高　亮， 崔　欣， 白　樺， 劉健新

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450045； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

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某大跨度波浪形屋面體型系數(shù)取值研究

高亮1， 崔欣2， 白樺3， 劉健新3

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450045； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

針對(duì)異形大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載難取值問(wèn)題，結(jié)合西安某項(xiàng)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，通過(guò)剛體模型風(fēng)壓分布特性風(fēng)洞試驗(yàn)，從分區(qū)體型系數(shù)和局部體型系數(shù)兩方面來(lái)分析波浪線形下凹曲面屋蓋的壓力分布特性及其與規(guī)范中類似屋面體型系數(shù)的差別。結(jié)果表明：①波浪線形凹面屋蓋除屋頂頂部區(qū)域外，其余均為負(fù)壓，且比規(guī)范中類似各類屋面取值均大，挑檐處及屋頂背風(fēng)區(qū)表現(xiàn)最為明顯；②波浪線形凹面屋蓋的體型系數(shù)衰減較快，屋頂背風(fēng)區(qū)衰減較慢，跟屋面各曲線段的長(zhǎng)度、曲率及其割線斜率有關(guān)；③主入口處凹形分布?jí)w的負(fù)壓系數(shù)遠(yuǎn)大于常規(guī)矩形分布?jí)w的值；④前墻開(kāi)洞后屋頂負(fù)壓明顯減小，側(cè)墻負(fù)壓亦減小，開(kāi)墻對(duì)體型系數(shù)負(fù)值影響大，而對(duì)體型系數(shù)的正值影響較小。對(duì)于一些與規(guī)范規(guī)定形狀有一定差別的異形屋面，宜采用風(fēng)洞試驗(yàn)確定其體型系數(shù)?？紤]到規(guī)范中體型系數(shù)的列表中沒(méi)有波浪線形屋面這一項(xiàng)，建議對(duì)這種屋面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

大跨異型屋面； 體型系數(shù)； 風(fēng)洞試驗(yàn)

隨著建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者開(kāi)始注重建筑結(jié)構(gòu)形式的變化和建筑的美學(xué)意義，因而公共建筑中出現(xiàn)越來(lái)越多的大跨異型屋面結(jié)構(gòu)，且這類結(jié)構(gòu)多采用輕質(zhì)材料，故其對(duì)風(fēng)作用敏感。由于流體的繞流規(guī)律與結(jié)構(gòu)形狀關(guān)系密切，故而異形屋面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載作用機(jī)理更為復(fù)雜[1]。從而導(dǎo)致大跨異型屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載沒(méi)有一定的取用標(biāo)準(zhǔn)，若按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]近似取用則不夠準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后對(duì)球面[3-4]、圓柱面[5-6]及拱形屋面[7-8]等結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)波浪線形凹面結(jié)構(gòu)[9]的風(fēng)荷載關(guān)注較少，而凹面造型輕巧美觀，在高速公路收費(fèi)站及大型標(biāo)志性建筑結(jié)構(gòu)中均有應(yīng)用，值得研究。

本文以某國(guó)際會(huì)議中心[10]為工程背景，通過(guò)剛體模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了波浪線形凹面屋蓋結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，并與規(guī)范中類似建筑體型系數(shù)對(duì)比，得到了該類屋面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和建議。

1　風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)概況

該國(guó)際會(huì)議中心的主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)149.2 m，寬70.7 m。屋蓋部分總長(zhǎng)181.8 m，寬86.4 m，橫軸方向挑檐為4.5 m，縱軸方向挑檐為9 m。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.65 kN/m2(50年)，風(fēng)荷載是其主要荷載之一。試驗(yàn)采用剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，在長(zhǎng)安大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境，試驗(yàn)主要模擬了C類紊流場(chǎng)[2]的速度和

紊流強(qiáng)度剖面，模擬效果良好。由于隨風(fēng)速變化，風(fēng)壓系數(shù)基本保持不變，試驗(yàn)風(fēng)速取13 m/s，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)模型有明顯的變形和振動(dòng)。壓力測(cè)量系統(tǒng)由PSI電子壓力掃描閥和自編的信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理軟件組成，測(cè)壓信號(hào)采樣頻率為312 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)約30 s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括各測(cè)點(diǎn)在每個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓時(shí)程信號(hào)和參考點(diǎn)處的總壓和靜壓時(shí)程信號(hào)，共記錄數(shù)據(jù)超過(guò)1億個(gè)。

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、測(cè)點(diǎn)布置及實(shí)驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傮w模型，如圖1所示。模型屋蓋部分由有機(jī)玻璃板和泡沫板制作，幾何縮尺比設(shè)置為1∶150。

圖1　建筑效果圖及試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1　Architectural renderings and test model

模型測(cè)點(diǎn)布置按照試驗(yàn)工況分為前墻打開(kāi)、前墻關(guān)閉兩種，其中雙面測(cè)壓點(diǎn)均為36對(duì)，單面測(cè)壓點(diǎn)在前墻打開(kāi)時(shí)為174個(gè)，前墻關(guān)閉時(shí)為182個(gè)。

風(fēng)向角設(shè)置為沿逆時(shí)針每間隔15°為一個(gè)工況，共進(jìn)行了24個(gè)風(fēng)向角的試驗(yàn)，合計(jì)48個(gè)工況，風(fēng)向角及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示(按實(shí)線分區(qū))，文中所述前墻為圖2中西玻璃幕墻(31區(qū)、32區(qū))。

圖2　風(fēng)向角及屋蓋測(cè)點(diǎn)平面投影分區(qū)示意圖(實(shí)心點(diǎn)為雙面測(cè)壓點(diǎn))Fig.2　Wind angle and measuring-point arrangement (shadows point for double pressure points)

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)所有風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)壓系數(shù)[11]CPmean。

同時(shí)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)，對(duì)非懸挑部分單面測(cè)壓點(diǎn)取內(nèi)壓系數(shù)ψ進(jìn)行修正，即單面測(cè)壓點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)為：

CPmean=(CPmean)test±ψ

(1)

式中，ψ=±0.2(Z/HG)2α，其中，Z為測(cè)點(diǎn)高度，HG為梯度風(fēng)高度，ψ與(CPmean)test同號(hào)。

對(duì)于雙面測(cè)壓點(diǎn)，CPmean為內(nèi)外表面的平均凈壓系數(shù)，不做內(nèi)壓修正。

結(jié)構(gòu)表面各測(cè)點(diǎn)的局部體型系數(shù)：

(2)

式中各符號(hào)意義同前。

分區(qū)體型系數(shù)為該區(qū)各測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)關(guān)于面積的加權(quán)平均。

2.2分區(qū)體型系數(shù)

由于屋蓋部分為波浪線形下凹曲面，按照屋蓋體型變化，將屋蓋首先劃分為7個(gè)區(qū)，再將此7個(gè)區(qū)按屋頂造型細(xì)分，故分區(qū)較多，共32個(gè)區(qū)，其中外墻(南側(cè)1區(qū)、北側(cè)2區(qū))、內(nèi)墻(南側(cè)3區(qū)、北側(cè)4區(qū))、西外墻(31區(qū)、32區(qū))和二樓會(huì)議室前門(24區(qū))共7個(gè)區(qū)，屋蓋平面投影分區(qū)如圖2所示。將各區(qū)中所有測(cè)點(diǎn)的局部體型系數(shù)按從屬面積進(jìn)行加權(quán)平均，得到各區(qū)的分區(qū)體型系數(shù)，并與規(guī)范體型系數(shù)進(jìn)行類比。屋面各工況分區(qū)體型系數(shù)如表1所示。

表1　屋面代表性區(qū)域0°及180°風(fēng)向角時(shí)分區(qū)體型系數(shù)

與規(guī)范風(fēng)荷載體型系數(shù)計(jì)算封閉式帶雨篷的雙坡屋面(如圖3所示)及封閉式拱形屋面(如圖4所示)相比，可見(jiàn)：①西區(qū)挑檐(5區(qū))和東區(qū)挑檐(12區(qū))處于迎風(fēng)區(qū)時(shí)均為負(fù)壓，且西區(qū)的壓力值較東區(qū)的大，并在前墻開(kāi)、閉兩種工況下的壓力系數(shù)均大于規(guī)范的1.4；②東、西區(qū)挑檐處于尾流區(qū)時(shí)亦均為負(fù)壓，且在前墻開(kāi)、閉兩種工況下的壓力系數(shù)均大于規(guī)范的0.3；③屋面體型系數(shù)除17區(qū)屋頂部分外，其余均為負(fù)壓，最大負(fù)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)挑檐和屋頂背風(fēng)側(cè)，下凹曲面形屋蓋的風(fēng)壓分布具有典型性；④前墻開(kāi)洞能顯著降低屋蓋負(fù)壓值。

屋頂幕墻各工況體型系數(shù)如圖5所示。由圖5可知：①除接近屋脊區(qū)域的29區(qū)、30區(qū)在部分風(fēng)向角時(shí)受到正壓外，其余區(qū)域在所有風(fēng)向角下都受到負(fù)壓，且壓力較大；②29區(qū)和30區(qū)關(guān)于結(jié)構(gòu)縱軸對(duì)稱，而體型系數(shù)卻出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性質(zhì)，主要由于結(jié)構(gòu)北側(cè)的高層建筑的影響；③屋頂?shù)撞?5區(qū)～28區(qū)南北側(cè)幕墻體型系數(shù)表現(xiàn)出比較好的對(duì)稱性，說(shuō)明北側(cè)高層對(duì)其影響較??；④前墻開(kāi)洞能顯著降低屋頂幕墻負(fù)壓值。

圖3　封閉式帶雨篷的雙坡屋面Fig.3　Enclosed structure with the dual slope roof

圖4　封閉式拱形屋面Fig.4　Enclosed structure with the vaulted roof

圖5　屋頂幕墻各工況體型系數(shù)Fig.5　Shape coefficient of roof curtain wall in various working conditions

主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)墻為玻璃幕墻，西側(cè)主入口處側(cè)墻具體分布如圖6所示。

圖6　西側(cè)主入口處幕墻分布及分區(qū)示意Fig.6　Distribution and partition of curtain wall

西側(cè)幕墻(31區(qū)、32區(qū))所占整面墻體面積不到50%，其余部分縮進(jìn)至二樓會(huì)議室門前(24區(qū))，故而主入口處的幕墻開(kāi)孔狀況對(duì)該區(qū)域的流場(chǎng)分布及結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性的影響不容忽略。側(cè)墻區(qū)域的體型系數(shù)如表2所示。

由表2可知：①0°風(fēng)向角時(shí)，即主入口處于迎風(fēng)口時(shí)，開(kāi)墻后1區(qū)、2區(qū)負(fù)壓減小， 3區(qū)、4區(qū)、24區(qū)負(fù)壓減小，正壓增大；②南北內(nèi)、外側(cè)墻的體型系數(shù)均大于規(guī)范(建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009—2012中表8.3.1中第2項(xiàng))的建議取值(-0.7)，且西側(cè)幕墻處于尾流區(qū)時(shí)約為規(guī)范值-0.5的200%；③開(kāi)墻對(duì)體型系數(shù)負(fù)值影響大，而對(duì)體型系數(shù)的正值影響較小。

表2　側(cè)墻區(qū)域0°及180°風(fēng)向角時(shí)分區(qū)體型系數(shù)

2.3局部體型系數(shù)

采用2.1節(jié)所述方法算出各測(cè)點(diǎn)的局部體型系數(shù)μs。通過(guò)分析μs可得到更為具體的壓力分布及變化規(guī)律。選擇屋蓋中軸線測(cè)點(diǎn)分別在0°和180°風(fēng)向角下的局部體型系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖7)。

與規(guī)范帶雨篷的雙坡屋面(如圖3所示)相比，在0°風(fēng)向角下，①屋面除屋頂迎風(fēng)區(qū)(17區(qū)頂部)外均為負(fù)壓，且負(fù)壓明顯比規(guī)范值大；②迎風(fēng)面和背風(fēng)面挑檐均為負(fù)壓，且迎風(fēng)區(qū)(5區(qū))大于背風(fēng)區(qū)(12區(qū))，并遠(yuǎn)大于規(guī)范-0.3；③每一片下凹曲面的壓力分布(5～7區(qū))均為順著流場(chǎng)方向壓力逐漸減弱，第二片靠近與前一片結(jié)合處壓力增強(qiáng)，但不會(huì)大于第一片的前部；④屋頂背風(fēng)區(qū)(18區(qū)、21區(qū)、12區(qū))壓力衰減較慢，與屋面各曲線段的長(zhǎng)度、曲率及其割線斜率有關(guān)。在180°風(fēng)向角下，①屋面除屋頂尾流區(qū)(6區(qū)～8區(qū))外均為負(fù)壓，且負(fù)壓明顯比規(guī)范值大；②尾流區(qū)挑檐壓力接近0，比規(guī)范-0.3壓力??；③迎風(fēng)面挑檐為負(fù)壓，絕對(duì)值大于規(guī)范值1.4，但與0°風(fēng)向角時(shí)迎風(fēng)面挑檐壓力相比要小近30%，主要與挑檐長(zhǎng)度有關(guān)。與規(guī)范封閉式拱形屋面(如圖4所示)相比，下凹曲面屋蓋表面壓力(5區(qū)～7區(qū))全為負(fù)壓，迎風(fēng)區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)正壓，且負(fù)壓值較大。

圖7　屋蓋中軸線測(cè)點(diǎn)局部體型系數(shù)Fig.7　Local shape coefficients of central axis measuring point of the roof

與規(guī)范封閉鋸齒形屋面(圖8)類比，波浪線形下凹面屋蓋的體型系數(shù)衰減較快，但整體壓力值較大。與規(guī)范封閉復(fù)雜多跨屋面(圖9)類比，波浪線形下凹面屋蓋的體型系數(shù)整體風(fēng)吸力較大，尤其是靠近屋脊的背風(fēng)側(cè)。

圖7中同時(shí)給出了各區(qū)在前墻開(kāi)、閉工況及各風(fēng)向角下的極值分區(qū)體型系數(shù)(圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)值)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接用大區(qū)的體型系數(shù)并不能完全包住最不利情況，如第5區(qū)挑檐邊緣部和第6區(qū)凹面頂部靠挑檐區(qū)域；在有些區(qū)域按極值分區(qū)體型系數(shù)取值又太大，如180°風(fēng)向角下的第7區(qū)和0°風(fēng)向角下的第17區(qū)；故建議按照各風(fēng)向角下的分區(qū)體型系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算。

圖8　封閉式鋸齒形屋面Fig.8　Enclosed structure with the zigzag roof

圖9　封閉式復(fù)雜多跨屋面Fig.9　Enclosed structure with the complex multispan roof

3　結(jié)　語(yǔ)

1) 波浪線形凹面屋蓋除屋頂頂部區(qū)域外，其余均為負(fù)壓，且比規(guī)范中類似各類屋面取值均大，挑檐處及屋頂背風(fēng)區(qū)表現(xiàn)最為明顯；

2) 波浪線形凹面屋蓋的體型系數(shù)衰減較快，屋頂背風(fēng)區(qū)衰減較慢，與屋面各曲線段的長(zhǎng)度、曲率及其割線斜率有關(guān)；

3) 主入口處凹形分布?jí)w的負(fù)壓系數(shù)遠(yuǎn)大于常規(guī)矩形分布?jí)w的值；

4) 前墻開(kāi)洞后屋頂負(fù)壓明顯減小，側(cè)墻負(fù)壓亦減小，開(kāi)墻對(duì)體型系數(shù)負(fù)值影響大，而對(duì)體型系數(shù)的正值影響較小。

對(duì)于一些與規(guī)范中規(guī)定形狀有一定差別的異形屋面，宜采用風(fēng)洞試驗(yàn)確定其體型系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載?？紤]到規(guī)范中體型系數(shù)的列表中沒(méi)有波浪線形屋面這一項(xiàng)，建議對(duì)這種屋面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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(責(zé)任編輯王衛(wèi)勛)

Analogical researchon shape coefficient of the abnormal roofing structure with the standard

GAO Liang1， CUI Xin2， BAI Hua3， LIU Jianxin3

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2.School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 3.Highway Institute, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to ensure wind resistance safety of a long-span roof structure, wind tunnel tests on wind pressure distribution are conducted to analyze the shape coefficient when the internal pressure is changed with or without the wall. The result from the test is compared with the values of the related items in the “l(fā)oad code for the design of building structures” (GB 50009 — 2012). Results show that: First, the shape coefficients of wave linear concave roof in addition to the roof top are all negative, they are larger than the standard values of the similar kinds of roofing, and the roof overhangs and the leeward roof area are the most obvious; second, wave linear concave roof shape coefficient decays fast, but the slower attenuation of the leeward roof area and the velocity decay is connected with the length of each curve segment, the curvature and its secant slope; third, the side walls at the main entrance with the concave distribution have a larger negative pressure coefficient than that with the conventional rectangular distribution, fourth, the roof pressure significantly decreases after open hole at the front wall, with side wall pressure decreasing, and the influence of open wall on the negative coefficient is great, and that on the positive coefficient is small; finally, tests results not only provide the reliable guidance for wind-resistant design, but also offer several amendments to the shape coefficient.

alien roofing structure; shape coefficient; wind tunnel test

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.013

2016-01-07

西安市建設(shè)科技資助項(xiàng)目(SJW2014012)；西安理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(118211407)；西安理工大學(xué)科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015cx017)

高亮，女，博士，講師，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)及制振。E-mail:156820773@qq.com

TU317

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1006-4710(2016)03-0328-05