蘇 寧，彭士濤，洪寧寧

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

近年來港口煤炭礦石堆場環(huán)保要求不斷提升，露天堆場存儲方式工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]式料倉儲存，以降低對大氣環(huán)境的污染。大跨度煤棚是港口封閉式料倉儲存的主要方式之一，大跨度煤棚屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載的確定是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。為滿足環(huán)保要求，傳統(tǒng)煤棚的山墻多采用彩鋼板封閉以抑制粉塵逸散，但不利于通風(fēng)及消防。開敞或半開敞煤棚能夠保證空氣流通，但在一定程度上犧牲了抑塵效果。采用疏透網(wǎng)板(防風(fēng)抑塵網(wǎng))作為山墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠較大程度上兼顧煤棚的抑塵和通風(fēng)，是一種較為理想的煤棚建設(shè)形式[2]。

國內(nèi)近年來開展了大量針對大跨度煤棚風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng)的研究，李元齊等[3-4]、張超東[5]、王科[6]、李玉學(xué)等[7]、Natalini等[8]分別通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同幾何形狀(矢跨比、高跨比、長寬比)和來流地貌下圓柱面屋蓋的風(fēng)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)及頻譜特性。張雷[9]、馬文勇等[10-11]、孫一飛等[12]、李玉學(xué)等[13]、馮鶴等[14]分別研究了長寬比、端部開敞形式、局部開口等因素對三心圓柱面煤棚脈動風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)的影響，為主體結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載和圍護(hù)結(jié)構(gòu)非高斯極值風(fēng)荷載的確定提供了依據(jù)。黃鵬等[15]、王策等[16]、陳琳琳等[17]分別研究了煤堆以及周邊建筑氣動干擾等因素對煤棚體型系數(shù)的影響。楊林[18]和蘇寧等在大量風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載進(jìn)行預(yù)測。然而，上述研究中的煤棚端部山墻均為傳統(tǒng)的封閉、半封閉及開敞形式，端部采用疏透網(wǎng)板煤棚的風(fēng)荷載特性未見研究。

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了端部采用疏透網(wǎng)板的大跨度煤棚風(fēng)荷載特性，通過對比端部封閉、開敞情況下的風(fēng)荷載特性，重點(diǎn)分析了端部疏透率對煤棚整體風(fēng)力系數(shù)、風(fēng)壓體型系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)的影響。由于港口堆場一般為并列布置(兩煤棚間距僅為消防間距，不超過煤棚跨度的1/10)，雙煤棚為常見的建筑布局形式，本文還探討了相鄰煤棚對氣動風(fēng)荷載的干擾特性。最后總結(jié)形成疏透山墻煤棚的分區(qū)體型系數(shù)及分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文研究對象為并列布置的三心圓柱面煤棚，每個(gè)煤棚的縱(y)向長度為264 mm，跨度(x向)為138 m，煤棚矢高(z向)為45 m，結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置3 m高天窗，兩并列布置煤棚之間設(shè)置10 m消防間距。山墻考慮為全封閉、疏透率φ=10%，φ=30%，φ=60%防風(fēng)網(wǎng)及全開敞形式，如圖1(a)和圖1(b)所示。模型采用ABS板材按1∶200縮尺比制作，測點(diǎn)布置、坐標(biāo)方向及風(fēng)向示意圖，如圖1(c)所示。其中，外表面布置302個(gè)測點(diǎn)(圖1(c)中的方形實(shí)心點(diǎn)■)、內(nèi)表面布置214個(gè)測點(diǎn)(圖1(c)中的圓形形空心點(diǎn)○)，共計(jì)516個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)由1.5 m長PVC測壓管與壓力掃描閥連接，對煤棚內(nèi)外表面壓力進(jìn)行同步測試。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

1.2 風(fēng)場模擬

風(fēng)洞試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所大氣邊界層風(fēng)洞中完成，該風(fēng)洞為單試驗(yàn)段直流正壓風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為4.4 m(寬)×2.5 m(高)×15 m(長)。該風(fēng)洞由一400 kW直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動，最大風(fēng)速可達(dá)30 m/s。

風(fēng)洞試驗(yàn)采用尖劈和粗糙元對GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的A類地貌進(jìn)行模擬，測壓試驗(yàn)前，采用三維脈動風(fēng)速儀對模型處的平均風(fēng)速及湍流度剖面進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。圖中，z為高度，Uz為高度z處的平均風(fēng)速，Uz0為高度z0(=1 m)處的平均風(fēng)速，Iz為高度z處的湍流強(qiáng)度。

圖2 試驗(yàn)平均風(fēng)速及湍流度剖面

1.3 測試工況

將測試模型固定在風(fēng)洞試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤中央，采用風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤調(diào)整風(fēng)向，考慮對稱性，風(fēng)向角取為0°～180°，每隔10°，共計(jì)19個(gè)風(fēng)向如圖1(b)所示。采用電子壓力掃描閥對煤棚內(nèi)外表面測壓點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)壓測試，在來流上游屋蓋高度H處采用三維脈動風(fēng)速儀對參考風(fēng)速UH進(jìn)行測試，試驗(yàn)風(fēng)速取為UH=15 m/s。風(fēng)速比假設(shè)為1∶2，根據(jù)斯托羅哈相似準(zhǔn)則，頻率比為100∶1，時(shí)間比為1∶100。試驗(yàn)采樣頻率為fs= 330 Hz，采樣時(shí)長Ts=60 s，對應(yīng)于原型尺度10個(gè)10 min樣本。對五種山墻形式(全封閉、φ=10%，φ=30%，φ=60%、全開敞)的單煤棚和雙煤棚進(jìn)行測壓試驗(yàn)，共計(jì)試驗(yàn)工況10組，采集10 min風(fēng)壓樣本1 900個(gè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

首先利用管路系統(tǒng)傳遞函數(shù)對壓力時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，然后將模型內(nèi)、外表面壓力數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)(圖1(b))下，得到位置j(j=1,2,…,516)在時(shí)刻tk=k/fs(k=1,2,…,N，N=fsTs=19 800)的內(nèi)、外表面風(fēng)壓Pij(tk)和Poj(tk)，由式(1)計(jì)算凈風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程Cpnj(tk)

(1)

(2)

式中，μzj為位置j處的風(fēng)荷載體型系數(shù)。

為比較不同工況下的煤棚整體受力情況，定義i軸的體軸風(fēng)力系數(shù)CFi(i=x,y,z)，如式(3)所示。

(3)

式中:Aj為位置j的附屬面積；φj為位置j處的疏透率；cosγji為位置j在i軸的方向余弦；Ai為煤棚在i軸的投影面積；CFx，CFy，CFz分別為山墻阻力系數(shù)、屋蓋阻力系數(shù)和屋蓋升力系數(shù)。

對于極值風(fēng)壓系數(shù)，本文采用多樣本最值取平均值的方法，取10個(gè)10 min樣本最大(小)凈風(fēng)壓系數(shù)的平均值，作為極大(小)值風(fēng)壓系數(shù)。全風(fēng)向下的極值風(fēng)壓系數(shù)包絡(luò)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 整體風(fēng)力系數(shù)變化規(guī)律

所有工況煤棚整體力系數(shù)隨風(fēng)向的變化，如圖3所示。圖中的風(fēng)向示意見圖1(b)，其中單煤棚由于對稱性，風(fēng)荷載隨風(fēng)向分布沿90°風(fēng)向?qū)ΨQ，在考慮干擾效應(yīng)的情況下，當(dāng)風(fēng)向?yàn)?°～90°時(shí)，測試煤棚處于干擾煤棚的下游；當(dāng)風(fēng)向?yàn)?0°～180°時(shí)，測試煤棚處于干擾煤棚的上游。

由圖3(a)可以看出，山墻阻力系數(shù)總體隨疏透率增大而減小。對于單煤棚而言，當(dāng)山墻疏透率小于30%時(shí)，山墻整體受力的最不利風(fēng)向一般為90°±20°的斜風(fēng)向，而當(dāng)山墻疏透率大于30%時(shí)，山墻最不利風(fēng)向趨于90°正面迎風(fēng)的情況。并列布置煤棚的干擾會使上游煤棚的山墻阻力系數(shù)增大，該增大效應(yīng)隨著山墻疏透率減小而增大，最不利風(fēng)向變?yōu)?10°～120°。

由圖3(b)可以看出，山墻開敞時(shí)屋蓋阻力系數(shù)顯著大于其他工況，山墻疏透率的影響較小。對于單煤棚而言，風(fēng)力沿風(fēng)向具有對稱性，最不利風(fēng)向一般為30°～40°(140°～150°)?？紤]并列布置煤棚的干擾效應(yīng)，屋蓋阻力系數(shù)有所降低，最不利工況出一般現(xiàn)在40°斜風(fēng)向的下游煤棚。

由圖3(c)可以看出，山墻封閉時(shí)煤棚最不利升力系數(shù)大于其他工況，山墻疏透率對屋蓋升力系數(shù)的影響較為復(fù)雜，但當(dāng)山墻不完全封閉時(shí)，其隨風(fēng)向的變化趨勢具有一定相似性。單體煤棚屋蓋升力的最不利風(fēng)向一般為30°～40°?？紤]并列布置煤棚的干擾效應(yīng)，屋蓋升力的最不利值略有降低：當(dāng)山墻封閉時(shí)，最不利工況為上游屋蓋縱邊迎風(fēng)(180°)和斜風(fēng)向(30°)下的下游屋蓋；當(dāng)山墻不完全封閉時(shí)，下游屋蓋斜風(fēng)向(50°～70°)工況最為不利。

圖3 煤棚整體力系數(shù)

2.2 體型系數(shù)變化規(guī)律

典型風(fēng)向(0°，40°，90°)下單煤棚的體型系數(shù)分布圖，如圖4所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屋蓋縱邊正面迎風(fēng)時(shí)(0°風(fēng)向)，隨著山墻疏透率增大，屋蓋迎風(fēng)區(qū)壓力體型系數(shù)由0.5增大到1.0以上，屋蓋頂部及天窗風(fēng)吸力體型系數(shù)絕對值降低30%以上，這是由于疏透山墻有利于煤棚內(nèi)外的氣流交換，在屋蓋內(nèi)表面形成負(fù)壓所致。山墻封閉時(shí)，其前緣由于氣流分離產(chǎn)生較大的吸力，該現(xiàn)象隨著山墻疏透率增大而迅速減弱。

圖4 單煤棚體型系數(shù)

在斜風(fēng)向下(以40°風(fēng)向?yàn)槔?，屋蓋迎風(fēng)短邊的跨中處受到氣流分離產(chǎn)生的錐形渦影響，產(chǎn)生較大的吸力，該吸力體型系數(shù)隨著山墻的通風(fēng)而減弱，完全開敞時(shí)減幅可達(dá)30%以上。下游山墻的風(fēng)吸力，隨疏透率增大而減小，當(dāng)山墻完全開敞時(shí)，伴隨氣流流出，屋蓋尾部背風(fēng)處出現(xiàn)較大吸力，體型系數(shù)可達(dá)-1.0。山墻正面迎風(fēng)時(shí)(90°風(fēng)向)，迎風(fēng)邊由于氣流分離產(chǎn)生的風(fēng)吸力體型系數(shù)隨著山墻疏透率增大而減小，完全開敞時(shí)減幅約50%。隨著山墻疏透率增大，氣流從下游山墻流出量增加，下游山墻風(fēng)吸力體型系數(shù)略有增加，屋蓋尾部風(fēng)吸力體型系數(shù)絕對值增大，完全開敞時(shí)可達(dá)-0.6以上。

并列布置雙煤棚體型系數(shù)分布圖，如圖5所示。圖中將待測煤棚處于上游的工況(90°～180°)試驗(yàn)結(jié)果對稱到其處于上游的工況(0°～90°)，以直觀反應(yīng)雙煤棚的風(fēng)荷載分布情況。由圖可以發(fā)現(xiàn)，上游屋蓋迎風(fēng)處體型系數(shù)分布與單煤棚較為接近，兩屋蓋相鄰位置處的體型系數(shù)受相鄰煤棚干擾影響顯著。屋蓋長邊迎風(fēng)時(shí)(0°風(fēng)向)，由于上游屋蓋的遮蔽效應(yīng)，兩屋蓋相鄰處體型系數(shù)絕對值較單煤棚降低約10%，下游屋蓋迎風(fēng)處正壓顯著降低50%以上。斜風(fēng)向時(shí)(以40°風(fēng)向?yàn)槔?，由于下游屋蓋對尾流的阻滯，在兩屋蓋相鄰位置處中部產(chǎn)生正壓，隨著山墻疏透率增大而增大，完全開敞時(shí)，體型系數(shù)可達(dá)0.5，且下游屋蓋迎風(fēng)正壓區(qū)相比單煤棚向下游移動。山墻迎風(fēng)時(shí)(90°風(fēng)向)，兩煤棚相鄰處前緣負(fù)壓增大約30%，這是由于該處氣流加速所致。除此之外，雙煤棚體型系數(shù)分布規(guī)律總體與單煤棚較為接近。

圖5 雙煤棚體型系數(shù)

2.3 全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律

各工況下單煤棚全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)，如圖6所示。由于煤棚的對稱性，其全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)沿兩個(gè)主軸中軸線對稱。由圖可見，煤棚縱邊及山墻頂部極大值風(fēng)壓系數(shù)的最不利位置，煤棚縱邊極大值風(fēng)壓系數(shù)隨著山墻疏透率增大而增大，到完全開敞，增幅可達(dá)30%。煤棚短邊及天窗處極小值風(fēng)壓系數(shù)最為不利，隨著山墻疏透率增大，由于氣流的流通，分離流產(chǎn)生的風(fēng)吸力減弱，極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值降低約20%。山墻邊緣上由氣流分離引起的最不利極小風(fēng)壓系數(shù)隨著山墻通風(fēng)增強(qiáng)顯著減小，減幅超過70%。

圖6還給出了各工況下雙煤棚全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)，沿煤棚跨向中軸線和兩煤棚臨邊中線對稱。由圖可見，雙煤棚在邊緣兩側(cè)極值風(fēng)壓系數(shù)分布與單煤棚基本一致。在兩煤棚相鄰區(qū)域，極大值風(fēng)壓系數(shù)向煤棚兩側(cè)中部移動，極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值減小約10%。

圖6 單煤棚全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)

3 分區(qū)風(fēng)荷載取值建議

3.1 分區(qū)體型系數(shù)

為方便工程應(yīng)用，根據(jù)煤棚體型系數(shù)分布規(guī)律，對煤棚進(jìn)行分區(qū)如圖7所示，分區(qū)體型系數(shù)由各區(qū)域內(nèi)的體型系數(shù)面積加權(quán)平均得到。根據(jù)2.1節(jié)圖3(b)、圖3(c)，在相鄰屋蓋干擾下，屋蓋的整體最不利風(fēng)力系數(shù)(升力、阻力)不超過單體煤棚屋蓋。單體屋蓋的分區(qū)體型系數(shù)，如表1所示。由于屋蓋風(fēng)荷載體型系數(shù)隨山墻封閉形式(封閉、開敞、疏透)變化較大，而采用疏透山墻時(shí)，山墻疏透率對屋蓋體型系數(shù)的影響并不敏感，且工程采用的防風(fēng)網(wǎng)疏透網(wǎng)板疏透率一般在30%左右，因此，表中對山墻疏透率10%～30%的結(jié)果進(jìn)行了包絡(luò)，便于使用。此外，針對煤棚屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)，除了兩個(gè)體軸正風(fēng)向(0°，90°)的驗(yàn)算之外，還建議對最不利的斜風(fēng)向進(jìn)行驗(yàn)算。為設(shè)計(jì)安全，表中給出的斜風(fēng)向取值為單體煤棚屋蓋最不利斜風(fēng)向30°～40°的包絡(luò)值。

圖7 煤棚風(fēng)荷載體型系數(shù)分區(qū)示意圖

表1 煤棚屋蓋分區(qū)體型系數(shù)建議值

考慮干擾效應(yīng)不同風(fēng)向下煤棚山墻分區(qū)體型系數(shù)，如圖8所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，山墻封閉時(shí)最不利風(fēng)吸力體型系數(shù)-0.8，最不利風(fēng)壓力體型系數(shù)0.6；山墻采用疏透板時(shí)，體型系數(shù)范圍為-0.4～0.7，可供設(shè)計(jì)參考。

圖8 煤棚山墻分區(qū)體型系數(shù)

3.2 分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)

根據(jù)全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律，對煤棚進(jìn)行分區(qū)如圖9所示，對單煤棚工況，采用圖中單煤棚半跨分區(qū)進(jìn)行對稱，對于雙煤棚工況，兩外側(cè)半跨采用圖中單煤棚半跨分區(qū)結(jié)果，內(nèi)半跨(兩煤棚相鄰側(cè))采用圖中雙煤棚半跨分區(qū)結(jié)果。分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)取值為分區(qū)內(nèi)全風(fēng)向極值風(fēng)壓系數(shù)的包絡(luò)值，如表2所示。表中同樣對山墻疏透率10%～30%的結(jié)果進(jìn)行了包絡(luò)，便于使用。由表可知，與封閉山墻相比，采用疏透山墻使屋面極大值風(fēng)壓系數(shù)增加約0.3，屋面極值風(fēng)吸力平均約降低10%，山墻極值風(fēng)吸力顯著減低達(dá)70%。

表2 煤棚分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)建議值

圖9 煤棚極值風(fēng)壓系數(shù)分區(qū)示意圖

4 結(jié) 論

(1)增加煤棚山墻疏透率有利于煤棚內(nèi)外氣流交換，可有效降低氣流分離形成的負(fù)壓，屋蓋頂部及天窗風(fēng)吸力體型系數(shù)絕對值降低30%以上，極小值風(fēng)壓系數(shù)降低約10%；山墻的負(fù)壓體型系數(shù)降低約50%，極小值風(fēng)壓系數(shù)降低可達(dá)70%。

(2)增加煤棚山墻疏透率使煤棚內(nèi)部產(chǎn)生一定負(fù)壓，一定程度上增大了煤棚結(jié)構(gòu)的正向凈風(fēng)壓，正面迎風(fēng)時(shí)迎風(fēng)面正壓體型系數(shù)由0.5增大到1.0以上，屋面極大值風(fēng)壓系數(shù)相比封閉山墻煤棚平均約增長0.3。

(3)煤棚山墻采用疏透板能夠有效兼顧通風(fēng)抑塵等煤礦儲運(yùn)工藝需求，也能有效降低結(jié)構(gòu)不利風(fēng)荷載，綜合考慮煤棚山墻最佳疏透率建議選取為30%附近。

(4)考慮并列布置雙煤棚的干擾效應(yīng)，整體看來雙煤棚屋蓋荷載的最不利合力不超過單煤棚包絡(luò)值，可按單煤棚的正、斜風(fēng)向不利工況驗(yàn)算。對于山墻，其封閉時(shí)體型系數(shù)范圍為-0.8～0.6；采用疏透板時(shí)，體型系數(shù)范圍為-0.4～0.7。

(5)受相鄰煤棚的影響，兩煤棚相鄰半跨的風(fēng)壓分布變化顯著，極值風(fēng)壓系數(shù)向正值方向移動(正壓增大，負(fù)壓減小)，本文通過調(diào)整分區(qū)形式與單煤棚的分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一描述，為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐及規(guī)范提供依據(jù)。