文/ 陳婧 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 河北石家莊 050000

高速公路收費(fèi)站結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)分析

文/ 陳婧 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 河北石家莊 050000

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中并未規(guī)定對(duì)四面開敞的曲面屋面局部體型系數(shù)，本文通過剛性模型測壓試驗(yàn)得到的體型系數(shù)，對(duì)比了平屋、凹屋面、凸屋面高速路收費(fèi)站結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律，分析了產(chǎn)生這種較大風(fēng)荷載的原因和流動(dòng)機(jī)理，給出了提高該類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的主因素并提出了兩種減小迎風(fēng)向端部風(fēng)荷載的氣動(dòng)措施，為高速路收費(fèi)站結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)選型、抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了建議。

收費(fèi)站是高速公路網(wǎng)絡(luò)管理的主要節(jié)點(diǎn)，目前收費(fèi)站結(jié)構(gòu)一般采用輕型屋面材料的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從使用功能上看，其屋蓋主要是用于遮陽擋雨。收費(fèi)站結(jié)構(gòu)的輕型屋面在強(qiáng)風(fēng)作用下易發(fā)生掀翻撕裂等損害，不僅影響結(jié)構(gòu)使用，對(duì)周邊及行車也存在潛在的安全隱患，因此收費(fèi)站結(jié)構(gòu)輕型屋面的風(fēng)荷載一直是該類圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一。

結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的外形非常敏感［1，2］，不同外形的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布規(guī)律差別很大，因此對(duì)于可能有強(qiáng)風(fēng)作用的類似結(jié)構(gòu)，選型是進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)［3］的第一步。同時(shí)對(duì)于形狀無法改變的收費(fèi)站結(jié)構(gòu)，也可以通過一定的氣動(dòng)措施來減小結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］中并未規(guī)定四面開敞的曲面屋面局部體型系數(shù)，本文選取兩個(gè)典型屋面的剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比不同類型屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布及其作用特點(diǎn)，給出收費(fèi)站結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用的一般規(guī)律，為抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供建議，同時(shí)針對(duì)不同類型的收費(fèi)站結(jié)構(gòu)提出抗風(fēng)的氣動(dòng)措施，為減小結(jié)構(gòu)發(fā)生風(fēng)致?lián)p害提供建議。

1　收費(fèi)站結(jié)構(gòu)及其風(fēng)致破壞

收費(fèi)站結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)形式多樣，形狀上看常采用平板形狀、連續(xù)凸面、連續(xù)凹面、中間平板與兩端上翹結(jié)合等，對(duì)于跨度較大的也常采用多種形狀組合。從結(jié)構(gòu)類型上看網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)屋面板的組合是最常用的結(jié)構(gòu)形式，近些年來也出現(xiàn)了很多造型美觀的索膜結(jié)構(gòu)。目前比較常用主要有平屋頂、凹屋頂和凸屋頂三種形狀見圖1，這三種類型的屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)中需考慮的主要問題為平板結(jié)構(gòu)、凹面結(jié)構(gòu)和凸面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律。

圖1 三種基本屋面形狀

在收費(fèi)站結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞的案例中，主要的破壞形式是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中屋面輔材被撕裂、掀翻。屋面材料在風(fēng)荷載較大的區(qū)域首先發(fā)生局部破壞，這種破壞造成兩個(gè)明顯的結(jié)果，第一、破壞了屋面的整體受力特性，一般使得屋面材料的抗風(fēng)性能更差，這主要是由于破壞的屋面材料增大迎風(fēng)面的同時(shí)也形成了應(yīng)力集中效應(yīng)；第二、改變了屋面的風(fēng)荷載特征，屋面的破壞使得結(jié)構(gòu)上下表面貫通，因此作用在該部分屋面上的豎向荷載消失，常常減小作用在主體結(jié)構(gòu)上的豎向風(fēng)荷載。

2　基本屋面形狀的風(fēng)荷載分布規(guī)律

本文以體型系數(shù)［4］作為描述風(fēng)荷載分布規(guī)律的基本參數(shù)，其正值表示風(fēng)荷載沿結(jié)構(gòu)表面法向向內(nèi)，負(fù)值表示風(fēng)荷載沿結(jié)構(gòu)表面法向向外。如無特殊說明，本文所述的體型系數(shù)均為考慮屋面上下表面風(fēng)壓疊加后的體型系數(shù)，正值表示結(jié)構(gòu)表面承受風(fēng)壓力，負(fù)值表示結(jié)構(gòu)表面承受風(fēng)吸力。

2.1 平屋面風(fēng)荷載分布規(guī)律

圖2為某平屋面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布。由圖2可以看出，結(jié)構(gòu)表面大部分區(qū)域的壓力為較小的正壓和負(fù)壓，其值在-0.2到0.2之間，而在結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)端產(chǎn)生了約-0.8的風(fēng)吸力，其值沿著結(jié)構(gòu)縱向的伸展迅速減小，在迎風(fēng)端形成了一個(gè)強(qiáng)風(fēng)吸力區(qū)，這是該類結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用的一般特點(diǎn)，也與類似結(jié)構(gòu)風(fēng)致屋面破壞的案例相吻合。

圖2 平屋面體型系數(shù)

2.2 凹、凸屋面風(fēng)荷載分布規(guī)律

圖3為某凹面結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)分布圖。與平屋面類似的是迎風(fēng)端產(chǎn)生的強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，但是該負(fù)壓區(qū)的風(fēng)壓值較平屋面而言更大，其局部值可以達(dá)到-2.5以上，這主要是由于迎風(fēng)端屋面上翹后，其上表面的風(fēng)荷載分布為負(fù)壓（即向上的吸力），下表面的風(fēng)荷載為正壓（即向上的推力），兩者相互疊加形成了較強(qiáng)的沿結(jié)構(gòu)表面向上的風(fēng)吸力。結(jié)構(gòu)屋面破壞主要是由于局部風(fēng)壓的這種風(fēng)吸力在結(jié)構(gòu)的邊緣以及角部很大，極其容易形成屋面材料損壞的撕裂面，這也是類似結(jié)構(gòu)屋面損壞首先發(fā)生在邊緣及角部的主要原因。

沿著順風(fēng)向進(jìn)一步向內(nèi)，結(jié)構(gòu)上表面的負(fù)壓與下表面的正壓逐漸減弱，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)負(fù)壓值減小。在結(jié)構(gòu)背風(fēng)端結(jié)構(gòu)上表面為弱正壓，下表面為弱負(fù)壓，因此產(chǎn)生如圖3所示的正壓區(qū)域。

如果不考慮地面干擾物，對(duì)于凸屋面而言，其風(fēng)荷載作用機(jī)理與凹屋面相同，只是風(fēng)荷載的作用方向與凹屋面的作用方向相反，此處不再累述。

圖3 凹屋面體型系數(shù)

2.3 風(fēng)荷載作用機(jī)理

由圖2、圖3的風(fēng)荷載分布規(guī)律可知，對(duì)于類似結(jié)構(gòu)的屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)端，該位置的風(fēng)荷載值較大，甚至是結(jié)構(gòu)中間部位的數(shù)倍。上述風(fēng)荷載分布規(guī)律主要是由于流體流過結(jié)構(gòu)表面的分離和再附造成的［5］。

圖4給出了三種類型結(jié)構(gòu)屋面流體分離、再附的示意圖。流體流過結(jié)構(gòu)表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生流體去結(jié)構(gòu)附著、分離、再附著現(xiàn)象，一般情況下流體與結(jié)構(gòu)分離時(shí)結(jié)構(gòu)表面的壓力為負(fù)壓力，流體附著在結(jié)構(gòu)表面時(shí)作用在結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓為正壓力。來流方向與結(jié)構(gòu)屋面縱向接近平行時(shí)，由于來流本身的波動(dòng)，在屋面上可能出現(xiàn)多個(gè)分離點(diǎn)與再附點(diǎn)，但由于分離形成的大區(qū)域負(fù)壓區(qū)一般只有少數(shù)幾個(gè)。

圖4 屋面流體分離、再附示意圖

由圖4可以看出，對(duì)于平屋面，其分離點(diǎn)在迎風(fēng)端，因此該端部上下表面都會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓（風(fēng)吸力），常常由于地面對(duì)及屋面下結(jié)構(gòu)對(duì)流體的約束，因此上下表面的分離是不對(duì)稱的，上部自由區(qū)域分離更強(qiáng)，整體表現(xiàn)為向上的風(fēng)吸力。凹面結(jié)構(gòu)上表面流體的分離較平面更劇烈，因此凹面結(jié)構(gòu)上表面風(fēng)吸力大，同時(shí)凹面結(jié)構(gòu)下表面迎風(fēng)端流體在一定范圍內(nèi)并未分離（分離點(diǎn)跟弧面的弧度等因素有關(guān)），因此下部表現(xiàn)為正壓，這樣上下表面風(fēng)壓的疊加增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)吸力。

3　抗風(fēng)措施

針對(duì)圖2、圖3的風(fēng)荷載分布規(guī)律及圖4的作用機(jī)理，從風(fēng)荷載的角度考慮，對(duì)類似的結(jié)構(gòu)可以有以下減小風(fēng)荷載的措施

3.1從結(jié)構(gòu)形式選擇上看平屋面的風(fēng)荷載最小，凹屋面的風(fēng)荷載最大，因此平屋面作為類似的收費(fèi)站結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)。

3.2 作用在結(jié)構(gòu)表面的最大風(fēng)吸力發(fā)生在結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)端，考慮到風(fēng)向的變化，進(jìn)行屋面設(shè)計(jì)及施工時(shí)，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)邊緣尤其角部的設(shè)計(jì)，這可以有效的防止屋面的風(fēng)致破壞。

3.3 可以通過圖5所示的方法減小結(jié)構(gòu)端部的風(fēng)荷載。其中采用通氣孔的方式可以使得結(jié)構(gòu)上下表面的空氣貫通，這樣可以有效的減小由于上下表面風(fēng)壓相互疊加造成的風(fēng)壓增大，從而非常有效的減小作用在屋面上的風(fēng)荷載；分離板主要是通過人為的制造凹面結(jié)構(gòu)下表面的流體分離位置，從而使得下表面在迎風(fēng)端產(chǎn)生負(fù)壓（向下的拉力），該壓力與上表面產(chǎn)生的負(fù)壓（向上的拉力）相互抵消，從而有效的利用壓力之間的相互抵消作用降低作用在結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。

圖5 降低端部風(fēng)荷載的氣動(dòng)措施

3.4 由于結(jié)構(gòu)底部的阻礙物會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)表面尤其是下表面的風(fēng)壓產(chǎn)生明顯的影響（見圖6）。結(jié)構(gòu)上表面迎風(fēng)端為負(fù)壓，在圖6（a），無阻塞的情況下，下表面的對(duì)應(yīng)位置為較弱負(fù)壓兩者相互抵消，使得結(jié)構(gòu)表面承受的凈風(fēng)吸力小于上表面風(fēng)吸力；圖6（b），部分阻塞的情況下，結(jié)構(gòu)上表面為負(fù)壓，由于阻塞物的影響，下表面為非常弱的負(fù)壓，兩者抵消效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)表面承受的凈風(fēng)吸力與上表面風(fēng)吸力相當(dāng)；圖6（c），完全阻塞的情況下，結(jié)構(gòu)下表面的風(fēng)壓為正壓（上向推力），與上表面風(fēng)吸力疊加，結(jié)構(gòu)表面承受的凈吸力大于上表面的風(fēng)吸力。因此屋面底部的堵塞越大，結(jié)構(gòu)表面承受的風(fēng)吸力越大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少底部的阻礙，保證屋頂與底部設(shè)施頂端有一定的距離，同時(shí)在強(qiáng)風(fēng)作用下，保證車輛順利通行避免底部堵塞。

圖6 底部阻塞的影響

結(jié)語：

本文通過剛性模型測壓試驗(yàn)得到的體型系數(shù)，對(duì)比了平屋面、凹屋面、凸屋面高速路收費(fèi)站結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律，分析了產(chǎn)生這種較大風(fēng)荷載的原因和流動(dòng)機(jī)理，給出了提高該類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的主要方面并提出了兩種減小迎風(fēng)向端部風(fēng)荷載的氣動(dòng)措施，為高速路收費(fèi)站結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)選型、抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了建議。

［1］馬文勇，劉慶寬，尉耀元.具有凹面外形的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布及風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊.2012.31（22）：34-38.

［2］馬文勇，劉慶寬，肖彬，等.三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布規(guī)律［J］.工程力學(xué).2011.28（S2）：166-170.

［3］張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程：理論規(guī)范實(shí)踐［M］.2006.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［4］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］，2012，中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部：北京.

［5］J.D. Holmes. Wind Loading of structure［M］. Second Edition ed. 2007. New York： Spon Press.

The shape factor on curved roof structure without enclosing wall is not included in the Chinese code Load Code for The Design of Building Structures. The shape factor on the expressway toll station， which are obtained by rigid model pressure test in wind tunnel， are studied，comparing with the wind load distributions on flat roof， concave roof and convex roof， the reason of strong wind load and flow mechanism are showed. The effects of wind resistant capability on the similar structures and aerodynamic measures on decreasing the wind load on windward end are proposed in this paper. The results can provide suggestions on aerodynamic selection and wind resistant design on expressway toll stations.

收費(fèi)站；風(fēng)荷載；抗風(fēng)設(shè)計(jì)；氣動(dòng)措施

Toll station； Wind load； Wind resistant design； Aerodynamic measure