李正農(nóng) 范濤 康建彬 程杰 吳濤 謝俊軍

摘要：根據(jù)剛性模型風洞測壓試驗所得數(shù)據(jù)，研究了不同的周邊干擾條件下柜體表面平均風壓系數(shù)的變化規(guī)律，對比分析了不同柜體間距時干擾效應(yīng)的變化情況。研究結(jié)果表明：干擾煤氣柜位于柜體的正前方時，柜體迎風面平均風壓系數(shù)顯著減??；干擾煤氣柜位于柜體的正后方時，柜體背風面平均風壓系數(shù)會增大；兩煤氣柜相互平行時，柜體背風面平均風壓系數(shù)會減??；柜體間距會對干擾效應(yīng)產(chǎn)生影響，干擾效應(yīng)隨著柜體間距的變化而發(fā)生變化；在迎風面與側(cè)風面，規(guī)范值有較高的安全儲備；而在背風面，其安全儲備略有不足。

關(guān)鍵詞：煤氣柜；干擾；風洞試驗；平均風壓；柜體間距

中圖分類號：TU973

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）03000111

Abstract：In order to study the variation regularity of mean wind pressure coefficients on gasholder with interference and the transformation of different distance of interference effect ， pressure measurements were conducted in wind tunnel on a rigid structural model . Results showed that in the case the interferential gasholder was located in the front， the mean wind pressure coefficients of windward side would dramatically decrease； the interferential gasholder was located in the rear， the mean wind pressure coefficients of lee side would increase； two gasholder were parallel to each other， the mean wind pressure coefficients of windward side would decrease； distance had a influence on the interference effect， interference effect varid with changes of distance； the safety reserve of code values was sufficient on windward and crosswind side but slightly insufficient in windward side.

Keywords：gasholder；interference； wind tunnels； mean wind pressure； distance between gasholder

大型煤氣柜屬于特種鋼結(jié)構(gòu)，由于有較大的儲氣量要求，往往設(shè)計成外壁薄且尺寸巨大的懸臂圓筒型結(jié)構(gòu)，其風荷載作用的效應(yīng)非常明顯，可能成為煤氣柜設(shè)計的控制荷載。中國現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的風荷載條文以及傳統(tǒng)的抗風設(shè)計方法均不適用于大型煤氣柜這類特種鋼結(jié)構(gòu)[1-3]，風洞試驗是確定煤氣柜抗風設(shè)計所需風荷載參數(shù)的主要手段。

近年來，許多學者對煤氣柜的抗風問題進行了研究。陳寅等[4]通過風洞試驗分析煤氣柜表面風壓分布狀況，并將不同高度處的平均風壓系數(shù)值與規(guī)范值進行對比，得出把荷載規(guī)范所規(guī)定值直接用于此類特殊結(jié)構(gòu)將偏于保守的結(jié)論。鄭史雄等[5]通過比較分析不同國家規(guī)范中動力風荷載的算法， 獲得了煤氣柜風振及動力風荷載的影響系數(shù)，并得出煤氣柜設(shè)計時陣風影響系數(shù)可偏于安全地取1.8的結(jié)論。鄒良浩等[6]通過有限元方法計算并分析了柜體內(nèi)、外氣體壓力差對結(jié)構(gòu)風致響應(yīng)的影響，得出在不考慮柜體內(nèi)、外壓力差時煤氣柜的各階振型頻率會減小的結(jié)論。這些研究為煤氣柜的抗風設(shè)計提供了參考。

周邊的干擾效應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗風研究的重點之一[7-11]。近年來，干擾研究多集中在大跨與高層結(jié)構(gòu)[12-15]，而對煤氣柜結(jié)構(gòu)的干擾效應(yīng)研究較少。以某大型煤氣柜為工程背景， 根據(jù)剛性模型的風洞測壓試驗數(shù)據(jù)， 研究了不同的周邊干擾條件下柜體表面平均風壓系數(shù)的變化規(guī)律，并對比分析了不同柜體間距時干擾效應(yīng)的變化情況。

1 試驗概況及數(shù)據(jù)處理

本文所研究的煤氣柜為干式煤氣柜，其容量為30萬m3，其直徑在65 m左右，柜體高度超過120 m，柜體壁厚僅約為7 mm。柜體為圓筒型全鋼結(jié)構(gòu)，柜體環(huán)向等距分布著32根工字型鋼立柱，在柜體等高度間隔設(shè)有8層檢修走廊，柜頂為球面頂蓋，在頂蓋中心處有通風氣樓。

1.1 試驗?zāi)Ｐ秃蜏y量儀器

綜合考慮該大型煤氣柜的各種因素后確定其剛性測壓模型的幾何縮尺比為1∶200?？s尺后模型的特征高度和特征寬度分別為600 mm和323 mm，縮尺后模型主體由有機玻璃和ABS板組成。

大氣邊界層內(nèi)來流通過構(gòu)筑物所產(chǎn)生的三維流動作用及風速隨高度的變化，構(gòu)筑物不同高度處的平均風壓系數(shù)是不同的，因此，風洞試驗需要測量在大型煤氣柜主柜體不同的高度處、球形柜體頂蓋及通風氣樓的平均風壓系數(shù)[5]。試驗時，柜頂球形頂蓋布置5圈共89個測點；氣樓中間高度處布置1圈共4個測點；柜體在豎向8個不同的高度布置測點，每一高度沿環(huán)向等距離布置32個測點，共256個測點；整個模型共349個測點。煤氣柜的測點布置如圖1所示。

風速測量儀器為TFI公司生產(chǎn)的三維脈動風速探頭，其量程在2～100 m/s，測量精度達到±0.5 m/s；風壓測量系統(tǒng)則由測壓管、壓力導管、壓力傳感器、A/D板、信號采集程序、PC機和數(shù)據(jù)處理軟件組成，模型可通過垂直于其表面的測壓孔與測壓管相連接。

1.2 風洞試驗和分析工況

本試驗是在湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點試驗室的HD-3大氣邊界層風洞中進行的。該風洞氣動輪廓全長18 m，寬3.0 m，高2.5 m，為低速、直流的邊界層風洞，試驗段風速0.5～20 m/s連續(xù)可調(diào)。試驗時風速為10 m/s，采用電子掃描閥測量風壓，測壓信號采樣頻率為333.33 Hz，每個測點采集10 000個數(shù)據(jù)。

試驗對主煤氣柜進行B類風場下有周邊和無周邊兩種工況的模擬（有周邊工況包括柜體中心間距108 m和233.15 m兩種情況），兩種工況下均以1號軸為正北方向。每種工況測量32個風向角下主煤氣柜模型的風壓分布，定義風從正北方向吹來時為0°風向角，風向角間隔為11.25°，按逆時針方向逐步增加。

1.3 風場調(diào)試

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[16]，采用格柵、尖劈、擋板、粗糙元裝置在風洞中模擬了B類風場，其風剖面及湍流度如圖3所示。

2 周邊干擾煤氣柜對柜體表面平均風

壓的影響

2.1 無周邊干擾煤氣柜時柜體表面平均風壓系數(shù)

的分布規(guī)律

選取了B類風場下無周邊時B、D、F、H四層測點在0°，90°，180°，270°的4個風向角下的平均風壓系數(shù)來進行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，4個風向角下各層測點的平均風壓系數(shù)分布規(guī)律大致相同，基本上呈對稱分布。B、D、F層在迎風面測點平均風壓系數(shù)都為正值，在側(cè)風面及背風面為負值；每層正迎風面測點平均風壓系數(shù)都達到最大的正值，然后向兩側(cè)逐漸減小至零；而在側(cè)風面，測點的平均風壓系數(shù)絕對值先逐漸增大到最大值，然后逐漸減??；在背風面時，各層測點的平均風壓系數(shù)變化比較平緩，基本上維持在一個負壓常值。H層測點位于煤氣柜頂層邊緣，邊界層中的氣流會在此處分離，因而其平均風壓系數(shù)也會產(chǎn)生變化，迎風面測點的平均風壓系數(shù)全部變?yōu)樨撝?，?cè)風面的平均風壓系數(shù)明顯減小，背風面平均風壓系數(shù)分布規(guī)律與其他各層基本一致。

綜上所述，煤氣柜表面風壓以負壓為主，無周邊煤氣柜時水平方向上各層測點的平均風壓系數(shù)基本上是對稱分布，且柜體頂層會存在比較強烈的氣流分離現(xiàn)象，這些結(jié)論與陳寅等[4]的研究結(jié)果基本一致。

2.2 雙柜體間距L=108 m時的干擾效應(yīng)分析

周邊煤氣柜在主煤氣柜1號軸北偏西90度方向，與主煤氣柜的實際距離為108 m，縮尺后的距離為540 mm，風向角示意圖見圖5。為分析其干擾效應(yīng)，選取有周邊和無周邊兩種工況下B、D、F、H四層測點在0°、90°、270°三個風向角時的平均風壓系數(shù)來進行對比，具體如圖6、7、8所示。

從圖中可以看出，B類風場下，當存在周邊干擾煤氣柜時，各個風向角下測點的平均風壓系數(shù)變化規(guī)律如下：

0°風向角時，周邊干擾煤氣柜與柜體相互平行，由于柜體間距較小，主要表現(xiàn)為對來流的阻擋作用，來流大多沿兩柜體外側(cè)繞流，狹縫作用要弱一些。兩柜體內(nèi)側(cè)迎風面測點和側(cè)風面部分測點的平均風壓系數(shù)會增大，但平均風壓系數(shù)最小值會降低且沿逆時針方向移動了11.25°，背風面平均風壓系數(shù)減小約3%～7%；兩柜體外側(cè)迎風面和側(cè)風面測點的平均風壓系數(shù)會減小，平均風壓系數(shù)最小值會降低但沒有移動，背風面平均風壓系數(shù)減小約2%～5%。柜頂邊緣位置的H層測點的平均風壓系數(shù)會減小，內(nèi)側(cè)迎風面與側(cè)風面這種趨勢更加明顯，其中32號測點平均風壓系數(shù)的差值可達28%。綜上所述，狹縫作用和阻擋作用會使內(nèi)側(cè)和外側(cè)氣流分離的速度增大，導致背風面平均風壓系數(shù)降低。

90°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方，主要表現(xiàn)為尾流的擾動效應(yīng)。迎風面及側(cè)風面幾乎未受干擾柜體的影響，兩種工況下平均風壓系數(shù)變化很??；背風面受到柜體后方尾流旋渦的影響，在有周邊干擾煤氣柜時測點的平均風壓系數(shù)值增大，其中24號測點的平均風壓系數(shù)最大增幅可達10%。綜上所述，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方時，其阻擋作用一定程度上減緩了尾流風速，使柜體背風面的平均風壓系數(shù)變大。

270°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方，遮擋效應(yīng)明顯，干擾柜體后方產(chǎn)生不規(guī)則的尾流漩渦，平均風壓系數(shù)出現(xiàn)不對稱的情況。迎風面干擾效應(yīng)十分顯著，在有周邊煤氣柜時測點的平均風壓系數(shù)明顯減小甚至變?yōu)樨撝担珼層24號測點變化最明顯，平均風壓系數(shù)由0.57減小為-0.12；側(cè)風面與背風面的變化規(guī)律相似，在有周邊煤氣柜時測點平均風壓系數(shù)絕對值減小，其中，背風面測點平均風壓系數(shù)差值基本穩(wěn)定在7%～12%之間，側(cè)風面平均風壓系數(shù)差值穩(wěn)定在20%～53%之間。位于柜頂邊緣位置的H層受到尾流旋渦的影響，在有周邊煤氣柜時測點的平均風壓系數(shù)值增大，其迎風面變化最明顯，平均風壓系數(shù)基本上變?yōu)檎登易畲筮_到0.39。綜上所述，當周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方時，其阻擋作用在一定程度上減弱了來流風速，可減小柜體的平均風壓系數(shù)的絕對值。

此外，需要特別說明的是，由于H層位于球形懸挑頂蓋與主柜體的交界處，來流在此處產(chǎn)生比較強烈的分離現(xiàn)象，而B、D、F層位于主柜體上，不會產(chǎn)生H層那樣強烈的氣流分離現(xiàn)象，因此H層的風壓分布會與B、D、F層不同。

2.3 雙柜體間距L=233.15 m時的干擾效應(yīng)分析

周邊煤氣柜與主煤氣柜的實際距離為233.15 m，縮尺后的距離為1 165.75 mm，風向角示意圖見圖4。為分析其干擾效應(yīng)，選取有周邊和無周邊兩種工況下B、D、F、H層測點在0°、90°、270°三個風向角時的平均風壓系數(shù)來進行對比，如圖9～11所示。

從圖中可以看出，B類風場下，當存在周邊干擾煤氣柜時，各個風向角下測點的平均風壓系數(shù)變化規(guī)律如下：

0°風向角時，周邊干擾煤氣柜與柜體相互平行，由于柜體間距變大，阻擋作用與狹縫作用減弱。柜體迎風面測點幾乎未受干擾煤氣柜的影響，兩種工況下平均風壓系數(shù)的差值在8%以內(nèi)。側(cè)風面與背風面的平均風壓系數(shù)會減小，但最小值未移動，兩種工況下平均風壓系數(shù)的差值在4%～10%之間。柜頂邊緣位置的H層干擾效應(yīng)明顯一些，在有周邊干擾煤氣柜時測點的平均風壓系數(shù)會減小，兩種工況下其迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)的差值在15%～25%之間，背風面平均風壓系數(shù)的差值穩(wěn)定在4%～10%之間。綜上所述，狹縫作用和阻擋作用會使內(nèi)側(cè)和外側(cè)氣流分離區(qū)的風速增大，導致側(cè)風面與背風面平均風壓系數(shù)減小。

90°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方，主要表現(xiàn)為尾流的擾動效應(yīng)。柜體迎風面與側(cè)風面測點幾乎未受干擾煤氣柜的影響，兩種工況下平均風壓系數(shù)變化很??；背風面受到柜體后方尾流旋渦的影響，在有周邊干擾煤氣柜時測點的平均風壓系數(shù)值增大，兩種工況下平均風壓系數(shù)的差值基本在2%～10%之間。綜上所述，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方時，其阻擋作用一定程度上減緩了尾流風速，使柜體背風面的平均風壓系數(shù)變大。

270°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方，相對于前述工況遮擋效應(yīng)減弱，尾流效應(yīng)增強。在有周邊干擾煤氣柜時迎風面測點的平均風壓系數(shù)會變小但仍為正值，20號測點變化最明顯，平均風壓系數(shù)的差值達到12%；側(cè)風面與背風面的平均風壓系數(shù)絕對值減小，其中，背風面平均風壓系數(shù)差值基本穩(wěn)定在3%～7%之間，側(cè)風面平均風壓系數(shù)差值基本穩(wěn)定在5%～14%之間。位于柜頂邊緣位置的H層測點受到尾流旋渦的影響，在有周邊干擾時測點的平均風壓系數(shù)值增大，其迎風面變化最明顯，平均風壓系數(shù)差值穩(wěn)定在20%～50%之間。綜上所述，當周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方時，其阻擋作用在一定程度上減弱了來流風速，可減小柜體的平均風壓系數(shù)的絕對值。

2.4 不同雙柜體間距干擾效應(yīng)的對比分析

為了比較108 m間距和233.15 m間距的干擾效應(yīng)，將無周邊、108 m周邊和233.15 m周邊3種工況下B、D、F、H4層測點在0°、90°、270°三個風向角時的平均風壓系數(shù)來進行對比，如圖12～14所示。

從圖14中可以看出，柜體間距會對干擾效應(yīng)產(chǎn)生影響，干擾效應(yīng)隨著柜體間距的變化而變化。0°風向角時，周邊干擾煤氣柜與柜體相互平行，干擾效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在迎風面與側(cè)風面。柜體間距為233.15 m時，主煤氣柜迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)變化不大；柜體間距為108 m時，阻擋作用與狹縫作用更強，主煤氣柜迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)變化的趨勢更加明顯。90°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方，干擾效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在背風面。柜體間距為108 m時，主煤氣柜背風面平均風壓系數(shù)會增大；柜體間距為233.15 m時，干擾煤氣柜對尾流的擾動效應(yīng)更強，主煤氣柜背風面平均風壓系數(shù)增大的趨勢更加明顯。270°風向角時，周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方，干擾效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在迎風面與側(cè)風面。柜體間距為233.15 m時，主煤氣柜迎風面平均風壓系數(shù)雖變小但仍為正值，側(cè)風面平均風壓系數(shù)略有增大，頂層迎風面與側(cè)風面的平均風壓系數(shù)雖增大但仍為負值；柜體間距為108 m時，干擾煤氣柜對來流的阻擋作用更強，主煤氣柜迎風面平均風壓系數(shù)明顯減小甚至變?yōu)樨撝?，?cè)風面平均風壓系數(shù)增大的趨勢更加明顯，頂層迎風面與側(cè)風面的平均風壓系數(shù)明顯增大甚至變?yōu)檎怠?/p>

2.5 與荷載規(guī)范的對比分析

由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可知，圓截面構(gòu)筑物（圖15）的體型系數(shù)如表1所示。

煤氣柜的高寬比，以1號測點為基準點，取為0°、45°、90°、135°、180°時的規(guī)范值與風洞值（無周邊、108 m 周邊以及233.15 m 周邊3種情況下B、D、F、H四層的體型系數(shù)）對比，見圖16。

由圖16可知，風洞值與規(guī)范值的變化規(guī)律基本一致，但數(shù)值大小有一定差別。在迎風面與側(cè)風面，規(guī)范值有較高的安全儲備，其絕對值遠大于風洞實驗得到的結(jié)果；而在背風面，規(guī)范值安全儲備不足，其絕對值要略小于風洞實驗得到的結(jié)果，這一點需要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的注意。

3 結(jié) 論

以某大型煤氣柜為工程背景， 根據(jù)剛性模型風洞測壓試驗所得數(shù)據(jù)，研究了不同的周邊干擾條件下柜體表面平均風壓系數(shù)的變化規(guī)律，對比分析了不同柜體間距時干擾效應(yīng)的變化情況。

1）柜體間距為108 m時，若干擾煤氣柜在柜體正前方，柜體迎風面平均風壓系數(shù)明顯減小甚至變?yōu)樨撝?，?cè)風面與背風面平均風壓系數(shù)則會增大；頂層迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)明顯增大。干擾煤氣柜在柜體正后方時，柜體迎風面及側(cè)風面幾乎不受影響，背風面平均風壓系數(shù)絕對值減小。若兩煤氣柜平行，兩柜體內(nèi)側(cè)迎風面測點和側(cè)風面部分測點的平均風壓系數(shù)會增大， 兩柜體外側(cè)迎風面和側(cè)風面平均風壓系數(shù)會減小，背風面平均風壓系數(shù)絕對值會增大；頂層平均風壓系數(shù)絕對值會增大。

2）與108 m間距相比，柜體間距為233.15 m時，平均風壓系數(shù)變化規(guī)律變化較大。干擾煤氣柜在柜體正前方時，柜體迎風面平均風壓系數(shù)雖變小但仍為正值，側(cè)風面與背風面平均風壓系數(shù)增大趨勢減弱；頂層迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)雖增大但仍為負值。干擾煤氣柜在柜體正后方時，柜體迎風面及側(cè)風面平均風壓系數(shù)變化很小，背風面平均風壓系數(shù)絕對值減小的趨勢更明顯。兩煤氣柜平行時，柜體迎風面與側(cè)風面平均風壓系數(shù)變化很小，背風面平均風壓系數(shù)絕對值會增大；頂層平均風壓系數(shù)絕對值增大趨勢減弱。

3）柜體間距會對干擾效應(yīng)產(chǎn)生影響，干擾效應(yīng)隨著柜體間距的變化而發(fā)生變化。干擾煤氣柜在主煤氣柜的正前方時，干擾效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在迎風面與側(cè)風面，迎風面與側(cè)風面在108 m間距時干擾效應(yīng)更明顯。干擾煤氣柜在主煤氣柜的正后方時，干擾效應(yīng)的差異主要表現(xiàn)在背風面，背風面在233.15 m間距時平均風壓系數(shù)增大趨勢更明顯。兩柜體相互平行時，干擾效應(yīng)的差異主要表現(xiàn)在迎風面與側(cè)風面，迎風面與側(cè)風面在108 m間距時干擾效應(yīng)更加明顯。

4）實驗值與規(guī)范值的變化規(guī)律基本一致，但數(shù)值大小有一定差別。在迎風面與側(cè)風面，規(guī)范值有較高的安全儲備，其絕對值遠大于風洞實驗得到的結(jié)果；而在背風面，規(guī)范值安全儲備不足，其絕對值要略小于風洞實驗得到的結(jié)果，這一點要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的注意。

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（編輯 胡 玲）