李正農(nóng)，陳 策

( 湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082)

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不同外部平臺寬度對大跨建筑屋蓋風荷載的影響

李正農(nóng)?，陳 策

( 湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082)

為了研究外部平臺寬度對大跨屋蓋風荷載的影響，在B類地貌中對無平臺和5個典型平臺寬度下的剛性模型進行風洞測壓試驗，得到了各工況下的屋蓋表面平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù).研究表明：外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的平均風荷載.隨著平臺寬度的增大，屋蓋的平均風荷載先增大后減小.平臺寬度12 m時最不利，其最大增幅達到33%.平臺寬度20 m時增幅達到20%；外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的脈動風荷載，平臺寬度12 m時最不利，其增幅達到11%.平臺寬度20 m時，增幅為8%，其余平臺寬度下的增幅基本在5%以內(nèi).屋蓋背風面邊緣的脈動風荷載隨著平臺寬度的增加而減小，平臺寬度20 m時可達19%.

大跨建筑；外部平臺；剛性模型；脈動風荷載；風洞試驗

隨著社會經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，大跨結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于展覽館、體育館和機場候機廳等大型公共建筑.這些大跨結(jié)構(gòu)大都具有自重輕、柔度大、自振頻率低的特點, 風荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載.

在以往的研究當中，文獻[1-3]對某些具有特定外形的屋面進行了研究，分析了屋面幾何形狀對屋面風壓分布的影響.文獻[4-6]對大跨建筑的懸挑結(jié)構(gòu)這一特殊結(jié)構(gòu)形式進行了風荷載研究，得到了一些有意義的結(jié)論.文獻[7]分析了周邊建筑對大跨屋蓋風荷載的干擾效應(yīng).文獻[8]應(yīng)用風洞模擬方法研究了透風性女兒墻對尖屋頂風荷載的影響，得出了各種透風性女兒墻都能不同程度地降低尖屋頂?shù)钠骄L壓和負壓峰值的結(jié)論.文獻[9]采用有限元時程分析方法對大跨網(wǎng)架進行了動力計算，探討了立墻開孔對屋蓋風振響應(yīng)的影響，結(jié)果表明墻面開孔會大幅增加屋蓋的靜動力風荷載.文獻[10]則通過對一個開合屋蓋體育場的剛性模型進行風洞試驗研究，結(jié)果表明活動屋蓋的開啟，可有效減小固定屋蓋和活動屋蓋的平均風荷載.文獻[11]對7種長寬比矩形截面高層建筑的風荷載進行研究，對比分析了不同情況下高層建筑的層體型系數(shù)與建筑長寬比的相關(guān)規(guī)律．文獻[12-13]通過風洞測壓實驗，研究了風場類型及周邊干擾對高層建筑風荷載的影響，研究結(jié)果表明：周邊干擾對高層建筑風荷載的影響不僅與周邊建筑的相對位置有關(guān)，還與建筑所處的風場類型有關(guān)．

近幾年來，外部平臺被越來越多地采用到大跨建筑設(shè)計中，它具有聯(lián)系各主要場館、人員分流疏散，和良好的建筑景觀效果等優(yōu)點.外部平臺對于大跨建筑屋蓋風荷載影響如何，以往的研究還鮮有這個方面的結(jié)論.本文以設(shè)置外部平臺的大跨體育館為研究對象，研究外部平臺的寬度對于屋蓋平均風壓系數(shù)、脈動風壓系數(shù)的影響，取得了一些有工程參考意義的成果.

1 風洞試驗簡介

1.1 試驗概況

大跨建筑最大高度30 m，屋蓋平面投影近視為圓形，直徑136 m.外部平臺為圓環(huán)形，設(shè)置在體育館外部6 m高度處(體育館二層樓面高度)，平臺由立柱支撐.平臺寬度選取4 m,8 m,12 m,16 m，20 m 5個典型寬度.試驗?zāi)Ｐ桶凑?∶200的縮尺比制作，風洞試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示.在模型的屋蓋表面共布置133個測點，具體測點布置見圖2.定義正西方向來流為0°風向角.由于大跨建筑的對稱性，本文僅對0°風向角進行分析.

1.2 風場模擬

試驗在湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室HD-3風洞進行.HD-3風洞為閉口回流式風洞，模型試驗區(qū)橫截面寬3 m，高2.5 m，轉(zhuǎn)盤直徑1.8 m.地貌類型按照B類地貌考慮，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009 2012)取糙度系數(shù)α=0.15，幾何縮尺比為1∶200，試驗風速為10 m/s.B類地貌的風剖面和湍流度剖面，如圖3所示.

圖1 風洞試驗?zāi)Ｐ蛨DFig.1 The wind tunnel test model

(a) 測點布置俯視圖

(b)測點布置剖面圖圖2 風洞試驗測點布置Fig.2 The measuring point arrangement

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

在結(jié)構(gòu)風工程中，物體表面的壓力通常用對應(yīng)于參考點的無量綱壓力系數(shù)表示，測點的凈風壓系數(shù)CPi(t)：

(1)

風速U/(m·s-1)圖3 B類風場風剖面及湍流度Fig.3 The wind profile and turbulence intensity of terrain category B

對于每個測點，均記錄了10 000個Pi的數(shù)據(jù).通過對CPi(t)的分析，可得到各測點的平均風壓系數(shù)CPi,mean和脈動風壓系數(shù)CPi,rms.

(2)

(3)

2 平均風壓和脈動風壓特性

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，僅在0°風向角下取屋蓋半結(jié)構(gòu)進行分析.為了更好地研究外部平臺寬度對大跨屋蓋風壓的影響，本文選取了屋蓋邊緣的測點F層，中部測點D層，中部測點B層的風壓系數(shù)進行分析.由于屋蓋邊緣的特殊構(gòu)造形式，本文對F層測點的奇數(shù)偶數(shù)測點分開研究.

2.1 平均風壓系數(shù)

圖4為無平臺和3種平臺寬度下屋蓋F，D和B層測點的平均風壓系數(shù).表1給出了無平臺和5種平臺寬度下局部測點的平均風壓系數(shù).由圖4和表1可知：

1) B層和D層測點的平均風壓系數(shù)分別在-0.25～ -0.3，-0.3～ -0.4范圍內(nèi)，相對于F層測點的更為平穩(wěn).有外部平臺時，B層和D層測點的平均風壓系數(shù)絕對值有一定的增大，增幅基本處于10%以內(nèi).

2)0°風向角作用下，F(xiàn)1～F18測點位于迎風面，平均風壓系數(shù)為負.由于屋蓋邊緣特殊的凹凸起伏構(gòu)造，F(xiàn)1～F17奇數(shù)測點和F2～F18偶數(shù)測點的平均風壓系數(shù)分布規(guī)律不一致.F1～F17奇數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值在F1點最大，隨著氣流流動的方向逐漸減??；F2～F18偶數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值在F10點突變到最大值.

表1 不同平臺寬度下幾個測點的平均風壓系數(shù)Tab.1 Mean wind pressure coefficient of several measuring points with different width of platform

就平臺而言，F(xiàn)1～F17奇數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值隨著平臺寬度的增加先增大后減小，平臺寬度12 m時增幅最大，達到33%，平臺寬度20 m時增幅為20%；F2～F18偶數(shù)測點僅在F2～F8測點處滿足平均風壓系數(shù)絕對值隨平臺寬度增加先增后減的規(guī)律，但在F10測點的平均風壓系數(shù)絕對值不僅沒有增大，而且在平臺寬度4 m時有7%的減小.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是外部平臺使得來流向建筑物頂面的繞流增強，氣流在屋蓋迎風面邊緣的流體分離加劇.同時，屋蓋邊緣的凹凸起伏造型對氣流的運動也產(chǎn)生顯著影響.

圖4 不同平臺寬度下屋蓋平均風壓系數(shù)對比Fig.4 Changes of mean wind pressure coefficient with different width of platform

3)0°風向角作用下，F(xiàn)19～F36測點位于背風面.F20～F36偶數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值隨著氣流流動的方向逐漸減??；F19～F35奇數(shù)測點的變化趨勢卻相反.

就平臺而言，奇數(shù)測點在F19～F23處的平均風壓系數(shù)絕對值不同程度的增大，平臺寬度12 m時增幅最大，達到29%，平臺寬度20 m時增幅為24%；F29～F35測點處的平均風壓系數(shù)絕對值在不同寬度平臺時有增大也有減小，但增減的幅度均在10%以內(nèi).偶數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值不同程度地減小了.隨著平臺寬度的增加，偶數(shù)測點的平均風壓系數(shù)絕對值先減小后增大，平臺寬度12 m時減幅最大，達到19%，平臺寬度20 m時減幅為15%；產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是外部平臺使得建筑物背后的回旋尾流沿建筑物表面向上的流動受到阻礙，氣流在屋蓋背風面邊緣的流體分離減弱.同時，屋蓋邊緣的凹凸起伏造型對氣流的運動產(chǎn)生顯著影響.

從總體上看，外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的平均風荷載.隨著平臺寬度的增大，屋蓋的平均風荷載先增大后減小.平臺寬度12 m時最不利，其最大增幅達到33%.平臺寬度20 m時為20%.

2.2 脈動風壓系數(shù)

圖5為無平臺和3種平臺寬度下屋蓋F，D和B層測點的脈動風壓系數(shù).表2給出了無平臺和5種平臺寬度下局部測點的脈動風壓系數(shù).由圖5和表2可知：

1)B層和D層測點的脈動風壓系數(shù)基本處于0.08～0.10范圍內(nèi)，相對平穩(wěn).有外部平臺時，測點的平均風壓系數(shù)絕對值不同程度地增大了.平臺寬度12 m時增大最明顯，增幅約10%.

表2 不同平臺寬度下幾個測點的脈動風壓系數(shù)Tab.2 Fluctuating wind pressure coefficient of several measuring points with different width of platform

圖5 不同平臺寬度下屋蓋脈動風壓系數(shù)對比Fig.5 Changes of fluctuating wind pressure coefficient with different width of platform

2)0°風向角作用下，F(xiàn)1～F18測點位于迎風面.奇數(shù)測點在F7～F17的脈動風壓系數(shù)較大，在靠近來流的F1～F5反而比較小，這與平均風壓的分布規(guī)律不一致.偶數(shù)測點的脈動風壓分布規(guī)律與平均風壓的分布規(guī)律較一致，脈動風壓系數(shù)最大值和平均風壓系數(shù)絕對值最大值出現(xiàn)位置相同.造成這種現(xiàn)象的主要原因是屋蓋邊緣特殊的凹凸起伏構(gòu)造.

2)0°風向角作用下，F(xiàn)1～F18測點位于迎風面.奇數(shù)測點在F7～F17的脈動風壓系數(shù)較大，在靠近來流的F1～F5反而比較小，這與平均風壓的分布規(guī)律不一致.偶數(shù)測點的脈動風壓分布規(guī)律與平均風壓的分布規(guī)律較一致，脈動風壓系數(shù)最大值和平均風壓系數(shù)絕對值最大值出現(xiàn)位置相同.造成這種現(xiàn)象的主要原因是屋蓋邊緣特殊的凹凸起伏構(gòu)造.

就平臺而言，平臺寬度12 m時，奇數(shù)測點F1～F13的脈動風壓系數(shù)絕對值明顯增大，最大增幅為10%，偶數(shù)測點僅在F2～F8處的脈動風壓系數(shù)絕對值增大，最大增幅為9%.其余平臺寬度對于脈動風壓系數(shù)的影響基本在5%以內(nèi).

3)0°風向角作用下，F(xiàn)19～F36測點位于背風面.F22～F36的奇數(shù)測點和偶數(shù)測點的脈動風壓系數(shù)變化趨勢較為一致，它們在數(shù)值上也比較接近，均在來流方向上逐漸減小.

外部平臺對于奇偶測點脈動風壓的影響相同.有外部平臺時，F(xiàn)22～F36測點的脈動風壓系數(shù)絕對值不同程度地減小.其減幅隨著平臺寬度的增加而增加.平臺寬度4 m時減幅最小，為7%；平臺寬度20 m時減幅最大，達到19%.

從總體上看，外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的脈動風荷載，平臺寬度12 m時最不利，其增幅達到11%.平臺寬度20 m時，增幅為8%，其余平臺寬度下的增幅基本在5%以內(nèi).屋蓋背風面邊緣的脈動風荷載隨著平臺寬度的增加而減小，平臺寬度20 m時可達19%.

3 結(jié) 論

本文詳細研究了0°風向角下，不同寬度的外部平臺對于大跨建筑屋蓋平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

1) 外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的平均風荷載.隨著平臺寬度的增大，屋蓋的平均風荷載先增大后減小.平臺寬度12 m時最不利，其最大增幅達到33%.平臺寬度20 m時為20%.

2) 外部平臺增大了大跨結(jié)構(gòu)屋蓋的脈動風荷載，平臺寬度12 m時最不利，其增幅達到11%.平臺寬度20 m時，增幅為8%，其余平臺寬度下的增幅基本在5%以內(nèi).屋蓋背風面邊緣的脈動風荷載隨著平臺寬度的增加而減小，平臺寬度20 m時可達19%.

3) 近幾年來，外部平臺被越來越多地采用到大跨建筑設(shè)計中，相對于無平臺的大跨建筑而言，有平臺大跨屋蓋局部位置所承受的平均風荷載和脈動風荷載有顯著增強，這對于結(jié)構(gòu)是不利的，應(yīng)當引起設(shè)計人員的注意.

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Influence of Various External Platform Widths on Wind Loads of Large-span Buildings

LI Zheng-nong?，CHEN Ce

(Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

In order to study the influence of external platform width on wind loads of large-span buildings, wind tunnel tests of six rigid models with various platform widths were carried out. In particular, the characteristics of mean wind pressure coefficient and fluctuating wind pressure coefficient were studied. The test results show that the enlargement of platform widths increases the mean wind loads. The mean wind loads change from small to large and to small again with the increase of platform width. The most unfavorable situation occurs when the platform width is 12 meters, and its growth rate reaches 33%, while its growth rate is 20% when the platform width is 20 meters. Meanwhile, the increase of platform widths increases the fluctuating wind loads. The most unfavorable situation takes place when the platform width is 12 meters, and its growth rate reaches 11%, while its growth rate is 8% when the platform width is 20 meters, and the rate is lower than 5% in other cases. The fluctuating wind loads on the leeward side decrease when the width of platform increases. The maximum decrease reaches 7% when the platform width is 20 meters.

large-span buildings; platform; rigid model; fluctuating wind loads; wind tunnel test

1674-2974(2016)11-0001-06

2015-11-28

國家自然科學基金資助項目(51278190, 51178180, 51478179)，National Natural Science Foundation of China(51278190, 51178180, 51478179)

李正農(nóng)(1962-)，男，湖北武漢人，湖南大學教授，博士生導師?通訊聯(lián)系人，E-mail:zhn88@263.net

TU973

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