陳伏彬，李秋勝，盧春玲，黃生洪，傅學(xué)怡，郭 明

（1.長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；

2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082；3.香港城市大學(xué) 土木及建筑工程系，香港；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；5.深圳大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518060；6.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院，湖北 武漢，430063）

0 引 言

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑以其造型新穎、建筑空間大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車站、大型場館、候機(jī)廳等建筑。這些建筑具有自重輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低等特點(diǎn)，風(fēng)荷載往往成為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載。同時(shí)，這些建筑往往都相對較矮，處于風(fēng)速變化大、湍流強(qiáng)度高的近地區(qū)域，屋蓋表面主要受到氣流的分離、再附作用，其周圍風(fēng)場交復(fù)雜。此外，大跨結(jié)構(gòu)造型各異，現(xiàn)行的國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2001）［1］以及先前對大跨結(jié)構(gòu)的研究成果均不能完全運(yùn)用于某個(gè)待建建筑。因此，在大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期應(yīng)對該建筑進(jìn)行詳盡的風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究，其結(jié)果不僅可以用于該結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)，而且還可以為建立大跨結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性數(shù)據(jù)庫提供寶貴的試驗(yàn)資料。

深圳新火車站是“北京－武漢－廣州－深圳－香港客運(yùn)專線”及“杭州－寧波－福州－深圳客運(yùn)專線”兩條國家鐵路的交匯點(diǎn)，如圖1所示。深圳新火車站建成后，將與廣深港客運(yùn)專線連接，成為第二條粵港通道的重要站點(diǎn)。深圳站也將繼續(xù)承擔(dān)廣深線、廣九線、京九線的到發(fā)任務(wù)。兩個(gè)客運(yùn)深圳新火車站一起成為全國重要的區(qū)域性鐵路客運(yùn)樞紐、具有口岸功能的大型鐵路車站和深圳市最重要的陸上交通門戶。該車站建筑長約450m、寬約330m，主要由中間的主樓與主樓兩側(cè)的站臺雨棚構(gòu)成，主站房屋面標(biāo)高東西分別為42.93m與32.575m，南北站房屋面標(biāo)高為18.950m。主樓的四周均有不同程度的懸挑結(jié)構(gòu)，特別在東側(cè)為一大懸挑結(jié)構(gòu)，其懸挑長度達(dá)到58m，且在其橫、縱兩個(gè)方向?yàn)榇箝_洞構(gòu)造以及南北站臺雨棚的四方索構(gòu)造。鑒于其體形復(fù)雜和結(jié)構(gòu)的重要性，需要進(jìn)行詳盡的風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究，以獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。

本文結(jié)合深圳新火車站剛性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了位于高湍流區(qū)域的大跨屋蓋在典型風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓及脈動(dòng)風(fēng)壓分布特性，并將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)比較了無火車工況與有火車工況下的風(fēng)壓分布特征；文中進(jìn)一步討論了脈動(dòng)壓力的概率特性與峰值因子的統(tǒng)計(jì)特性；最后評估了在無火車工況下深圳新火車站東側(cè)橫、縱兩個(gè)方向大開洞的風(fēng)速放大效應(yīng)，并與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果進(jìn)行對比研究。

圖1 深圳新火車站建筑效果圖Fig.1 Architecture drawings of the Shenzhen new railway station

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

本文試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD－2的大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。地貌類型按國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009－2001）［1］中規(guī)定的 B類地貌考慮，地貌粗糙度系數(shù)（指數(shù)律）α＝0.16。在試驗(yàn)之前，首先以二元尖塔、擋板及粗糙元來模擬B類地貌的風(fēng)剖面及湍流度分布，如圖2（a、b）所示。本次風(fēng)洞試驗(yàn)中，參考高度取為60cm，參考點(diǎn)的風(fēng)速為12m／s，參考高度處順風(fēng)向來流風(fēng)速譜如圖2（c）所示。試驗(yàn)采樣頻率為333.1Hz，采樣長度為10000。風(fēng)洞試驗(yàn)以車站東面來流定義為0°風(fēng)向角，間隔15°，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

深圳新火車站項(xiàng)目試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯肁BS板制成的剛體模型，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似，縮尺比為1∶200，高度約為21.5cm。剛性模型上共布置了1589個(gè)測壓點(diǎn)用以測量模型上下表面風(fēng)壓。其中，在主站房懸挑位置布置了152對雙測點(diǎn)（測點(diǎn)編號為A），在主站房屋面中間區(qū)域布置了142個(gè)單測點(diǎn)（測點(diǎn)編號為B），南、北站臺雨棚分別布置了216對雙測點(diǎn)（北站臺雨棚測點(diǎn)編號C，南站臺雨棚測點(diǎn)編號為D），測點(diǎn)布置如圖4所示。模型固定在風(fēng)洞試驗(yàn)室的木制轉(zhuǎn)盤上，如圖5所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速剖面、湍流度剖面及參考點(diǎn)高度處風(fēng)速譜Fig.2 Vertical profiles of wind speed，turbulence intensity and power spectrum at the reference height in wind tunnel test

圖3 風(fēng)向角定義Fig.3 Definition of wind attack angles

圖4 測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of the wind pressure taps

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.5 Model in the wind tunnel test

2 數(shù)值風(fēng)洞模擬

深圳新火車站的數(shù)值風(fēng)洞模擬在湖南大學(xué)“建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震”研究梯隊(duì)的并行計(jì)算機(jī)群進(jìn)行，該并行機(jī)群有32CPUs并聯(lián)成一個(gè)平臺，用以進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算。計(jì)算平臺為FLUENT6.3。本文的采用大渦模擬技術(shù)并結(jié)合本文作者黃生洪和李秋勝提出的一種新的可滿足大氣邊界層風(fēng)場特性的湍流脈動(dòng)速度生成方法——DSRFG［6］模擬深圳新火車站的邊界層湍流風(fēng)場。在大渦模擬的亞格子模型方面，采用本文作者（黃生洪 和李秋勝）針對結(jié)構(gòu)風(fēng)工程應(yīng)用提出的一種新的亞格子模型［7］。

數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算模型與風(fēng)洞試驗(yàn)剛性模型一致，縮尺比均為1∶200，如圖6所示。計(jì)算域X、Y、Z（長、寬、高）方向的尺寸為24m×7.5m×0.9m。本數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算分別模擬了5個(gè)風(fēng)向角（0°、180°、225°、270°及315°）工況。本文采用四面體與六面體的混合網(wǎng)格來對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，各風(fēng)向下網(wǎng)格的最小尺寸為0.01m，網(wǎng)格單元總數(shù)為1300萬左右。

圖6 深圳新火車站數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算模型Fig.6 Numerical model of the Shenzhen new railway station

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

模型試驗(yàn)中符號約定以壓力向內(nèi)（壓）為正，向外（吸）為負(fù)。屋蓋表面各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)由下列公式給出：

式中，Cpi（t）是試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系趇個(gè)測壓孔所在位置的風(fēng)壓系數(shù)，pi（t）是該位置上測得的表面風(fēng)壓值，p0和p∞分別為參考點(diǎn)處測得的平均總壓和平均靜壓。對于懸挑的位置（上下對應(yīng)布置兩個(gè)測壓孔），由上下表面對應(yīng)的測壓點(diǎn)測出的壓力相減得到：

其中，ΔCpi（t）表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系趇個(gè)測壓孔所在位置的風(fēng)壓差系數(shù)，（t）、（t）分別表示該位置上下表面的風(fēng)壓值，為了簡化敘述，本文均采用壓力系數(shù)Cpi（t）來表示公式（1）、（2）兩種情況。

3.1 平均風(fēng)壓特性

本文研究以15°為間隔的24個(gè)風(fēng)向角下深圳新火車站屋蓋結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的分布情況，其中對于主站房的懸挑區(qū)域以及南、北站房屋蓋的風(fēng)壓系數(shù)均以綜合風(fēng)壓系數(shù)給出。限于篇幅，本文僅給出了3個(gè)典型風(fēng)向角（0°、180°、270°）下深圳新火車站屋蓋的平均風(fēng)壓系數(shù)分布，如圖7所示。

圖7 典型風(fēng)向角下深圳新火車站屋蓋的平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖Fig.7 Contours of the mean wind pressure coefficients of the roof of the Shenzhen new railway station under typical wind directions

當(dāng)氣流流經(jīng)鈍體時(shí)，氣流在鈍體的迎風(fēng)表面出現(xiàn)分離，在分離區(qū)形成離散的旋渦，并脫落于下風(fēng)向區(qū)域。氣流迎風(fēng)區(qū)域分離而引起的旋渦脫落形成很大逆壓梯度，在邊緣區(qū)域呈現(xiàn)很大的負(fù)風(fēng)壓；隨著旋渦分離與再附，在遠(yuǎn)離邊緣的下風(fēng)向區(qū)域，負(fù)風(fēng)壓逐漸減小，甚至在尾部形成正風(fēng)壓區(qū)域，最后氣流在鈍體的根部再次分離形成負(fù)風(fēng)壓［3］。從圖7可以看出，深圳新火車站屋蓋的最大負(fù)風(fēng)壓發(fā)生在氣流分離最為顯著的迎風(fēng)區(qū)域的角部，迎風(fēng)區(qū)域的中間部位風(fēng)壓變化相對平緩。由圖中亦可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流垂直于鈍體時(shí)，其在迎風(fēng)的邊緣區(qū)域會沿著分離線形成一定范圍的柱狀渦，與先前的研究［8－9］一致。

在0°風(fēng)向角下，主站房東側(cè)大懸挑為迎風(fēng)區(qū)域，且存在縱向（南北向）與橫向（東西向）的“十字”型大開洞，氣流在懸挑屋面邊緣處分離，同時(shí)又受到下方幕墻的阻塞，形成“上吸下頂”的風(fēng)荷載分布形式。然而亦可發(fā)現(xiàn)在深圳新火車站東側(cè)南北向開洞的上下部分對氣流起到了一定“引流”作用；同時(shí)也使南北向開洞內(nèi)表面形成負(fù)風(fēng)壓，降低了南北向開洞區(qū)域上下表面的綜合風(fēng)壓。對于南北站臺雨棚而言，其上下表面均受風(fēng)作用，最大平均負(fù)風(fēng)壓亦出現(xiàn)迎風(fēng)屋面的角部，特別是靠近主站房的角部屋蓋，下風(fēng)向區(qū)域平均風(fēng)壓較小甚至為0。此時(shí)，主站房屋面綜合最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)為－1.26，相應(yīng)的北站臺雨棚為－0.32，均發(fā)生的迎風(fēng)角部屋檐。

180°風(fēng)向角下的深圳新火車站屋蓋的平均風(fēng)壓系數(shù)分布與0°風(fēng)向角類似。其主站房懸挑處最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)（－1.04）小于0°風(fēng)向角結(jié)果，但南北的站臺雨棚最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)（－0.54）又略大于0°風(fēng)向角結(jié)果；由于縱向、橫向開洞位于下風(fēng)向區(qū)域，對風(fēng)壓分布的影響很小。

270°風(fēng)向角下，主站房東西懸挑屋蓋上下表面均受風(fēng)吸力作用（即“上吸下吸”），因而其綜合風(fēng)吸力較??；而對于南向懸挑位置風(fēng)壓表現(xiàn)為“上吸下頂”情況，其平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)就較大；最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)發(fā)生在南面的懸挑邊緣，達(dá)到－1.01。南站臺雨棚負(fù)風(fēng)壓主要發(fā)生在迎風(fēng)區(qū)域，最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)為－0.74，發(fā)生在迎風(fēng)的檐口；在下風(fēng)向區(qū)域負(fù)風(fēng)壓系數(shù)較小甚至出現(xiàn)正風(fēng)壓。而對于北站臺雨棚，其位于來流的下風(fēng)向區(qū)域，且又受到主站房的阻擋，其負(fù)風(fēng)壓較小。

由于數(shù)值風(fēng)洞模擬給出的是屋蓋結(jié)構(gòu)各表面上的風(fēng)壓系數(shù)云圖分布結(jié)果，為了便于比較，本文亦給出了在0°及270°風(fēng)向角下深圳新火車站屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)云圖分布。圖8為0°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比，圖9為270°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比。從圖7、圖8中可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果在屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)的數(shù)值大小及其分布上均非常吻合。從圖8可知，數(shù)值風(fēng)洞模擬能更為精細(xì)地給出屋蓋表面各個(gè)區(qū)域的風(fēng)壓分布情況，特別是在南北站臺雨棚波浪形屋面的下凹處，而風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果僅給出風(fēng)壓測點(diǎn)所在波浪形屋面波峰處的風(fēng)壓分布。圖9表明，在270°風(fēng)向角下南站臺雨棚在靠近主站房的屋面區(qū)域存在較大的正風(fēng)壓，筆者認(rèn)為產(chǎn)生此現(xiàn)象除了因?yàn)闅饬髟陂芸谔幏蛛x后的再附作用外，更主要是因?yàn)闅饬髁鬟^南站臺雨棚后受到主站房幕墻的阻擋而造成的氣流反射作用所產(chǎn)生的向下風(fēng)荷載，影響范圍與主站房屋面高度變化相類似，表現(xiàn)為西低東高的趨勢。

圖8 0°風(fēng)向角深圳新火車站屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparisons of the mean wind pressure coefficients on the upper surface of the Shenzhen new railway station roof between the wind tunnel tests and simulation results under the wind direction of 0°

圖9 270°風(fēng)向角深圳新火車站屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比Fig.9 Comparisons of the mean wind pressure coefficients on the upper surface of the Shenzhen new railway station roof between the wind tunnel test and simulation results under the wind direction of 270°

3.2 脈動(dòng)風(fēng)壓特性

氣流的脈動(dòng)除了受來流自身的湍流影響之外，還受到旋渦導(dǎo)致的流動(dòng)或特征湍流（由鈍體引起的湍流）的影響。脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)體現(xiàn)了風(fēng)壓流脈動(dòng)能量的大小，是脈動(dòng)風(fēng)荷載的重要特征之一。圖10為典型風(fēng)向角（0°、180°和270°）下的屋蓋脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖，應(yīng)該指出的是本圖中脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)為屋蓋上下表面綜合脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。圖11與圖12分別給出了0°與270°風(fēng)向角下深圳新火車站屋蓋上表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比。

從圖10～圖12可以看出，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布與平均風(fēng)壓系數(shù)分布相類似，在平均風(fēng)壓系數(shù)大的區(qū)域其脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)也大。在迎風(fēng)的屋蓋前沿及角部是氣流分離最大的位置，此時(shí)氣流的脈動(dòng)能量除了受來流自身的湍流強(qiáng)度影響之外還有就是特征湍流度的影響，因此其脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)就較大；而對于來流下風(fēng)向屋面區(qū)域，主要是受到自身湍流強(qiáng)度的影響，其相對應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)較小。

圖10 典型風(fēng)向角下深圳新火車站屋蓋的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖Fig.10 Contours of the RMS pressure coefficients under typical wind directions

圖11 0°風(fēng)向角深圳新火車站屋蓋上表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比Fig.11 Comparisons of the RMS wind pressure coefficients on the upper surface of the Shenzhen new railway station roof between the wind tunnel test and numerical simulation results under the wind direction of 0°

圖12 270°風(fēng)向角深圳新火車站屋蓋上表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果對比Fig.12 Comparisons of the RMS wind pressure coefficients on the upper surface of the Shenzhen new railway station roof between the wind tunnel test and numerical simulation results under the wind direction of 270°

3.3 有火車工況與無火車工況下風(fēng)壓系數(shù)對比

本文對深圳新火車站在無火車工況與有火車工況（中間一列火車、中間兩列火車及全部有火車工況）進(jìn)行了詳盡的風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)。由于整個(gè)深圳新火車站屋蓋表面主要受風(fēng)吸力作用，鑒于篇幅，本文僅給出深圳新火車站屋蓋結(jié)構(gòu)各個(gè)工況下風(fēng)壓測點(diǎn)全風(fēng)向最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)分布圖與全風(fēng)向最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖。圖13與圖14分別為全風(fēng)向最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)分布圖與全風(fēng)向最大脈動(dòng)風(fēng)壓分布圖。由圖13與圖14可以看出：

圖13 不同火車數(shù)量工況下全風(fēng)向最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)云圖Fig.13 Contours of the maximum mean negative wind pressure coefficients under all wind directions for the cases of different number of trains

圖14 不同火車數(shù)量工況下全風(fēng)向最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)云圖Fig.14 Contours of the maximum RMS wind pressure coefficients under all wind directions for the cases of different number of trains

（1）在不同火車數(shù)量工況下，全風(fēng)向最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)與全風(fēng)向最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布相似；隨著火車列數(shù)的增多，最大平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)有所降低。僅一列或兩列火車時(shí)，對風(fēng)壓的分布影響很小；但在全部有火車工況下，在主站房的西側(cè)屋蓋表面負(fù)風(fēng)壓系數(shù)有明顯提高，主站房中部與東側(cè)屋蓋部分則有顯著的降低，而南北站房屋蓋表面負(fù)風(fēng)壓系數(shù)分布呈下降趨勢。

（2）在有火車工況下，全風(fēng)向最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)有所提高，主要是局部點(diǎn)受到氣流的影響，對整體而言脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化很小。

3.4 脈動(dòng)風(fēng)壓概率分布與峰值因子

脈動(dòng)風(fēng)壓的概率特性反映了風(fēng)壓脈動(dòng)能量大小的分布，是風(fēng)荷載脈動(dòng)特性的重要特征［4］，也是評價(jià)風(fēng)壓是否符合高斯分布或非高斯分布的重要手段［5，11－13］。事實(shí)上，脈動(dòng)風(fēng)壓的概率統(tǒng)計(jì)不僅可用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)峰值風(fēng)荷載值的確定，還對風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法的改善起到重要作用。

限于篇幅，本文以0°風(fēng)向角下主站房屋蓋上表面典型測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓以及90°風(fēng)向角下北站房雨棚典型測點(diǎn)綜合脈動(dòng)風(fēng)壓的概率分布為例（測點(diǎn)分布如圖4所示），討論深圳新火車站屋蓋表面脈動(dòng)風(fēng)壓的概率特征。圖15給出了0°風(fēng)向角下主站房屋蓋上表面典型測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的概率密度函數(shù)分布，圖16為90°風(fēng)向角下北站臺雨棚典型測點(diǎn)綜合脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的概率密度函數(shù)。圖中橫坐標(biāo)代表脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值（峰值因子），縱坐標(biāo)為相應(yīng)的概率密度函數(shù)值。

從圖15（a）可以看出，位于迎風(fēng)屋蓋前沿的測點(diǎn)，其脈動(dòng)風(fēng)壓概率密度函數(shù)體現(xiàn)明顯非高斯分布特征，特別是負(fù)壓尾部，如先前其它研究［11－13］相同。這些現(xiàn)象主要是由于這些測點(diǎn)位于屋蓋前沿的氣流分離區(qū)，壓力的脈動(dòng)能量除了受到來流本身的湍流度的影響外，更主要來自于氣流的分離引起的特征湍流。由于存在更長的負(fù)壓尾部，相對高斯分布而言，其具有更高的高負(fù)壓發(fā)生概率。在99.9999%概率密度的保證率下［2，10］，其峰值因子將達(dá)到6。觀察其它位于迎風(fēng)氣流分離區(qū)的測點(diǎn)結(jié)果可知，均有類似的概率密度分布特征。

從圖15（b）可以發(fā)現(xiàn)，這些測點(diǎn)的風(fēng)壓概率分布與高斯分布十分吻合，主要因?yàn)檫@些測點(diǎn)不在氣流分離區(qū)，而其風(fēng)壓的脈動(dòng)能量主要來自于氣流本身的湍流度的貢獻(xiàn)。在99.9999%概率密度的保證率下，其峰值因子為4。相同的現(xiàn)象在位于下風(fēng)向屋蓋中間區(qū)域的風(fēng)壓測點(diǎn)亦能找到。

圖15 0°風(fēng)向角主站房屋蓋上表面典型測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)概率密度分布函數(shù)Fig.15 Probability distributions of RMS pressure coefficients for typical pressure taps on the main structure under wind direction of 0°

圖16給出了90°風(fēng)向角下北站臺雨棚典型測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓的概率密度函數(shù)分布，這些風(fēng)壓點(diǎn)均位于雨棚迎風(fēng)氣流分離區(qū)，受到了強(qiáng)烈的特征湍流與來流本身的湍流的影響，具有很強(qiáng)的脈動(dòng)能量。其概率密度函數(shù)均明顯地偏離高斯分布。此時(shí)，在99.9999%概率密度的保證率下，其峰值因子亦達(dá)到6。

圖16 90°風(fēng)向角北站臺雨棚典型測點(diǎn)綜合脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)概率密度分布函數(shù)Fig.16 Probability distributions of RMS pressure coefficients for typical pressure taps on the north platform canopy under wind direction of 90°

為了更好地說明迎風(fēng)檐口位置風(fēng)壓脈動(dòng)特性，以0°風(fēng)向角下東面大懸挑位置y＝0.25m剖面處的平均風(fēng)矢量圖為例，如圖17所示。從圖上可以看出，氣流在迎風(fēng)的檐口分離，形成分離泡，產(chǎn)生很大的逆壓梯度，此時(shí)形成高負(fù)壓；分離泡緊接著再附于屋面并形成較大的脈動(dòng)壓力，此時(shí)位于這些位置的風(fēng)壓測點(diǎn)其脈動(dòng)風(fēng)壓的概率密度函數(shù)將在負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生翹曲，表現(xiàn)明顯的非高斯特性。

圖17 火車站y＝－0.25m處豎向剖面內(nèi)的平均風(fēng)矢量圖Fig.17 Mean velocity vectors at the y＝0.25m section of the Shenzhen station

3.5 縱、橫方向開洞位置風(fēng)速放大效應(yīng)研究

建筑物作為鈍體出現(xiàn)在現(xiàn)代城市的近地面流場中，下沖、狹管流、角流、穿堂風(fēng)以及阻塞、尾流等效應(yīng)，會使建筑物建成后，出現(xiàn)過去沒有的局部強(qiáng)風(fēng)現(xiàn)象；局部強(qiáng)風(fēng)的出現(xiàn)，會造成行人活動(dòng)困難，以及建筑物的門窗和建筑外裝飾物等破損、脫落、傷人等事故的發(fā)生。

在深圳新火車站東面的大開洞位置布置2個(gè)Irwin探頭用于采集2個(gè)典型位置的風(fēng)速，風(fēng)速測點(diǎn)Z1與Z2具體布置如圖3所示，其中測點(diǎn)位置Z1位于離主站房北側(cè)36m的開洞中間，測點(diǎn)位置Z2位于主站房橫、縱開洞交匯的中心處，兩測點(diǎn)標(biāo)高均為30m。風(fēng)速放大效果可用風(fēng)速比Ri來定義：

式中，Ui和Ur分別為測點(diǎn)位置和參考點(diǎn)位置處的平均風(fēng)速，本文參考點(diǎn)高度取離地實(shí)際高度2m。

圖18為各測點(diǎn)的風(fēng)速比玫瑰圖。同時(shí)為了與精細(xì)的建筑模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，圖19列出了兩個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)的數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果。從圖18可以看出風(fēng)速測點(diǎn)Z1最大風(fēng)速比為1.34，發(fā)生在315°來流方向；風(fēng)速測點(diǎn)Z2最大風(fēng)速為1.07，發(fā)生在120°來流方向。風(fēng)速測點(diǎn)Z1在東南氣流方向（風(fēng)向角270°～360°）及北向氣流（風(fēng)向角在60°～120°）時(shí)風(fēng)速均較大，主要是因?yàn)樵诖朔较蛏蠚饬骶琼樦_洞方向，洞口對氣流起了加速作用；特別是在東南方向，此時(shí)氣流在兩方向的洞口均有“匯集”作用，其風(fēng)速放大效應(yīng)較其他方向更明顯些。風(fēng)速測點(diǎn)Z2位于兩個(gè)方向開洞的中心，兩個(gè)方向的洞口相互間對氣流有“導(dǎo)流”作用，因此大風(fēng)速都是發(fā)生在洞口相互影響小的風(fēng)向，如西北、西南及東面來流方向。

圖18 典型風(fēng)速測點(diǎn)不同風(fēng)向角下風(fēng)速比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Distributions of wind speed ratio for typical locations under different wind directions by the wind tunnel test

圖19 典型風(fēng)速測點(diǎn)不同風(fēng)向角下風(fēng)速比數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果Fig.19 Distributions of wind speed ratio for typical locations under different wind directions by the numerical simulation

由圖18與圖19的風(fēng)速比玫瑰圖可以看出，兩個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)的風(fēng)速比都隨著風(fēng)向的變化而迅速變化，具有很強(qiáng)的風(fēng)向性。由于數(shù)值風(fēng)洞僅模擬了5個(gè)典型風(fēng)向角，相對于風(fēng)洞試驗(yàn)而言，其風(fēng)速比玫瑰圖比較簡單。但其數(shù)值模擬結(jié)果在風(fēng)速比及其發(fā)生的風(fēng)向角方向上與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果都相當(dāng)?shù)奈呛?。說明利用大渦模擬（LES）的數(shù)值風(fēng)洞能夠很好地模擬出建筑物周邊的風(fēng)速分布情況。

4 結(jié) 論

在大氣邊界層風(fēng)洞中對深圳新火車站在不同火車數(shù)量工況下進(jìn)行了全面系統(tǒng)的風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)，詳細(xì)分析了火車站屋蓋表面平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓特性；同時(shí)對火車站東側(cè)縱（南北方向）、橫（東西方向）方向大開洞處進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)速放大效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究；并與數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）深圳新火車站屋蓋表面以負(fù)風(fēng)壓為主，在迎風(fēng)的屋檐出現(xiàn)明顯的氣流分離，存在很大的負(fù)風(fēng)壓；下風(fēng)向區(qū)域負(fù)風(fēng)壓很小甚至出現(xiàn)較小的正風(fēng)壓。

（2）脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布與平均風(fēng)壓系數(shù)具有相類似的分布特征，在平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)大的位置其脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)也大，反之亦然。

（3）當(dāng)氣流垂直（或斜向）于主站房南（或北）幕墻時(shí)，由于氣流受到幕墻的阻擋與反射作用，產(chǎn)生的下沉氣流會在靠近南（或北）站臺雨棚的上表面區(qū)域附著，形成比較大的正風(fēng)壓。

（4）火車數(shù)量對屋面平均風(fēng)壓與脈動(dòng)風(fēng)壓有一定的影響，但它們的變化僅限于局部小區(qū)域，對于整體而言影響較小。

（5）迎風(fēng)區(qū)域的測點(diǎn)，其脈動(dòng)風(fēng)壓在負(fù)風(fēng)壓區(qū)出現(xiàn)明顯的延伸，說明其具有很高的負(fù)壓發(fā)生概率；而對于下風(fēng)向的中間區(qū)域測點(diǎn)，則符合正態(tài)高斯分布。

（6）主站房東面大開洞具有明顯的風(fēng)速放大效應(yīng)，其最大放大系數(shù)達(dá)到1.34。

（7）通過對比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果，以及火車站東側(cè)大開洞位置風(fēng)速放大效應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)：數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果與物理風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，說明采用新的大渦模擬方法以及采用DSRFG方法生成湍流脈動(dòng)風(fēng)速入口風(fēng)場技術(shù)能很好的模擬出建筑表面的風(fēng)壓分布以及周邊環(huán)境的壓力及風(fēng)速分布結(jié)果。

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