大跨屋蓋風(fēng)載特性風(fēng)洞試驗研究

李馳宇，戴益民，劉泰廷，谷慶航

（1.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與振動控制湖南省重點實驗室，湘潭411201；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭411201）

0 引言

大跨度結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小、結(jié)構(gòu)自振周期與風(fēng)速的卓越周期相近等特點，因此對風(fēng)荷載十分敏感，風(fēng)荷載也成為此類建筑設(shè)計時的主要控制荷載.當(dāng)風(fēng)作用于大跨度結(jié)構(gòu)建筑上時，受幾何構(gòu)造、周邊布局和地貌影響時會使氣流分離、漩渦脫落以及再附的影響使得其風(fēng)荷載特性分析變得極為復(fù)雜，當(dāng)氣流的波動強度較大時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生風(fēng)致振動，對結(jié)構(gòu)安全造成影響.李宇等［1］采用剛性模型測壓試驗與CFD數(shù)值模擬的方式研究了兩種曲面組合形式不同的屋蓋風(fēng)壓;張雪等［2］通過多次獨立重復(fù)采樣風(fēng)洞試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果表明極小值更符合廣義極值分布；吳立等［3］通過數(shù)值模擬研究了干擾體對建筑的風(fēng)致干擾機理，結(jié)果表明干擾體的位置與形狀很大程度上影響了大跨結(jié)構(gòu)建筑屋蓋的實際平均風(fēng)壓；郎亞超［4］基于FLUENT軟件，對某會議中心大跨屋蓋表面風(fēng)荷載特性進行了研究，結(jié)果表明當(dāng)建筑物平面尺寸一定時，隨著高寬比的增大，屋蓋表面負壓隨之增大；聶燕松［5］在K-means聚類分析方法基礎(chǔ)上建立了平均風(fēng)荷載分區(qū)法，通過編制的MATLAB程序?qū)︼L(fēng)洞數(shù)據(jù)進行了分析，給出了不同幾何形式的屋面在來流下的體形系數(shù)、脈動體型系數(shù)分區(qū)建議；梁曉娟［6］研究了屋蓋表面極值風(fēng)壓隨模型幾何參數(shù)的變化規(guī)律.結(jié)果表明，隨屋蓋矢跨比增大，懸挑屋檐短邊方向極值風(fēng)壓增大，長邊方向極值風(fēng)壓減??；當(dāng)屋蓋矢跨比不變，幕墻單面開洞時，極值風(fēng)壓增大，對屋蓋最不利；幕墻雙面對稱開孔時，極小風(fēng)壓值減小，對屋蓋有利；戴益民［7-8］、秦樂等［9］對平屋蓋表面風(fēng)荷載特性進行了研究，給出了風(fēng)向角、風(fēng)速、場地條件等對風(fēng)荷載的影響；另外，劉娟［10］、齊鵬［11］、李秋勝［12］、孫瑛［13］、沈國輝［14］等人都對不同幾何形式的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性進行了不同角度的探究，其中一些結(jié)論可以相互印證，總結(jié)研究結(jié)果可以得出處于強風(fēng)作用下的大跨度屋蓋主要破壞形式一般分為整體倒塌、屋蓋角部破壞、屋蓋整體破壞、圍護結(jié)構(gòu)破壞等四種，其中建筑物的跨度越大，所造成的影響就越大.我國現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［15］中對常見的矩形單坡屋面、雙坡屋面和拱形屋面等結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)荷載體型系數(shù)進行了規(guī)定，對于復(fù)雜形狀的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)則沒有給出參考值，因此對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律進行研究就顯得尤為重要.為了具體分析大跨屋蓋表面風(fēng)荷載特性，按照縮尺比1∶250進行了剛性模型風(fēng)洞測壓試驗［1-3］，分析屋蓋表面風(fēng)載分布特性.

1 風(fēng)洞試驗概況

1.1 試驗?zāi)Ｐ图傲鲌瞿M

模型是按照1∶250縮尺比采用ABS板制成的剛性模型，具有足夠的強度和剛度.模型與實物在外形上保持幾何相似，高度為14 cm.將模型固定在風(fēng)洞試驗室的轉(zhuǎn)盤上［7-8］，風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ图爸苓吔ㄖ植记闆r如圖1（a）所示.為了獲得整個結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓分布，在模型屋蓋及墻面共布置了347個測點，如圖1（c）所示.使用尖劈、擋板、粗糙元作為大氣邊界層模擬裝置在風(fēng)洞中模擬出符合我國規(guī)范要求的縮尺比為1∶250的B類地貌風(fēng)場，平均風(fēng)剖面指數(shù)α=0.15.測壓參考高度H r取15 cm，對應(yīng)大氣邊界層風(fēng)場原型高度為37.5 m.平均風(fēng)速及湍流度剖面如圖2（a）和圖2（b）所示，其中U為不同高度處平均風(fēng)速，U r為參考高度處平均風(fēng)速，取為7.06 m/s，H為風(fēng)洞試驗高度.為了獲得整個屋蓋上的風(fēng)壓分布，在模型屋面布置了183個測點，采用電子壓力掃描閥EPS進行測壓，在0°～360°范圍內(nèi)每間隔15°進行一次風(fēng)壓測量，風(fēng)向角示意圖如圖1（b）所示，屋面測點布置圖如圖1（c）所示.

圖1 模型擺放布置及測點布置圖

圖2 B類風(fēng)場風(fēng)剖面及紊流度剖面

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

實驗中符號約定以壓力向內(nèi)（壓）為正，向外（吸）為負，屋蓋表面各測點的風(fēng)壓系數(shù)由下列公式給出：

cpi(t)是試驗?zāi)Ｐ蜕系趇個測壓孔所在位置的風(fēng)壓系數(shù)，pi(t)是該位置上測得的表面風(fēng)壓值，p0、p分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓.對于雙側(cè)受風(fēng)的位置（內(nèi)外對應(yīng)布置兩個測壓孔），由內(nèi)外表面對應(yīng)的測壓點測出的壓力相減得到：

其中，Δcpi(t)表示試驗?zāi)Ｐ蚷測點所在位置的風(fēng)壓差系數(shù)，pii(t)、poi(t)分別表示該位置內(nèi)外表面的風(fēng)壓值，為簡化敘述，本文采用壓力系數(shù)cpi(t)來表示公式（1）、（2）兩種情況.

凈脈動風(fēng)壓均方根Crms可用下式求得：

式中Cpi,k為測點i第k次采樣所在位置的合風(fēng)壓系數(shù)，N為樣本總數(shù).由此可以求出測點的極大值風(fēng)壓系數(shù)和極小值風(fēng)壓系數(shù)：

式中：Cpi為測點i處的風(fēng)壓系數(shù)，Ai為測點i的代表面積，αi為測點i處外法線與豎直方向的夾角.

2 平均風(fēng)荷載特征

2.1 平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化狀況

圖3為模型屋蓋表面平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角改變的曲線，從圖可見，屋蓋表面平均升力系數(shù)均為負值，可知屋蓋表面在各風(fēng)向角下均受風(fēng)吸力作用.為了準確地分析屋蓋表面不同區(qū)域的升力系數(shù)，根據(jù)本文屋蓋表面風(fēng)荷載分布特性將屋面劃分出M（M55、M56、M57、M41）、P（P5、P6、P7）、N（N55、N56、N57、N73）三個負壓較大的區(qū)域，N區(qū)域與P區(qū)域最大負壓均出現(xiàn)在30°風(fēng)向角下，最大值分別為-1.884和-1.914，在0°～90°風(fēng)向角下，N區(qū)域位于迎風(fēng)屋脊，而P區(qū)域位于背風(fēng)屋檐，兩者均呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的W型變化趨勢，這是由于兩個區(qū)域處于平行位置，來流與銳利邊緣形成的夾角相近，兩者氣流分離、再附的作用形式相似，故隨風(fēng)向角變化趨勢也基本一致.M區(qū)域位于屋角處0°～30°風(fēng)向角下平均升力系數(shù)變化不明顯，這是由于模型擺放（如圖1所示）本身與來流存在一定夾角，模型旋轉(zhuǎn)超過30°后，M區(qū)域屋角才開始正對來流，氣流分離作用增強，M區(qū)域負壓開始逐漸增大，在180°風(fēng)向角前呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在75°達到最大值-1.897后開始逐漸減小.屋蓋表面平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角增加呈現(xiàn)先增大后減小再增大再減小的W型趨勢，在30°時達到最大值1.27，但總體變化較為平緩.角度在180°后一號展館來流方向被周邊建筑遮擋，使角度在180°～315°之間升力系數(shù)明顯減小.屋蓋整體平均升力系數(shù)在180°時取的最小值為-1.07（后續(xù)所述升力系數(shù)均為絕對值）.

圖3 屋蓋表面平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線

2.2 平均風(fēng)壓系數(shù)分布特征

選取0°、45°、90°三種典型風(fēng)向角下屋蓋表面平均風(fēng)壓系數(shù)進行分析，由圖4（a）可知，在0°風(fēng)向角下屋面均受風(fēng)吸力影響，且在迎風(fēng)屋檐處發(fā)生氣流分離產(chǎn)生較大負壓，并在屋脊處產(chǎn)生二次分離，使屋脊兩側(cè)產(chǎn)生高負壓區(qū)，最大負壓區(qū)出現(xiàn)在上游屋脊下側(cè)、下游屋檐邊緣及屋角處，由于模型并非水平放置，并與來流存在一定夾角.故0°風(fēng)向角下模型本身擺放存在斜角，導(dǎo)致屋角處平均風(fēng)壓系數(shù)變大，最大平均風(fēng)壓系數(shù)為-1.8.背風(fēng)屋檐由于受尾流影響，且模型的矢高比（R/S）較大，故受尾流影響較為明顯，出現(xiàn)了高負壓區(qū)域其最大值為-1.8，而屋面大部分區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)介于-1.3～-1.1之間.

由圖4（b）可知，當(dāng)來流以一定斜角流向建筑時，風(fēng)在屋面上將產(chǎn)生一個沿分離線的速度分量，形成兩個錐形渦，在迎風(fēng)屋角產(chǎn)生局部強負壓，最大風(fēng)壓系數(shù)達-1.7，超過周邊區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)26%～30%，風(fēng)在屋面右下部分屋脊處發(fā)生二次分離，在分離部分產(chǎn)生較強負壓，最大風(fēng)壓系數(shù)達-1.5，超過周邊區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)13%～20%，與0°風(fēng)向角相同的在來流下游區(qū)域屋檐處產(chǎn)生較強負壓；由圖4（c）可知，在90°風(fēng)向角下屋面風(fēng)壓系數(shù)分布呈規(guī)則的階梯狀，來流在屋檐處發(fā)生流動分離并在邊緣產(chǎn)生高負壓區(qū)域，最大平均風(fēng)壓系數(shù)為-1.8，而屋面大部分區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)均介于-1.2～-1.1之間，分布較為均勻.

圖4 屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)分布云圖

典型測立風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角度變化如圖5所示.屋蓋角部最大負風(fēng)壓系數(shù)（M57、M56）分別出現(xiàn)在15°和60°風(fēng)向角時，值得注意的是15°風(fēng)向角下下游屋緣處的P區(qū)域與屋脊處的N區(qū)域典型測點同樣達到最大負風(fēng)壓.

圖5 典型測點風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖

3 脈動風(fēng)荷載特征

3.1 脈動升力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化

會展中心屋蓋表面脈動升力系數(shù)均方根系數(shù)隨風(fēng)向角變化的曲線圖，如圖6所示.由圖可知P區(qū)域和N區(qū)域在0°～180°風(fēng)向角下隨著風(fēng)向角的增大其脈動升力系數(shù)大致上呈遞減趨勢，在45°風(fēng)向角下出現(xiàn)一個較為明顯的回升.M區(qū)域的變化曲線呈先減小后增加再減小的趨勢，脈動升力均方根系數(shù)最大值在75°風(fēng)向角時出現(xiàn)，其值為0.3221.在0°～180°之間屋蓋整體表面脈動升力系數(shù)均方根系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小，再增大再減小的趨勢.在45°風(fēng)向角下屋蓋表面脈動升力系數(shù)均方根取得最大值為0.184，在165°風(fēng)向角下取得最小值0.147.

圖6 屋蓋表面脈動升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線圖

3.2 脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布特征

選取0°、45°、90°三種典型風(fēng)向角的脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布特征進行分析，如圖7所示.由圖7（a）可知，在0°風(fēng)向角下，迎風(fēng)角部風(fēng)壓系數(shù)均方根系數(shù)介于0.24～0.26之間，而中心區(qū)域則介于0.14～0.16之間，表明迎風(fēng)角部區(qū)域氣流脈動較為強烈.而屋蓋東南處出現(xiàn)了的較大脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布，這是由于氣流在迎風(fēng)屋檐發(fā)生分離后，在東南處屋脊處出現(xiàn)二次分離，引發(fā)較強烈的氣體流動分離所致.在背風(fēng)面屋檐處出現(xiàn)脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)最大值0.34，這是由于北側(cè)屋蓋處于來流下游位置，而氣流在上游屋蓋角部和屋脊等銳利邊緣發(fā)生強烈的氣流分離，產(chǎn)生自由剪切層并朝著尾流方向卷起來形成集中的渦，然后向下游脫落，導(dǎo)致下游氣流脈動更為劇烈.

由圖7（b）可知，在45°風(fēng)向角下，來流在屋蓋西南角部發(fā)生分離并形成錐形渦.與0°風(fēng)向角相似，迎風(fēng)屋檐與屋角處脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)較大，尤其是屋角處的脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)最大值達到0.34，而靠近屋蓋中下游部分的脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)則在0.14～0.18之間，在來流下游屋檐處同樣出現(xiàn)較大值，但該處脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)小于0°風(fēng)向角下時的值，這是由于當(dāng)來流趨向水平于模型時與銳利邊緣的夾角減小，使得銳利邊緣對氣流阻礙降低，氣流分離得并不強烈，屋蓋自西向東較為平緩，氣流可以順暢地通過，因此45°風(fēng)向角時下游屋檐脈動風(fēng)壓較0°風(fēng)向角時要小.

如圖7（c）所示，在90°風(fēng)向角下，來流水平于屋蓋，以短軸為界，西側(cè)屋蓋的脈動風(fēng)壓系數(shù)均方根顯著大于東側(cè)屋蓋，靠近西側(cè)外緣處大部分區(qū)域凈脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)較大，其值介于0.20～0.28之間，而處于來流下游的東側(cè)屋蓋則介于0.14～0.18之間.脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布呈現(xiàn)出規(guī)律的階梯式遞減，這是由于在迎風(fēng)面的屋檐處發(fā)生較為強烈的流動分離，使得分離處風(fēng)壓脈動較大，且下游幾乎沒有銳利邊緣，屋蓋自西向東氣流可以順暢通行，因而脈動較小.脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)呈現(xiàn)出遞減的趨勢.

圖7 屋蓋脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布云圖

如圖8所示，對比平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化趨勢可以看出，平均風(fēng)壓系數(shù)大的地方脈動風(fēng)壓系數(shù)也大，測點M56在45°風(fēng)向角下取的屋蓋全風(fēng)向角下最大脈動風(fēng)壓系數(shù)，同時可以看出N區(qū)域（屋脊處）的脈動風(fēng)壓系數(shù)浮動并不明顯，說明該處的脈動風(fēng)壓隨風(fēng)向角變化影響并不大，P區(qū)域（下游屋緣處）在0°風(fēng)向角下取的最大脈動風(fēng)壓，除45°風(fēng)向角下有個增幅外，脈動風(fēng)壓系數(shù)均方根整體隨風(fēng)向角增大而減小，M和N區(qū)域均在45°風(fēng)向角取的最大值，并且P區(qū)域在此時脈動風(fēng)壓系數(shù)也在增大，因此，從圖8可以得出45°風(fēng)向角為最不利風(fēng)向角的結(jié)論.

圖8 脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖

4 極值風(fēng)荷載特征

通過實驗數(shù)據(jù)分析可知會展中心屋蓋受風(fēng)吸力影響遠大于向下的風(fēng)壓力，故本文僅分析極小值風(fēng)荷載分布情況，分別取0°、45°、90°三個典型風(fēng)向角進行分析.

4.1 極小值升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化

圖9為會展中心屋蓋表面極小值升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線圖.由圖可知，屋蓋表面極小值升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化趨勢與前文所述平均升力系數(shù)和脈動升力均方根系數(shù)的變化規(guī)律相同.在0°～180°風(fēng)向角下P區(qū)域和N區(qū)域極小值升力系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，P區(qū)域極小值升力系數(shù)最大值出現(xiàn)在15°，其值為-2.937，N區(qū)域極小值升力系數(shù)最大值出現(xiàn)在30°，其值為-2.763.與P、N區(qū)域不同的是M區(qū)域極小值升力系數(shù)自30°風(fēng)向角開始增大，到75°時風(fēng)向角開始減小，最大值出現(xiàn)在75°風(fēng)向角時，其值為-3.025.在0°～90°風(fēng)向角下，屋蓋整體極小值平均升力系數(shù)隨風(fēng)角呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大值-1.85出現(xiàn)在-15°～30°時.在90°～195°風(fēng)向角下呈現(xiàn)出減小趨勢，195°～360°呈現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的趨勢，270°出現(xiàn)最小值-1.57，在300°～360°風(fēng)向角下，極小值升力系數(shù)快速增大.

圖9 屋蓋表面極小值升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線

4.2 極小值風(fēng)壓系數(shù)分布特征

由式（5）可知，極小值升力系數(shù)可經(jīng)過凈脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)計算得到，此處選取0°、45°、90°三種典型風(fēng)向角下極小值風(fēng)壓系數(shù)分布特征進行分析.

圖10為三種風(fēng)向角下屋蓋表面極小值風(fēng)壓系數(shù)分布云圖.由圖10（a）可知，在0°風(fēng)向下，屋蓋西南角部與北側(cè)屋檐處極小值風(fēng)壓系數(shù)為-2.8，屋蓋中心區(qū)域的極小值風(fēng)壓系數(shù)介于-1.8～-1.6之間，整體規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律類似.氣流迎風(fēng)面角部產(chǎn)生較強的氣流分離，氣流在迎風(fēng)屋檐發(fā)生分離后，在東南處屋脊處出現(xiàn)二次分離，引發(fā)較強烈的氣體流動分離.在背風(fēng)面屋檐處出現(xiàn)脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)最大值為-2.8，這是由于北側(cè)屋蓋處于來流下游位置，而氣流在上游屋蓋角部和屋脊等銳利邊緣發(fā)生強烈的氣流分離，產(chǎn)生由剪切層朝著尾流方向卷起形成集中的渦，然后向下游脫落，因此極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值較大.

由圖10（b）可知，在45°風(fēng)向角下，來流在屋蓋迎風(fēng)角部發(fā)生氣流分離并形成錐形渦.與45°脈動風(fēng)壓系數(shù)均方根系數(shù)相似，迎風(fēng)屋檐與屋角處極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值較大，尤其是迎風(fēng)面屋角處的最大值達到-0.28，而靠近屋蓋中下游部分則在-0.18～-0.16之間，在來流下游屋檐處同樣出現(xiàn)極小值絕對值較大的區(qū)域，這是由于當(dāng)來流趨向于90°吹向模型時，銳利邊緣對氣流分離的強度降低，屋蓋自西向東較為平緩，氣流可順暢地通過，因此脈動強度較小.

圖10 屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)分布云圖

如圖10（c）所示，在90°風(fēng)向角下，極小值風(fēng)壓系數(shù)分布呈現(xiàn)出規(guī)律的階梯式遞減，這是由于在迎風(fēng)面的屋檐處發(fā)生較為強烈的流動分離，且下游幾乎沒有銳利邊緣，屋蓋氣流自西向東可以順暢通行，與脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律.

5 結(jié)論

通過對會展中心屋蓋剛性模型風(fēng)洞測壓試驗，研究了屋蓋表面整體升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的規(guī)律及不同風(fēng)向角下風(fēng)壓系數(shù)分布特征，得出如下結(jié)論：

（1）全風(fēng)向角下，屋蓋表面均受風(fēng)吸力作用且平均、脈動、極小值升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化趨勢一致.

（2）迎風(fēng)屋檐及屋角處氣流分離現(xiàn)象較強，來流下游屋檐受再附剪切層和旋渦的影響，負壓同樣較強.凈極小值風(fēng)壓系數(shù)與凈脈動風(fēng)壓均方根系數(shù)分布規(guī)律一致，迎風(fēng)屋檐、屋角及來流下游屋檐處凈極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值大于屋蓋其他區(qū)域.

（3）在迎風(fēng)面屋檐、屋角及屋蓋表面的銳利邊緣處氣流分離較強，風(fēng)壓脈動較其他區(qū)域更為強烈，屋蓋東南角屋脊處氣流發(fā)生二次分離，導(dǎo)致屋脊下游風(fēng)壓脈動增強，凈極小值風(fēng)壓系數(shù)絕對值也較屋蓋中心區(qū)域更大.

（4）風(fēng)向角變化對風(fēng)荷載分布的影響顯著，不同風(fēng)向角下的氣流分離區(qū)域和漩渦脫落作用存在差異，平均風(fēng)壓系數(shù)的最大值出現(xiàn)的區(qū)域也隨風(fēng)向角的變化發(fā)生改變，在設(shè)計時應(yīng)注意考慮最不利風(fēng)向角對屋面荷載分布的影響.

（5）在工程實踐中，考慮屋蓋表面風(fēng)壓分布特性和高矢跨比時背風(fēng)屋檐受尾流和再附剪切層影響較為明顯，對類似會展中心模型的屋蓋，應(yīng)該對靠周邊建筑外側(cè)部分的屋檐、屋角及屋脊下游處屋蓋進行強化處理，增強其剛度，減小因風(fēng)載造成的結(jié)構(gòu)振動，且背風(fēng)屋檐處也需加強，避免其因遭受較大負壓而破壞.