唐麒

[摘? 要]：柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的控制荷載通常為風荷載，GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》關(guān)于柱面屋蓋圍護體系風荷載的取值較為粗糙，使得圍護體系的部分區(qū)域存在隱患，部分區(qū)域設(shè)計不經(jīng)濟。文章利用風洞實驗獲取了柱面屋蓋結(jié)構(gòu)的測點風壓，并利用POD法（本征正交分解法）將測點風壓進行擴展，使得每個極值風壓其數(shù)值的代表面積為6.6 m2。在較高的精度下，研究了柱面屋蓋圍護體系風荷載的分布特性，并探討了荷載規(guī)范中柱面屋蓋圍護體系風荷載取值合理性。

[關(guān)鍵詞]：柱面網(wǎng)架屋蓋; 局部風荷載; 圍護體系

TU312+.1A

柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)是一種常見的跨度較大的曲面屋蓋結(jié)構(gòu)，被廣泛用于工業(yè)廠房、飛機庫、航空港、體育場館等建筑形式中。目前對于柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)的風荷載特性和抗風設(shè)計方法已經(jīng)有較成熟的研究，而其圍護體系風荷載特性的研究還相對比較薄弱，至今尚未有一套成熟的陣風荷載描述方法被提出來。因此，該類結(jié)構(gòu)圍護體系的風荷載取值往往是其圍護體系抗風設(shè)計的難點問題。

1 風壓數(shù)據(jù)來源

結(jié)構(gòu)風壓風洞試驗在日本東京工藝大學的邊界層風洞進行。采用粗糙元和劈尖，針對柱面網(wǎng)架弧形屋面模型被動模擬了冪指數(shù)為0.16的風剖面。多通道風壓同步測試系統(tǒng)的采樣頻率為781Hz，并修正了測壓管對風壓測試產(chǎn)生的影響[6]。模型頂部平均屋檐高度處的風速以及對應(yīng)的速度壓力按慣例作為參考風速及參考風壓，求得各風壓測點處對應(yīng)的風壓系數(shù)。風壓符號的約定為向下或向內(nèi)為正，向上或向外為負。柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)風洞模型的幾何縮尺比為1/400，風洞試驗的具體布置及流程可參考文獻[1]。

本文利用POD法[2]將風洞試驗的99個測壓點獲得的11個10 min的風壓時程擴展到每個屋面板的中心點，共獲得4 320個風壓時程。然后利用“改進全涌法[3]”對這些風壓時程進行極值估計，最后獲得屋面上4 320個點的極值風壓（以下簡稱極值風壓），每個極值風壓其數(shù)值的代表面積為6.6 m2。同時依據(jù)荷載規(guī)范也獲得了屋面的風壓（以下簡稱荷載規(guī)范風壓）。

2 局部風壓的對比

本文的研究對象是圍護體系的風荷載特性及其效應(yīng)，因此較高精度的風壓數(shù)據(jù)是該研究工作的基礎(chǔ)。利用荷載規(guī)范中進行柱面網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)圍護體系的抗風設(shè)計時，其風壓值由下式獲得：

wk=βgzμslμzw0（1）

式中：βgz為高度z處的陣風系數(shù)，μsl為風荷載局部體型系數(shù)。

一般地，建筑物表面的風荷載并非均勻分布，在屋面角部區(qū)域、屋檐區(qū)域以及在如陽臺、雨棚等外挑構(gòu)件的區(qū)域，局部風壓值可能會超過依據(jù)荷載規(guī)范得到的平均風壓值。

建筑物表面一定區(qū)域內(nèi)的平均風壓與來流的動壓的比值被定義為風荷載體型系數(shù)，風荷載體型系數(shù)考慮了建筑物表面由于不均勻的風壓而出現(xiàn)的局部風壓超過平均風壓的情況。其主要影響因素為建筑的外形和幾何尺寸，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。但是荷載規(guī)范中柱面屋蓋結(jié)構(gòu)圍護體系的風壓局部體型系數(shù)是基于柱面屋蓋建筑主體結(jié)構(gòu)的風壓體型系數(shù)，規(guī)范中規(guī)定將柱面屋蓋建筑主體結(jié)構(gòu)的風壓體型系數(shù)乘以1.25進行放大，從而獲得柱面屋蓋結(jié)構(gòu)圍護體系風壓的局部體型系數(shù)。然而局部的風壓不僅受來流的影響，還受到特征湍流的影響，而目前的研究中對于特征湍流的特性還不能很好地描述。荷載規(guī)范中直接將主體結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)乘以1.25進行放大來考慮湍流對風壓分布的影響。然而在實際的情況下，建筑圍護體系的部分區(qū)域，其局部體型系數(shù)可能有的大于1.25倍，有的不足1.25倍，所以這種處理方法存在不安全的隱患或不經(jīng)濟的設(shè)計。另一方面，荷載規(guī)范中將屋面分為3個平行的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)一個局部體型系數(shù)，所以整個屋面一共只取了3個局部體型系數(shù)值，且僅僅考慮了一個風向角。

陣風系數(shù)是考慮到風壓的瞬間增大情況而乘的系數(shù)，一般是陣風風速與時距10 min的平均風速之間的比值。規(guī)范中關(guān)于陣風系數(shù)的取值統(tǒng)一按照一個經(jīng)驗公式進行計算，這種方法獲得的陣風系數(shù)用于結(jié)構(gòu)迎風面上的圍護體系的抗風設(shè)計是合適的，因為迎風面上的湍流特征與大氣來流特征很相似，但對于屋面上的負壓區(qū)卻不一定適用，因為這些區(qū)域受到漩渦的作用，其湍流特征與來流的湍流特征不同。

由圖1可知，荷載規(guī)范風壓的數(shù)值大致將3個平行于來流屋檐的區(qū)域分別取某一常數(shù)值，且屋蓋表面風壓全部為負值。最靠近來流方向的負壓值較小，屋蓋中部區(qū)域取較大的負壓值，而尾部區(qū)域取稍小一些的負壓值。

圖2顯示，0°風向時，屋蓋表面的極值風壓也存在互相平行的正壓區(qū)域和負壓區(qū)域，但是這些區(qū)域與迎風屋檐并不是平行的，而是具有一定角度。并且，屋蓋表面大致可以分為5個正負壓交替的平行區(qū)域。在靠近來流的屋檐附近，有正的風壓值也有負的風壓值。相關(guān)研究表明，屋蓋表面的特征湍流是導(dǎo)致建筑物表面出現(xiàn)局部負壓（吸）極值的主要原因，因此，屋蓋表面旋渦的分離和再附使得屋蓋表面的風壓等值線不再是規(guī)則地平行于靠近來流的屋檐，而是具有一定夾角，同時等值線也不再是平行線，而是封閉的環(huán)線。

從極值風壓和荷載規(guī)范風壓數(shù)值的絕對值發(fā)現(xiàn)，在迎風屋檐左上角的角部區(qū)域，極值風壓的正壓值遠大于荷載規(guī)范風壓的負壓值，達到了4倍之多。同時，在該區(qū)域的中部和下部，存在著較大的風洞試驗負壓區(qū)，比相應(yīng)區(qū)域的荷載規(guī)范風壓數(shù)值大2到3倍。因此，迎風屋檐附近區(qū)域應(yīng)該作為圍護體系抗風設(shè)計的的重點關(guān)注區(qū)域，容易出現(xiàn)安全隱患。

另一方面，雖然極值風壓和荷載規(guī)范風壓的正負值區(qū)域并沒有重合，但是在屋蓋的中部區(qū)域，荷載規(guī)范風壓在數(shù)值上比極值風壓大3到6倍之多。這說明在這些區(qū)域規(guī)范風壓的取值偏于保守，會造成圍護體系抗風設(shè)計不經(jīng)濟。

由圖2～圖5可知，0°、45°、90°以及全風向角下，屋蓋表面的極值風壓分布具有很大的相似性，同時取值的正負以及相應(yīng)的絕對值的大小也相差不大。所以風向角對屋蓋表面的極值風壓的分布和取值影響不大，荷載規(guī)范中只考慮了一個風向的做法也是合理的。

3 結(jié)論

綜上所述，在迎風屋檐左上角的角部區(qū)域及在該區(qū)域的中部和下部，極值風壓遠大于荷載規(guī)范風壓，同時由時程分析獲得的應(yīng)力明顯比靜力分析獲得的應(yīng)力大。因此，迎風屋檐附近區(qū)域應(yīng)該作為圍護體系抗風設(shè)計的的重點關(guān)注區(qū)域，容易出現(xiàn)安全隱患。另一方面，在屋蓋的中部區(qū)域，荷載規(guī)范風壓絕對值遠大于極值風壓的絕對值，同時由時程分析獲得的應(yīng)力明顯比靜力分析獲得的應(yīng)力小。因此在這些區(qū)域規(guī)范風壓的取值偏于保守，會造成圍護體系抗風設(shè)計的不經(jīng)濟。

參考文獻

[1] Ding，Z.，Tamura，Y.Contributions of wind-induced overall and local behaviors for internal forces in cladding support components of large-span roof structure.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，115，162-172，2013

[2] 李方慧，倪振華，沈世釗，等.POD原理解析及在結(jié)構(gòu)風工程中的幾點應(yīng)用[J].振動與沖擊，2009，28（4）：29-32+201.

[3] 全涌， 顧明， 陳斌， 等. 非高斯風壓的極值計算方法[J]. 力學學報， 2010， 42（3）：560-566.