王荃，劉毛方 （.安徽省城市綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 3000；.安徽省金田建筑設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 3000）

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在一些公共建筑的設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)大面積的無柱空間。各種復(fù)雜外形的大跨度空間結(jié)構(gòu)層出不窮。大跨度空間結(jié)構(gòu)主要類型為鋼結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)由于剛度小，故結(jié)構(gòu)自振周期與風(fēng)速的卓越周期較接近，屬于風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于建筑體型的復(fù)雜性，現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)中根本無對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)可以選取。為了保證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性，很有必要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)振特性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。同時(shí)采取合理的風(fēng)荷載和風(fēng)振系數(shù)取值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

天長市全民健身中心項(xiàng)目位于天長市高鐵核心區(qū)，由體育館和體育場及配套商業(yè)組成，總建筑面積約6.3 萬m2。其中體育場為12000 座，體育場主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部罩棚采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，屋面采用金屬屋面。鋼結(jié)構(gòu)罩棚外觀呈幾何拼接狀，外形來源于天長的市花“茉莉花”。平面呈橢圓形，南北向長約243m，東西向?qū)捈s22m，徑向桁架懸挑最大長度約為28m，屋蓋結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)約為31.8m[1]。效果圖見圖1。

圖1 天長市全民健身中心體育場

2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)介紹

為給設(shè)計(jì)階段的風(fēng)荷載和風(fēng)振系數(shù)取值提供科學(xué)依據(jù)，特委托合肥工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院進(jìn)行了天長市全民健身中心—體育場風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[1]，本次實(shí)驗(yàn)采用1:250 的建筑物動(dòng)態(tài)測壓剛性模型，模型采用ABS 樹脂制作，安置在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)轉(zhuǎn)盤的中央進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，分別以15°為增量，共執(zhí)行了24個(gè)風(fēng)向角的模型風(fēng)壓試驗(yàn)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所使用的風(fēng)洞為湖南大學(xué)HD-3 直流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)本試驗(yàn)?zāi)M了B 類粗糙度的風(fēng)場環(huán)境。為確保模型制作比例和模擬風(fēng)場湍流尺度比例一致，需要對(duì)大氣邊界層模擬裝置進(jìn)行局部調(diào)整，并進(jìn)行風(fēng)場特性測量。流場校測試驗(yàn)結(jié)果表明，大氣邊界層風(fēng)速剖面指數(shù)α 為0.15，與目標(biāo)值吻合。大氣邊界層模擬結(jié)果如圖3 所示。結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格整個(gè)模型共設(shè)有220 對(duì)風(fēng)壓孔，屋面風(fēng)壓測點(diǎn)布置如圖4 所示。每個(gè)測點(diǎn)均位于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的形心處，考慮結(jié)構(gòu)立面對(duì)風(fēng)壓不敏感，立面測點(diǎn)布置較少。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)每個(gè)測點(diǎn)，采樣時(shí)間為30s，采樣頻率為312.5Hz，并采用同步測壓測量上下表面測點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程。試驗(yàn)風(fēng)向按24 個(gè)羅盤方向設(shè)置，定義風(fēng)向與中心線的夾角（風(fēng)向角）β=0°，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，每間隔15°設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)風(fēng)向；試驗(yàn)參考點(diǎn)高度為12.72cm，試驗(yàn)參考點(diǎn)名義風(fēng)速為12.0m/s。

圖2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3 實(shí)驗(yàn)風(fēng)場參數(shù)對(duì)比

圖4 屋面風(fēng)壓測點(diǎn)布置圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

模型試驗(yàn)中符號(hào)約定以壓力向內(nèi)（壓）為正，向外（吸）為負(fù)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕厦總€(gè)測壓孔所在位置的內(nèi)外表面測出的壓力相減可得到該測點(diǎn)的風(fēng)壓力值。該值與參考點(diǎn)的平均總壓與平均靜壓值差的比值即為測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)。根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)和參考點(diǎn)的風(fēng)壓值即可得到測點(diǎn)的風(fēng)壓值。作用在建筑物表面的局部風(fēng)壓可根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[4]中式（8.1.1-1）得到。其中對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)，其風(fēng)振系數(shù)取值需特殊研究。

對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓，通過測壓孔所在位置的風(fēng)壓差系數(shù)時(shí)程經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算（本工程為雙面測壓孔）可得到脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值。依此可以求出測點(diǎn)的最大峰值風(fēng)壓系數(shù)和最小峰值風(fēng)壓系數(shù)（峰值因子一般取值為3.5）。

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，一般也可參考24 個(gè)風(fēng)向中最大的極值風(fēng)壓系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。而不計(jì)入陣風(fēng)系數(shù)。得到風(fēng)壓系數(shù)后，再通過設(shè)計(jì)風(fēng)速換算出參考高度處的實(shí)際風(fēng)壓，將風(fēng)壓系數(shù)乘以實(shí)際參考風(fēng)壓，即可知實(shí)際極值壓力。此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要為立面幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[5]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與對(duì)比

4.1 風(fēng)壓系數(shù)

為了直觀比較各測點(diǎn)的風(fēng)壓大小，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果均用風(fēng)壓系數(shù)表示，風(fēng)壓系數(shù)可以根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)換算為體型系數(shù)，體型系數(shù)可以用來對(duì)比不同建筑體型的優(yōu)劣。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，屋面測點(diǎn)最大平均風(fēng)壓系數(shù)為0.73，發(fā)生在345°風(fēng)向角下的UD155 測點(diǎn)；屋面測點(diǎn)最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-1.22，發(fā)生在75°風(fēng)向角下的UD153 測點(diǎn)，立面測點(diǎn)最大平均風(fēng)壓系數(shù)為1.73，發(fā)生在195°風(fēng)向角下的UD218 測點(diǎn)；立面測點(diǎn)最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.64，發(fā)生在285°風(fēng)向角下的UD216 測點(diǎn)。對(duì)比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)中[4]P44-45 中的單坡及雙坡頂蓋體型系數(shù)可以得出以下結(jié)論：

①由于本項(xiàng)目體育場罩棚形狀不同于常規(guī)的東西，看臺(tái)為獨(dú)立布置，其環(huán)形閉合的形狀降低了懸挑罩棚的負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)；

②由于罩棚屋面為高低起伏狀，故全風(fēng)向角下其局部屋面有不可忽視的風(fēng)壓力，這點(diǎn)不同于常規(guī)的體育場懸挑罩棚；

③由于體育場中心為鏤空狀，故其立面在順風(fēng)向的最大風(fēng)壓系數(shù)遠(yuǎn)大于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)規(guī)定的順風(fēng)向體型系數(shù)1.3；

④立面在背風(fēng)面的最大風(fēng)吸系數(shù)與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)的規(guī)定基本吻合。

4.2 風(fēng)振系數(shù)

現(xiàn)階段頻域法仍然是大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析的主要方法，本次實(shí)驗(yàn)報(bào)告[4]采用多階模態(tài)力法給出了共180 個(gè)測點(diǎn)頻域分析下的風(fēng)振分析結(jié)果，分析報(bào)告結(jié)果可以看出測點(diǎn)的位移風(fēng)振系數(shù)數(shù)值約為0.93～1.85。大部分都在1.5 以上。具有一定的離散性。說明由于屋蓋懸挑較大，其對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，無法分區(qū)域進(jìn)行風(fēng)振計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)綜合各不利因素后確定主體結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)取值1.8。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

研究了屋面的風(fēng)壓系數(shù)分布特性后，經(jīng)過對(duì)比分析最終選取了0°、90°、180°、270°四個(gè)風(fēng)向角參與風(fēng)荷載計(jì)算，《天長體育場風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告》將屋面部分根據(jù)風(fēng)壓分布趨勢劃分區(qū)域，利用測點(diǎn)的面積加權(quán)平均法給出了局部區(qū)域的等效靜力風(fēng)荷載以供設(shè)計(jì)選用。但由于屋面為幾何拼接狀，相鄰的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有可能風(fēng)壓系數(shù)差距較大，故分區(qū)域加風(fēng)荷載工作繁瑣且不精確。設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合3D3S 軟件的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接口要求編制了可生成符合軟件格式要求的風(fēng)壓數(shù)據(jù)小程序，對(duì)于空間桁架結(jié)構(gòu)，施加面荷載后，程序按照每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的從屬面積進(jìn)行節(jié)點(diǎn)導(dǎo)荷。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)壓測點(diǎn)均布置在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的形心處，為了獲取每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，需要采用插值法，故首先編制了插值生成每個(gè)桁架節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)的小程序，插值原理為節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)與所有與該節(jié)點(diǎn)相交的網(wǎng)格面風(fēng)壓系數(shù)取平均。節(jié)點(diǎn)加載時(shí)，根據(jù)程序要求的數(shù)據(jù)格式編制了數(shù)據(jù)命令流，具體操作如圖5、圖6。

圖5 3d3s軟件風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接口

圖6 導(dǎo)入的數(shù)據(jù)格式

圖6 為編制的風(fēng)壓數(shù)據(jù)小程序生成的數(shù)據(jù)格式，前3 列為模型節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z 三維坐標(biāo)，最后1 列為節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，需要指出的是程序要求輸入的是體型系數(shù)，故需要修改程序里對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載參數(shù)，即基本風(fēng)壓改為實(shí)驗(yàn)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際風(fēng)壓。B 類地貌、參考高度12.72cm(相對(duì)實(shí)際為31.8m)處的100年重現(xiàn)期風(fēng)壓值為0.637kPa。由于程序輸入的是風(fēng)壓系數(shù)，故計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)壓高度系數(shù)的修正。利用自編程序生成了一共3033 個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，0°下的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載顯示如圖7所示。

圖7 導(dǎo)入的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載顯示

導(dǎo)入0°、90°、180°、270°四個(gè)風(fēng)向角的風(fēng)荷載后，即可以參與荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

6 結(jié)論

①對(duì)于復(fù)雜體型的大跨度空間結(jié)構(gòu)，很有必要進(jìn)行剛性模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)階段風(fēng)荷載取值提供依據(jù)。

②對(duì)于圓環(huán)形閉合的體育場挑蓬結(jié)構(gòu)，其屋面的負(fù)風(fēng)壓系數(shù)小于不閉合的挑蓬，故全風(fēng)向角下其局部屋面有不可忽視的風(fēng)壓力。

③體型系數(shù)可以比較不同體型的優(yōu)劣性，但風(fēng)壓系數(shù)可以更直接的比較結(jié)構(gòu)各部位的壓力大小。故對(duì)于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)壓系數(shù)更便于設(shè)計(jì)采用。

④本文編制的風(fēng)壓系數(shù)小程序可以快速、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，為結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載施加、驗(yàn)算提供了便利。

⑤由于大跨度結(jié)構(gòu)屋蓋的體型復(fù)雜，很難利用一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)振系數(shù)表達(dá)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振特性，故對(duì)于局部壓力系數(shù)較大的區(qū)域，建議設(shè)計(jì)時(shí)采用風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。