鐘建海 陳水福 羅飛文

（1.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州 310050；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

杭州亞運(yùn)輪滑館位于杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)22 號大街以南、杭州繞城公路以西，是2022 年亞運(yùn)會輪滑類項(xiàng)目競賽的主要場館。該館占地近28 470 m2，主體長246 m，寬87 m，高29 m；整個屋面由東側(cè)和西側(cè)的飛旋環(huán)繞屋面以及中部的鞍形屋面三個部分組成，突出“盤旋環(huán)繞”動態(tài)、自由、流暢的特點(diǎn)。輪滑館效果圖如圖1 所示，其多個曲面的疊合組成方式參見圖2。

圖1 輪滑館效果圖Fig.1 Roller skating stadium rendering

圖2 屋蓋疊合曲面組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of superimposing curved roof components

已有研究表明，來流風(fēng)越過大跨屋蓋表面時將形成柱狀渦、錐形渦等分離渦流，以及可能的再附流、回流等復(fù)雜流動［1-2］，其表面風(fēng)壓與屋面形狀、坡度、跨度、高寬比等因素直接相關(guān)［3-6］。本文研究的輪滑館屋蓋跨度大，形狀復(fù)雜，且由多個曲面疊合而成［7］，預(yù)計在來流風(fēng)作用下將產(chǎn)生復(fù)雜的分離和再附等流動現(xiàn)象，導(dǎo)致其表面風(fēng)壓復(fù)雜多變，從現(xiàn)行規(guī)范［8-9］無法找到相關(guān)數(shù)據(jù)作為參考。

本文采用同步測壓風(fēng)洞試驗(yàn)方法，通過對測得的屋蓋表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，探討此類疊合屋蓋的風(fēng)荷載分布特點(diǎn)；通過對不利風(fēng)向和不利區(qū)域平均和脈動風(fēng)壓的分析探討，為屋蓋主體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)和借鑒。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.1 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

本次試驗(yàn)為表面多點(diǎn)同步測壓風(fēng)洞模型試驗(yàn)，模型縮尺比1∶250，如圖3 所示。預(yù)估風(fēng)壓的分布情況，對屋蓋表面進(jìn)行了分區(qū)，共設(shè)11 個分區(qū)，如圖4 所示；在各分區(qū)中共布置了479 個風(fēng)壓測點(diǎn)。試驗(yàn)按B 類地貌模擬風(fēng)場，在0～360°范圍內(nèi)每隔15°一個風(fēng)向角，共進(jìn)行了24 個風(fēng)向角的風(fēng)壓測試。

圖3 風(fēng)洞中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model in wind tunnel

圖4 屋蓋風(fēng)壓測試分區(qū)圖Fig.4 Sub-region division diagram for the roof wind pressure measurement

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)按風(fēng)壓系數(shù)的形式給出［10］：

式中：Pi是第i測點(diǎn)的風(fēng)壓值；P∞和V∞是參考點(diǎn)未受干擾的靜壓和風(fēng)速值；ρ為空氣密度。

根據(jù)相似原理，可將模型上各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)應(yīng)用于建筑實(shí)物；再考慮輪滑館所處區(qū)域的地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓w0=0.45 kPa，通過對測得的風(fēng)壓系數(shù)時程進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得到風(fēng)壓系數(shù)的平均值和均方根值，進(jìn)一步可獲得平均風(fēng)壓、體型系數(shù)、極值風(fēng)壓等風(fēng)荷載參數(shù)。

2 平均風(fēng)荷載分布特性

2.1 中部鞍型屋面

圖5 給出了典型風(fēng)向角下，中部鞍型屋面的平均風(fēng)壓等值線圖。不同風(fēng)向角下，氣流經(jīng)過東西側(cè)飛旋環(huán)繞屋面將形成分離，使得鞍型屋面處在分離剪切層中，因而其風(fēng)壓以負(fù)壓為主。

圖5 典型風(fēng)向下鞍型屋面平均風(fēng)壓等值線圖（單位：kPa）Fig.5 Mean wind pressure contour on the saddleback roof under typical wind directions（Unit：kPa）

當(dāng)來流風(fēng)沿縱向或接近縱向流經(jīng)屋蓋時，鞍型屋面負(fù)壓值（指絕對值）相對較小，例如0°風(fēng)向時僅西側(cè)邊緣處風(fēng)壓較大，負(fù)風(fēng)壓最值約為-0.4 kPa，參見圖5（a）。但當(dāng)來流風(fēng)自東北或西南斜向作用屋蓋時，例如135°風(fēng)向（東北風(fēng)），鞍型屋面的平均負(fù)風(fēng)壓值最大，迎風(fēng)邊緣處達(dá)到約-0.7 kPa，參見圖5（b）。這與前方環(huán)繞屋面較陡，且受對向一側(cè)屋面延伸段的狹道影響，從而加劇氣流分離有關(guān)。315°風(fēng)向（西南風(fēng)）與此類似。

2.2 兩側(cè)環(huán)繞屋面

東側(cè)與西側(cè)環(huán)繞屋面近似對稱，故僅對0～180°風(fēng)向角范圍的典型工況進(jìn)行分析。不同風(fēng)向角下，部分迎風(fēng)較陡區(qū)域會出現(xiàn)正風(fēng)壓，但數(shù)值均不大，參見圖6（a）。多數(shù)區(qū)域均表現(xiàn)為負(fù)風(fēng)壓，不利負(fù)壓出現(xiàn)在150°風(fēng)向角下，此時負(fù)壓最值位于西側(cè)環(huán)繞屋面的東南段與東側(cè)屋面疊合部位，數(shù)值約為-0.35 kPa，如圖6（b）所示。該風(fēng)壓最值與氣流在疊合開口處的狹道聚集并加速分離有關(guān)。

圖6 不利風(fēng)向下環(huán)繞屋面平均風(fēng)壓等值線圖（單位：kPa）Fig.6 Mean wind pressure contour on the surrounding roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

2.3 分區(qū)體型系數(shù)

為便于工程應(yīng)用，結(jié)合平均風(fēng)壓的分布特點(diǎn)，將屋蓋劃分為11 個分區(qū)（圖4），計算得到了各分區(qū)的體型系數(shù)。

結(jié)果顯示，中部鞍形屋面中，中心部位1 區(qū)的分區(qū)體型系數(shù)較小，且隨風(fēng)向角變化不大。2 區(qū)和3 區(qū)的體型系數(shù)在105°～165°風(fēng)向角下較大，其中2 區(qū)在135°風(fēng)向角下取得最值-0.83，3 區(qū)在150°風(fēng)向時達(dá)到最值-0.63。4 區(qū)和5 區(qū)的分布規(guī)律類似，在300°～345°風(fēng)向角范圍內(nèi)的體型系數(shù)值較大，其中4 區(qū)在345°風(fēng)向角下取得最值-0.72，5區(qū)在330°風(fēng)向角下達(dá)到最值-0.96。

兩側(cè)環(huán)繞屋面中，6區(qū)、7區(qū)和8區(qū)的分區(qū)體型系數(shù)在45°～135°風(fēng)向角下為正值，其中8 區(qū)系數(shù)值較大，在90°風(fēng)向角下取得最大值0.31；其他風(fēng)向角下為負(fù)值，同樣是8區(qū)較為不利，在330°風(fēng)向角下取得最值-0.99。

西側(cè)屋面的情況類似，但由于受到鄰近高層建筑的遮擋，其分區(qū)體型系數(shù)稍小些。11 區(qū)的負(fù)壓體型系數(shù)在150°風(fēng)向角下取到最值-0.64。

屋蓋典型分區(qū)在不利風(fēng)向下的分區(qū)體型系數(shù)如表1所示，可供承重結(jié)構(gòu)設(shè)計使用。

表1 典型分區(qū)在不利風(fēng)向下的分區(qū)體型系數(shù)Table 1 Shape factors of typical sub-regions under unfavorable wind directions

3 脈動風(fēng)荷載分布特性

3.1 不利風(fēng)向角

輪滑館屋蓋的極值正風(fēng)壓較小，以下主要討論負(fù)風(fēng)壓的分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，極值負(fù)風(fēng)壓的最不利風(fēng)向主要集中在150°和330°風(fēng)向角附近。當(dāng)來流風(fēng)沿150°風(fēng)向時，將在東側(cè)屋面頂部和西側(cè)屋面尾部產(chǎn)生顯著分離，并在鞍形屋蓋上產(chǎn)生較大負(fù)風(fēng)壓區(qū)域，且未見再附跡象。由于對稱性，330°風(fēng)向的情況與此相似，將在鞍形屋蓋前緣和東側(cè)屋面尾部產(chǎn)生較大分離負(fù)壓。

3.2 極值風(fēng)壓分布特性

圖7 給出了150°、330°兩個不利風(fēng)向角下鞍形屋面和東側(cè)或西側(cè)（數(shù)值較大一側(cè)）環(huán)繞屋面的極值風(fēng)壓等值線圖。

圖7 不利風(fēng)向下屋蓋極值風(fēng)壓等值線圖（單位：kPa）Fig.7 Extreme wind pressure contour on the roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

由圖7 可見，150°風(fēng)向角下屋蓋極值風(fēng)壓均表現(xiàn)為吸力，風(fēng)壓最值出現(xiàn)在鞍型屋面迎風(fēng)前緣附近，數(shù)值超過-1.2 kPa；風(fēng)壓自東北到西南數(shù)值逐漸減少。西側(cè)環(huán)繞屋面的風(fēng)壓在北部和東南部的疊合處數(shù)值較大，分別達(dá)-0.7 kPa和-0.6 kPa以上；東側(cè)屋面由于直接迎風(fēng)，負(fù)壓值較小。

330°風(fēng)向角下的負(fù)風(fēng)壓分布與150°相似，在鞍型屋面西南部前緣達(dá)到最大，并自西南至東北逐漸減??；東側(cè)屋面尾部、與另一側(cè)屋面疊合處的負(fù)壓最大，數(shù)值約為-1.0 kPa，這與特定風(fēng)向下疊合開口處氣流加速并加劇分離有關(guān)。

3.3 全風(fēng)向角下極值風(fēng)壓

為了便于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用，取出不同測點(diǎn)在全部24 個風(fēng)向角下的極值負(fù)風(fēng)壓的最不利值，繪出全風(fēng)向角下屋蓋極值負(fù)風(fēng)壓的等值線圖，如圖8 所示。西側(cè)屋面的數(shù)值總體略小于東側(cè)屋面，故可根據(jù)對稱性參照東側(cè)取值。

圖8 全風(fēng)向角下屋蓋極值負(fù)風(fēng)壓等值線圖（單位：kPa）Fig.8 Extreme negative wind pressure contour on the roof under full-wind direction（Unit：kPa）

從圖8 看到，全風(fēng)向角下中部鞍型屋面的極值負(fù)風(fēng)壓普遍較大，特別是東北和西南側(cè)的前緣部位，負(fù)壓最值達(dá)到-1.46 kPa。東側(cè)和西側(cè)環(huán)繞屋面的負(fù)風(fēng)壓最值出現(xiàn)在接近尾部與另一側(cè)屋面的疊合之處，數(shù)值略超過-1.0 kPa。

由于受分離、再附等復(fù)雜流動的影響，大跨屋蓋表面局部區(qū)域的風(fēng)壓會呈現(xiàn)不同程度的非高斯特性，此時按峰值因子法計算的極值風(fēng)壓的保證率可能低于按理想高斯分布的預(yù)期保證率。鑒此為提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性，設(shè)計應(yīng)用時可考慮增大式（2）、式（3）中的峰值因子取值，例如取為3.5或4。

4 結(jié)論

基于風(fēng)洞試驗(yàn)測壓數(shù)據(jù)，對杭州亞運(yùn)輪滑館大跨疊合曲面屋蓋的風(fēng)壓分布特性進(jìn)行了分析，考察了不同部位平均風(fēng)壓的分布規(guī)律，探討了不利風(fēng)向角下極值風(fēng)壓的變化特點(diǎn)。取得結(jié)論如下：

（1）輪滑館屋蓋中部鞍形屋面在不同風(fēng)向角下均承受負(fù)風(fēng)壓。當(dāng)來流風(fēng)自東北或西南斜向作用時，鞍形屋面迎風(fēng)前緣的負(fù)風(fēng)壓最大，這與前方環(huán)繞屋面較陡且另一側(cè)屋面延伸段的狹道影響加劇氣流分離有關(guān)。東西側(cè)屋面的平均負(fù)風(fēng)壓最值出現(xiàn)在曲面疊合部位，也與該處的狹道效應(yīng)有關(guān)。

（2）根據(jù)平均風(fēng)壓分布特點(diǎn)，將屋蓋劃分為11 個分區(qū)，獲得了各風(fēng)向角下的分區(qū)體型系數(shù)，可供承重結(jié)構(gòu)設(shè)計使用。負(fù)壓體型系數(shù)的不利風(fēng)向角發(fā)生于135°～165°（東北風(fēng)）和315°～345°（西南風(fēng)）斜風(fēng)作用時。

（3）屋蓋極值負(fù)風(fēng)壓的最不利風(fēng)向角出現(xiàn)在150°（東北風(fēng)）和330°（西南風(fēng)）附近，其中鞍形屋面的風(fēng)壓最值出現(xiàn)于迎風(fēng)前緣部位；兩側(cè)環(huán)繞屋面的最值出現(xiàn)在其尾部與另一側(cè)屋面疊合處附近，主要與疊合處氣流加速并加劇分離有關(guān)。取出各測點(diǎn)在全部風(fēng)向角下的極值負(fù)風(fēng)壓的最不利值，給出了全風(fēng)向角下屋蓋極值風(fēng)壓的等值線圖，可供圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用。