李正農(nóng)，范濤，康建彬，程杰，吳濤，謝俊軍

(1.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;2.華陽(yáng)國(guó)際設(shè)計(jì)集團(tuán)長(zhǎng)沙分公司，長(zhǎng)沙 410082；3.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122;4.湖北省建筑設(shè)計(jì)院，武漢 430212)

?

周邊干擾對(duì)煤氣柜表面風(fēng)壓的影響

李正農(nóng)1，范濤1，康建彬2，程杰3，吳濤3，謝俊軍4

(1.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;2.華陽(yáng)國(guó)際設(shè)計(jì)集團(tuán)長(zhǎng)沙分公司，長(zhǎng)沙 410082；3.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122;4.湖北省建筑設(shè)計(jì)院，武漢 430212)

摘要：根據(jù)剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)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(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)比分析了不同柜體間距時(shí)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(shí)，柜體迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)顯著減小；干擾煤氣柜位于柜體的正后方時(shí)，柜體背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)增大；兩煤氣柜相互平行時(shí)，柜體背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)減小；柜體間距會(huì)對(duì)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(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，規(guī)范值有較高的安全儲(chǔ)備;而在背風(fēng)面，其安全儲(chǔ)備略有不足。

關(guān)鍵詞：煤氣柜；干擾；風(fēng)洞試驗(yàn)；平均風(fēng)壓；柜體間距

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

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)煤氣柜的抗風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。陳寅等[4]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)分析煤氣柜表面風(fēng)壓分布狀況，并將不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)值與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)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(guò)比較分析不同國(guó)家規(guī)范中動(dòng)力風(fēng)荷載的算法, 獲得了煤氣柜風(fēng)振及動(dòng)力風(fēng)荷載的影響系數(shù)，并得出煤氣柜設(shè)計(jì)時(shí)陣風(fēng)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(guò)有限元方法計(jì)算并分析了柜體內(nèi)、外氣體壓力差對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響，得出在不考慮柜體內(nèi)、外壓力差時(shí)煤氣柜的各階振型頻率會(huì)減小的結(jié)論。這些研究為煤氣柜的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考。

周邊的干擾效應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的重點(diǎn)之一[7-11]。近年來(lái)，干擾研究多集中在大跨與高層結(jié)構(gòu)[12-15]，而對(duì)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(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù), 研究了不同的周邊干擾條件下柜體表面平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)比分析了不同柜體間距時(shí)干擾效應(yīng)的變化情況。

1試驗(yàn)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(wàn)m3，其直徑在65 m左右,柜體高度超過(guò)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(fēng)氣樓。

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量?jī)x器

綜合考慮該大型煤氣柜的各種因素后確定其剛性測(cè)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(jī)玻璃和ABS板組成。

大氣邊界層內(nèi)來(lái)流通過(guò)構(gòu)筑物所產(chǎn)生的三維流動(dòng)作用及風(fēng)速隨高度的變化,構(gòu)筑物不同高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)是不同的,因此，風(fēng)洞試驗(yàn)需要測(cè)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(fēng)氣樓的平均風(fēng)壓系數(shù)[5]。試驗(yàn)時(shí)，柜頂球形頂蓋布置5圈共89個(gè)測(cè)點(diǎn)；氣樓中間高度處布置1圈共4個(gè)測(cè)點(diǎn)；柜體在豎向8個(gè)不同的高度布置測(cè)點(diǎn)，每一高度沿環(huán)向等距離布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，共256個(gè)測(cè)點(diǎn)；整個(gè)模型共349個(gè)測(cè)點(diǎn)。煤氣柜的測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1　The testing point

風(fēng)速測(cè)量?jī)x器為TFI公司生產(chǎn)的三維脈動(dòng)風(fēng)速探頭，其量程在2～100 m/s，測(cè)量精度達(dá)到±0.5 m/s；風(fēng)壓測(cè)量系統(tǒng)則由測(cè)壓管、壓力導(dǎo)管、壓力傳感器、A/D板、信號(hào)采集程序、PC機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件組成，模型可通過(guò)垂直于其表面的測(cè)壓孔與測(cè)壓管相連接。

1.2風(fēng)洞試驗(yàn)和分析工況

本試驗(yàn)是在湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室的HD-3大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的。該風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓全長(zhǎng)18 m，寬3.0 m，高2.5 m,為低速、直流的邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段風(fēng)速0.5～20 m/s連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速為10 m/s，采用電子掃描閥測(cè)量風(fēng)壓，測(cè)壓信號(hào)采樣頻率為333.33 Hz，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集10 000個(gè)數(shù)據(jù)。

圖2　風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.2　The wind tunnel tests

試驗(yàn)對(duì)主煤氣柜進(jìn)行B類風(fēng)場(chǎng)下有周邊和無(wú)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(hào)軸為正北方向。每種工況測(cè)量32個(gè)風(fēng)向角下主煤氣柜模型的風(fēng)壓分布，定義風(fēng)從正北方向吹來(lái)時(shí)為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角間隔為11.25°，按逆時(shí)針方向逐步增加。

1.3風(fēng)場(chǎng)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(fēng)洞中模擬了B類風(fēng)場(chǎng)，其風(fēng)剖面及湍流度如圖3所示。

圖3　B類風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面及湍流度Fig.3　The wind profile and turbulence intensity of terrain categories

1.4數(shù)據(jù)處理

此次風(fēng)洞試驗(yàn)中所涉及到的風(fēng)壓均是垂直于煤氣柜表面的，風(fēng)壓值的符號(hào)約定為煤氣柜的表面受壓力為正，受吸力為負(fù)。試驗(yàn)取模型高度處參考風(fēng)壓對(duì)各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓進(jìn)行無(wú)量綱化[17]，將風(fēng)壓系數(shù)定義為

(1)

式中:Cpi(t) 為測(cè)點(diǎn)i在t時(shí)刻的風(fēng)壓系數(shù)；Pi(t) 為通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的某測(cè)點(diǎn)i在t時(shí)刻的風(fēng)壓值；PH為參考點(diǎn)高度(一般取模型頂端高度處，本次風(fēng)洞試驗(yàn)參考高度為0.6m)的參考靜壓值；ρ為空氣密度；vH為模型前方來(lái)流未擾動(dòng)區(qū)(相當(dāng)于模型頂端高度處)的平均風(fēng)速。

模型處在湍流中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)都可以看成是隨機(jī)變量，為了描述煤氣柜表面風(fēng)壓的分布特性，需要對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲得各測(cè)點(diǎn)在32個(gè)風(fēng)向角下以模型頂部風(fēng)壓為參考風(fēng)壓的平均風(fēng)壓系數(shù)。通常情況下將模型表面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)定義為

(2)

式中:Cpi,mean為i測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)；Cpij為i測(cè)點(diǎn)第j次采樣時(shí)的風(fēng)壓系數(shù)；N為測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)據(jù)的采樣數(shù)目；對(duì)于本次試驗(yàn)N=10 000。

2周邊干擾煤氣柜對(duì)柜體表面平均風(fēng)壓的影響

2.1無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)柜體表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律

選取了B類風(fēng)場(chǎng)下無(wú)周邊時(shí)B、D、F、H四層測(cè)點(diǎn)在0°,90°,180°,270°的4個(gè)風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，4個(gè)風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律大致相同，基本上呈對(duì)稱分布。B、D、F層在迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)都為正值，在側(cè)風(fēng)面及背風(fēng)面為負(fù)值；每層正迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)都達(dá)到最大的正值，然后向兩側(cè)逐漸減小至零；而在側(cè)風(fēng)面，測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值先逐漸增大到最大值，然后逐漸減??；在背風(fēng)面時(shí)，各層測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化比較平緩，基本上維持在一個(gè)負(fù)壓常值。H層測(cè)點(diǎn)位于煤氣柜頂層邊緣，邊界層中的氣流會(huì)在此處分離，因而其平均風(fēng)壓系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化，迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)全部變?yōu)樨?fù)值，側(cè)風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)明顯減小，背風(fēng)面平均風(fēng)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(fēng)壓以負(fù)壓為主，無(wú)周邊煤氣柜時(shí)水平方向上各層測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)基本上是對(duì)稱分布，且柜體頂層會(huì)存在比較強(qiáng)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。

圖4　無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)B、D、F、H 4層測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.4　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of B.D.F.H layer without interferential gas tank

2.2雙柜體間距L=108 m時(shí)的干擾效應(yīng)分析

周邊煤氣柜在主煤氣柜1號(hào)軸北偏西90度方向，與主煤氣柜的實(shí)際距離為108 m，縮尺后的距離為540 mm，風(fēng)向角示意圖見圖5。為分析其干擾效應(yīng)，選取有周邊和無(wú)周邊兩種工況下B、D、F、H四層測(cè)點(diǎn)在0°、90°、270°三個(gè)風(fēng)向角時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比，具體如圖6、7、8所示。

圖5　風(fēng)向角示意圖Fig.5　Wind direction

圖6　0°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.6　The mean wind pressure coefficientdistribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and withoutinterferential gasholder at 0°wind direction

圖7　90°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.7　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 90°wind

圖8　270°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.8　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 270°wind

從圖中可以看出，B類風(fēng)場(chǎng)下，當(dāng)存在周邊干擾煤氣柜時(shí)，各個(gè)風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律如下：

0°風(fēng)向角時(shí)，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(duì)來(lái)流的阻擋作用，來(lái)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(fēng)面測(cè)點(diǎn)和側(cè)風(fēng)面部分測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)增大,但平均風(fēng)壓系數(shù)最小值會(huì)降低且沿逆時(shí)針方向移動(dòng)了11.25°，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)減小約3%～7%；兩柜體外側(cè)迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)減小，平均風(fēng)壓系數(shù)最小值會(huì)降低但沒有移動(dòng)，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)減小約2%～5%。柜頂邊緣位置的H層測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)減小，內(nèi)側(cè)迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面這種趨勢(shì)更加明顯，其中32號(hào)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的差值可達(dá)28%。綜上所述，狹縫作用和阻擋作用會(huì)使內(nèi)側(cè)和外側(cè)氣流分離的速度增大，導(dǎo)致背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)降低。

90°風(fēng)向角時(shí)，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(dòng)效應(yīng)。迎風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面幾乎未受干擾柜體的影響，兩種工況下平均風(fēng)壓系數(shù)變化很??；背風(fēng)面受到柜體后方尾流旋渦的影響，在有周邊干擾煤氣柜時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值增大，其中24號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)最大增幅可達(dá)10%。綜上所述，周邊干擾煤氣柜在柜體的正后方時(shí)，其阻擋作用一定程度上減緩了尾流風(fēng)速，使柜體背風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)變大。

270°風(fēng)向角時(shí)，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(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)不對(duì)稱的情況。迎風(fēng)面干擾效應(yīng)十分顯著，在有周邊煤氣柜時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)明顯減小甚至變?yōu)樨?fù)值，D層24號(hào)測(cè)點(diǎn)變化最明顯，平均風(fēng)壓系數(shù)由0.57減小為-0.12；側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面的變化規(guī)律相似，在有周邊煤氣柜時(shí)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小，其中，背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)差值基本穩(wěn)定在7%～12%之間，側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)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(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值增大，其迎風(fēng)面變化最明顯，平均風(fēng)壓系數(shù)基本上變?yōu)檎登易畲筮_(dá)到0.39。綜上所述，當(dāng)周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方時(shí)，其阻擋作用在一定程度上減弱了來(lái)流風(fēng)速，可減小柜體的平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值。

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

2.3雙柜體間距L=233.15 m時(shí)的干擾效應(yīng)分析

周邊煤氣柜與主煤氣柜的實(shí)際距離為233.15 m，縮尺后的距離為1 165.75 mm，風(fēng)向角示意圖見圖4。為分析其干擾效應(yīng)，選取有周邊和無(wú)周邊兩種工況下B、D、F、H層測(cè)點(diǎn)在0°、90°、270°三個(gè)風(fēng)向角時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比，如圖9～11所示。

圖9　0°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.9　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 0°wind

圖10　90°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.10　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 90°wind

圖11　270°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)周邊干擾煤氣柜時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.11　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 270°wind

從圖中可以看出，B類風(fēng)場(chǎng)下，當(dāng)存在周邊干擾煤氣柜時(shí)，各個(gè)風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律如下：

0°風(fēng)向角時(shí)，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(fēng)面測(cè)點(diǎn)幾乎未受干擾煤氣柜的影響，兩種工況下平均風(fēng)壓系數(shù)的差值在8%以內(nèi)。側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)減小，但最小值未移動(dòng)，兩種工況下平均風(fēng)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(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)減小，兩種工況下其迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)的差值在15%～25%之間，背風(fēng)面平均風(fēng)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(huì)使內(nèi)側(cè)和外側(cè)氣流分離區(qū)的風(fēng)速增大，導(dǎo)致側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)減小。

90°風(fēng)向角時(shí)，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(dòng)效應(yīng)。柜體迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)幾乎未受干擾煤氣柜的影響，兩種工況下平均風(fēng)壓系數(shù)變化很??；背風(fēng)面受到柜體后方尾流旋渦的影響，在有周邊干擾煤氣柜時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值增大，兩種工況下平均風(fēng)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(shí)，其阻擋作用一定程度上減緩了尾流風(fēng)速，使柜體背風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)變大。

270°風(fēng)向角時(shí)，周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方，相對(duì)于前述工況遮擋效應(yīng)減弱，尾流效應(yīng)增強(qiáng)。在有周邊干擾煤氣柜時(shí)迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)變小但仍為正值，20號(hào)測(cè)點(diǎn)變化最明顯，平均風(fēng)壓系數(shù)的差值達(dá)到12%；側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小，其中，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)差值基本穩(wěn)定在3%～7%之間，側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)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(cè)點(diǎn)受到尾流旋渦的影響，在有周邊干擾時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值增大，其迎風(fēng)面變化最明顯，平均風(fēng)壓系數(shù)差值穩(wěn)定在20%～50%之間。綜上所述，當(dāng)周邊干擾煤氣柜在柜體的正前方時(shí)，其阻擋作用在一定程度上減弱了來(lái)流風(fēng)速，可減小柜體的平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值。

2.4不同雙柜體間距干擾效應(yīng)的對(duì)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(wú)周邊、108 m周邊和233.15 m周邊3種工況下B、D、F、H4層測(cè)點(diǎn)在0°、90°、270°三個(gè)風(fēng)向角時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比，如圖12～14所示。

圖12　0°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在不同工況時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.12　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 0°wind

圖13　90°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在不同工況時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.13　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 90°wind

圖14　270°風(fēng)向角下各層測(cè)點(diǎn)在不同工況時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.14　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 270°wind

從圖14中可以看出，柜體間距會(huì)對(duì)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(fēng)向角時(shí)，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(fēng)面與側(cè)風(fēng)面。柜體間距為233.15 m時(shí)，主煤氣柜迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)變化不大；柜體間距為108 m時(shí)，阻擋作用與狹縫作用更強(qiáng)，主煤氣柜迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)變化的趨勢(shì)更加明顯。90°風(fēng)向角時(shí)，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(fēng)面。柜體間距為108 m時(shí)，主煤氣柜背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)會(huì)增大；柜體間距為233.15 m時(shí)，干擾煤氣柜對(duì)尾流的擾動(dòng)效應(yīng)更強(qiáng)，主煤氣柜背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)增大的趨勢(shì)更加明顯。270°風(fēng)向角時(shí)，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(fēng)面與側(cè)風(fēng)面。柜體間距為233.15 m時(shí)，主煤氣柜迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)雖變小但仍為正值，側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)略有增大，頂層迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)雖增大但仍為負(fù)值；柜體間距為108 m時(shí)，干擾煤氣柜對(duì)來(lái)流的阻擋作用更強(qiáng)，主煤氣柜迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)明顯減小甚至變?yōu)樨?fù)值，側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)增大的趨勢(shì)更加明顯，頂層迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面的平均風(fēng)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(duì)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。

圖15　圓截面構(gòu)筑物Fig.15　Structures of circular

0°+1.015°+0.830°+0.145°-0.71760°-1.28375°-1.61790°-1.783105°-1.283120°-0.717135°-0.517150°-0.417165°-0.417180°-0.417

煤氣柜的高寬比，以1號(hào)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，取為0°、45°、90°、135°、180°時(shí)的規(guī)范值與風(fēng)洞值(無(wú)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(duì)比，見圖16。

圖16　體型系數(shù)對(duì)比圖Fig.16　Comparison diagram of profile

由圖16可知，風(fēng)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(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，規(guī)范值有較高的安全儲(chǔ)備，其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果；而在背風(fēng)面，規(guī)范值安全儲(chǔ)備不足，其絕對(duì)值要略小于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果,這一點(diǎn)需要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)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(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)比分析了不同柜體間距時(shí)干擾效應(yīng)的變化情況。

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

2)與108 m間距相比，柜體間距為233.15 m時(shí)，平均風(fēng)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(shí)，柜體迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)雖變小但仍為正值，側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)增大趨勢(shì)減弱；頂層迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)雖增大但仍為負(fù)值。干擾煤氣柜在柜體正后方時(shí)，柜體迎風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)變化很小，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小的趨勢(shì)更明顯。兩煤氣柜平行時(shí)，柜體迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)變化很小，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值會(huì)增大；頂層平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大趨勢(shì)減弱。

3)柜體間距會(huì)對(duì)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(shí)，干擾效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面在108 m間距時(shí)干擾效應(yīng)更明顯。干擾煤氣柜在主煤氣柜的正后方時(shí)，干擾效應(yīng)的差異主要表現(xiàn)在背風(fēng)面，背風(fēng)面在233.15 m間距時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)增大趨勢(shì)更明顯。兩柜體相互平行時(shí)，干擾效應(yīng)的差異主要表現(xiàn)在迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面在108 m間距時(shí)干擾效應(yīng)更加明顯。

4)實(shí)驗(yàn)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(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，規(guī)范值有較高的安全儲(chǔ)備，其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果；而在背風(fēng)面，規(guī)范值安全儲(chǔ)備不足，其絕對(duì)值要略小于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果,這一點(diǎn)要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的注意。

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(編輯胡玲)

Interference effect of mean wind pressure of gasholder

Li Zhengnong1，F(xiàn)an Tao1,Kang Jianbin2,Cheng Jie3, Wu Tao3,Xie Junjun4

(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Education, Hunan University, Changsha 410082,P.R. China;2. Changsha Branch of Huayang International Design Group, Changsha 410082,P.R. China;3. Chongqing CISDI Engineering Co, Ltd., Chongqing 401122,P.R. China;4. Hubei Architectural Design Institute, Wuhan 401122,P.R. China)

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

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.001

收稿日期：2016-01-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(91215302、51478179、51278190)

作者簡(jiǎn)介：李正農(nóng)(1962-)，男，教授，主要從事建筑及水工結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震研究,(E-mail) zhn88@263.net。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.91215302, 51478179, 51278190)

中圖分類號(hào)：TU973

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)03-0001-11

Received:2016-01-10

Author brief：Li Zhengnong(1962-), professor, main research interests: wind and earthquake resistance of construction and hydraulic structure, (E-mail)zhn88@263.net.