陸 煜， 趙善博， 馬文勇，2， 劉小兵，2， 劉慶寬，2

（1.石家莊鐵道大學(xué) 風(fēng)工程研究中心，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各種造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎的大跨屋蓋空間結(jié)構(gòu)相繼建成。這類結(jié)構(gòu)大都具有跨度大、質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特性，屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。學(xué)者們已對(duì)部分大跨屋蓋懸挑結(jié)構(gòu)、圓拱形懸挑結(jié)構(gòu)及復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究［1－7］，但針對(duì)雙曲型塔柱大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的研究仍十分有限。

結(jié)合某公園景觀大型結(jié)構(gòu)海之泉項(xiàng)目，對(duì)雙曲型塔柱大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究。該結(jié)構(gòu)分為A、B兩座鋼結(jié)構(gòu)，其中海之泉A高度約32.0m，平面投影輪廓直徑約79.0m；海之泉B高度約42.0m，平面投影輪廓直徑約85.6 m，如圖1所示。相對(duì)傳統(tǒng)景觀建筑而言，該結(jié)構(gòu)尺寸較大、形狀特殊，懸挑部分為具有凸起的弧面，下部結(jié)構(gòu)為中空塔柱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性無(wú)法依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行準(zhǔn)確分析。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，研究了該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了一定參考。

圖1 海之泉結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該風(fēng)洞試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室低速試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座串聯(lián)雙試驗(yàn)段回／直流大型多功能邊界層風(fēng)洞，低速試驗(yàn)段寬4.4 m，高3.0m，長(zhǎng)24.0m，最大風(fēng)速大于30.0m／s，風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，本次試驗(yàn)風(fēng)速采用16 m／s。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D2）主要采用有機(jī)玻璃和ABS板兩種材料制成，模型縮尺比為1∶125，模型表面共布置840個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，模型A共布置測(cè)點(diǎn)192對(duì)，內(nèi)外表面各192個(gè)；模型B共布置測(cè)點(diǎn)228對(duì)，內(nèi)外表面各228個(gè)。采用內(nèi)外點(diǎn)同步測(cè)壓的方式，采樣頻率為312.5 Hz。為研究方便，以懸挑結(jié)構(gòu)外緣所在水平面為界，將結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分，以海之泉A為例，剖面示意圖如圖3。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖3 海之泉A模型剖面示意圖

圖4 海之泉模型測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2 試驗(yàn)工況和風(fēng)場(chǎng)模擬

定義風(fēng)由北向南為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角按逆時(shí)針?lè)较蛟黾?，間隔10°為一個(gè)風(fēng)向角，共36個(gè)風(fēng)向角，圖5為模型方位與試驗(yàn)風(fēng)向角示意圖。

海之泉項(xiàng)目所在地地貌類型為B類，試驗(yàn)時(shí)采用尖劈和粗糙元等用被動(dòng)模擬的方法進(jìn)行模擬。

圖5 模型方位與試驗(yàn)風(fēng)向角

2 數(shù)據(jù)處理方法

采用無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)來(lái)描述結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓

式中，Cpi為i點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)；Pi為測(cè)點(diǎn)i的壓力；ˉPs為參考點(diǎn)靜壓平均值；ˉPt，h為參考高度h處總壓；ρ為空氣密度；ˉVh為參考高度h處的平均風(fēng)速。為方便使用，參考點(diǎn)高度取h＝10m，下文分別采用ˉCpi和＾Cpi表示Cpi的均值和均方根值，分別稱為平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)上下表面或者內(nèi)外表面同步測(cè)壓時(shí)，定義測(cè)點(diǎn)凈壓系數(shù)

式中，Cpni為i點(diǎn)位置的凈壓系數(shù)；Cpei和Cpii為i點(diǎn)位置的外部測(cè)點(diǎn)和內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)?！pni和＾Cpni表示Cpni的均值和均方根值，稱為平均凈壓系數(shù)和脈動(dòng)凈壓系數(shù)。

體型系數(shù)可由測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)（或者平均凈壓系數(shù)）計(jì)算得到

式中，μi（μni）稱為測(cè)點(diǎn)i處的體型系數(shù)；Zi為測(cè)點(diǎn)i所處的高度；α為地貌粗糙度指數(shù)，B類地貌α取0.16［5］。同理可得外壓體型系數(shù)和內(nèi)壓體型系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 上部懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分離區(qū)

兩結(jié)構(gòu)具有相似的外形，以海之泉A為例進(jìn)行研究。為了有效地研究具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，在模型上表面選取0°風(fēng)向角下與來(lái)流平行的軸線處的12個(gè)測(cè)點(diǎn)（沿來(lái)流方向分別記為1～12號(hào)）作為特征觀察點(diǎn)，按所處位置將其分為2組，圖5（a）和圖5（b）分別給出了所選特征點(diǎn)的體型系數(shù)。

圖6 特征點(diǎn)體型系數(shù)圖

從圖6（a）中可以看出，凸面懸挑結(jié)構(gòu)迎風(fēng)向測(cè)點(diǎn)1、2號(hào)的體型系數(shù)為正值，而3～6號(hào)測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)為負(fù)，可以判斷結(jié)構(gòu)該方向的氣流分離點(diǎn)位于2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，而結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對(duì)稱，因此該凸面懸挑結(jié)構(gòu)的外部分離區(qū)域?yàn)槿鐖D7（a）所示的陰影區(qū)域，界限在2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)所夾圓環(huán)區(qū)域內(nèi)。從圖6（b）中可以看出，凸面懸挑結(jié)構(gòu)迎風(fēng)向測(cè)點(diǎn)7號(hào)的體型系數(shù)為正值，而8～12號(hào)測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)為負(fù)，可以判斷結(jié)構(gòu)該方向的氣流分離點(diǎn)位于7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，因此凸面懸挑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分離區(qū)域?yàn)槿鐖D7（b）所示的陰影區(qū)域，界限在7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)所夾圓環(huán)區(qū)域內(nèi)。

圖7 海之泉A懸挑結(jié)構(gòu)分離區(qū)范圍圖

以上分析表明，上部大跨懸挑結(jié)構(gòu)的正壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)外沿以及空心處內(nèi)沿部分，其余部分基本為負(fù)壓區(qū)。

3.2 下部塔柱結(jié)構(gòu)體型系數(shù)分布

海之泉的下部結(jié)構(gòu)為中空塔柱形結(jié)構(gòu)，屬于典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)，其自身對(duì)風(fēng)的作用十分敏感。結(jié)合上部大跨凸面懸挑結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)整體受到風(fēng)荷載的影響會(huì)更加明顯，因此對(duì)海之泉下部結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性進(jìn)行研究是十分有必要的。

結(jié)構(gòu)的外壓體型系數(shù)和內(nèi)壓體型系數(shù)可分別由布置在結(jié)構(gòu)外壁和內(nèi)壁上的測(cè)點(diǎn)得到的風(fēng)壓系數(shù)經(jīng)公式（3）求得。圖8為0°風(fēng)向角下海之泉A下部結(jié)構(gòu)不同高度處周向測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)分布圖。圖中橫軸刻度表示周向測(cè)點(diǎn)的方位角，定義正迎風(fēng)向測(cè)點(diǎn)角度為0°。圖中C1～C4依次為由高向低交錯(cuò)排列的海之泉A下部結(jié)構(gòu)周向測(cè)點(diǎn)，每一周有12個(gè)測(cè)點(diǎn)組成，參見(jiàn)圖4（c）。

圖8 下部結(jié)構(gòu)不同高度處周向測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)分布

由圖8可知：（1）結(jié)構(gòu)內(nèi)壓體型系數(shù)均為負(fù)值，即表現(xiàn)為吸力；（2）正迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)（0°方位角）外壓體型系數(shù)較大，兩側(cè)各約30°范圍內(nèi)外壓體型系數(shù)為正，60°附近及背風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)為負(fù)，且趨于穩(wěn)定；（3）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)側(cè)所承受的風(fēng)荷載作用大于具有相似外形的封閉結(jié)構(gòu)，而背風(fēng)側(cè)由于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)負(fù)壓的存在使得其所承受的風(fēng)荷載絕對(duì)值小于具有相似外形的封閉結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過(guò)海之泉?jiǎng)傂阅Ｐ蜏y(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)及中空塔柱形結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)進(jìn)行了分析，研究了此類風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布及體型系數(shù)的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）上部具有凸面外形的大跨懸挑結(jié)構(gòu)的正壓區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)外沿以及空心處內(nèi)沿部分，其余部分基本為負(fù)壓區(qū)。沿來(lái)流方向，氣流在上游結(jié)構(gòu)表面的分離點(diǎn)的水平投影位于結(jié)構(gòu)水平投影的前1／6～1／3所在范圍內(nèi)，氣流在下游結(jié)構(gòu)表面的分離點(diǎn)的水平投影位于結(jié)構(gòu)水平投影的前1／6范圍內(nèi)。

（2）下部塔柱形中空結(jié)構(gòu)不同高度周向測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)分布規(guī)律較為相似，結(jié)構(gòu)內(nèi)壓體型系數(shù)始終為負(fù)值，結(jié)構(gòu)正迎風(fēng)面外壓體型系數(shù)為正且數(shù)值較大，兩側(cè)各約30°范圍內(nèi)外壓體型系數(shù)為正，兩側(cè)60°附近及背風(fēng)側(cè)體型系數(shù)為負(fù)且變化不大。

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