增大了3.7 %。

3.2.3 場地類別對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響

對于120 m直徑，擋煤墻高度9 m，不同場地類別(A類／B類)的封閉煤場試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3。

表3 不同場地的封閉煤場試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：A、B不同地貌條件下，負壓區(qū)最大點的風(fēng)荷載體型系數(shù)從-0.871變化為-0.837，變化的幅度為4 %，正壓區(qū)最大點的風(fēng)荷載體型系數(shù)從0.569變化為0.552，變化的幅度為3 %。

3.2.4 封閉煤場全封閉及局部開敞對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響

對于120 m直徑，擋煤墻高度為18 m的封閉煤場全封閉及局部開敞時的試驗結(jié)果統(tǒng)計見表4。

表4 封閉煤場全封閉及局部開敞時試驗結(jié)果

續(xù)表4

試驗結(jié)果分析表明：模型從全封閉變?yōu)榫植块_敞時，模型正壓區(qū)和負壓區(qū)的分布區(qū)域范圍規(guī)律基本上保持不變；開敞模型內(nèi)側(cè)基本為恒定的負壓；封閉煤場屋面內(nèi)部的負壓分布導(dǎo)致整個屋面迎風(fēng)面正壓區(qū)風(fēng)壓增大，而對分離區(qū)的負壓有所緩解；風(fēng)荷載體型系數(shù)的變化趨勢為負壓區(qū)體型系數(shù)最大值從-0.82減少為-0.66，而正壓區(qū)體型系數(shù)最大值從0.59增大為0.96。

4 結(jié)論與建議

通過封閉煤場的物理模型試驗結(jié)果進行研究與分析，有如下結(jié)論：

⑴從試驗結(jié)果和GB50009規(guī)范對照分析來看，兩者正壓區(qū)和負壓區(qū)的分布范圍基本一致，但試驗結(jié)果負壓區(qū)和正壓區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)要大于GB50009規(guī)范值，GB50009規(guī)范值是否存在不安全的因素有待檢驗；歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)規(guī)范考慮了封閉煤場擋煤墻高度和煤場直徑變化對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響，從與試驗結(jié)果對照分析可知兩者一致性較好，正壓區(qū)和負壓區(qū)的分布范圍基本一致，且ECCS規(guī)范中正壓區(qū)及負壓區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)數(shù)值均大于試驗結(jié)果(偏于安全)，因此實際工程設(shè)計中建議采用ECCS規(guī)范。

⑵試驗表明擋煤圍墻高度變化、場地類別不同、封閉煤場全封閉與局部開敞等因素均對對球狀網(wǎng)殼風(fēng)荷載體型系數(shù)均產(chǎn)生一定的影響：擋煤墻高度在9 m～18m之間變化時體型系數(shù)對應(yīng)的變化范圍為5 %～10 %；煤場直徑從90 m增大12 0m時迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)呈增大趨勢，增大幅度約為6 %；場地類別變化(A類/B類)和擋煤墻加設(shè)扶壁柱時風(fēng)荷載體型系數(shù)變化不大，實際結(jié)構(gòu)設(shè)計建議可以不予考慮其影響；煤場屋面?zhèn)却伴_啟后對球狀屋面外表面負壓分布區(qū)減壓有利，但同時導(dǎo)致迎風(fēng)面正壓大幅度增大，實際工程應(yīng)用中不建議采用側(cè)窗開啟的局部開敞屋面圍護結(jié)構(gòu)。

⑶工程實際需要和時，封閉煤場屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定應(yīng)優(yōu)先考慮物模試驗。

[1]GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

[2]CHИП2.01.07-85荷載和作用[S]．

[3]中南電力設(shè)計院，廣東河源電廠封閉煤場新型結(jié)構(gòu)方案研究[R]．2006．

[4]中南電力設(shè)計院．封閉式圓形煤場優(yōu)化設(shè)計研究(土建部分)[R]．2008．

Physical Model Test of Roof 's Wind Load form Coef fi cient in Enclosed Circular Coal Yard

ZHANG Jiang-lin1, FAN Zhen-zhong2, ZHOU Li-qiong2, MA Chun-lei2
(1.China Power Engineering Consulting(Group)Technology Development Co., LTD., Beijing 100120, China;
2. Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

This paper is focused on the physical model test for the enclosed circular coal yard roof’s wind load form coefficient,and supply the study result, which can provide the essential reference for enclosed circular coal yard roof’s rational and optimized design.

the enclosed circular coal yard; spherical shed; wind load form coef fi cient; physical model test.

TM621

B

1671-9913(2011)01-0040-05

2010-12-27

張江霖(1973-)，男，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。