北京南站雨棚結構平均風荷載特性試驗研究

趙建華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

對于大跨屋蓋結構的表面風壓體型系數(shù),現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)[1]僅給出了幾種簡單形狀房屋的體型系數(shù)用于指導工程設計,而沒有給出用于設計的大跨屋蓋結構屋面風荷載。國內(nèi)對大跨屋蓋結構的風荷載特性已進行了一些研究[2～6],也得出了不少有用的結論,但這些結論還不能完全適用于其他大跨結構．

北京鐵路南站主樓南北長350 m,東西寬190 m,最高處約40 m。主樓兩側為大跨度懸挑雨棚,內(nèi)雨棚對稱軸線處寬約64 m,最高處約31 m,外雨棚對稱軸線處寬約56 m,最高處約26 m。雨棚南北長約330 m。對北京南站而言,風荷載是控制結構設計的主要荷載之一。為保證結構安全,對此工程的剛性模型進行了風洞試驗,測量了模型表面的平均風壓和脈動風壓,試驗結果可用于整體結構設計和圍護結構設計。

1 風洞試驗簡介

北京南站風洞試驗在同濟大學風洞實驗室進行,根據(jù)北京南站周圍數(shù)公里范圍內(nèi)的建筑環(huán)境,按照C類地貌模擬大氣邊界層風場[4]，C類地貌定義見我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2001)。按照文獻[4]的方法,以1/250的幾何縮尺比模擬了C類風場(圖1,其中Ug表示10 m高風速,U表示風速,α表示風速剖面指數(shù),Iu表示湍流度)。

圖1 C類地貌平均風速剖面、紊流度剖面

北京南站風洞測壓試驗模型為剛體模型(圖2),用有機玻璃板和ABS板制成,具有足夠的強度和剛度,在試驗風速下不發(fā)生變形,并且不出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象,以保證壓力測量的精度?？紤]到實際建筑物和周邊建筑的情況,選擇模型的幾何縮尺比為1/250。模型與實物在外形上保持幾何相似。試驗時將試驗模型和周邊建筑模型放置在轉(zhuǎn)盤上,通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風向[7]。

圖2 北京南站風洞試驗模型

在北京南站整個模型上總共布置了1 987個測壓孔。在模型主樓屋面懸挑部分,在上下兩面均單獨布置了測點。在兩側雨棚部分,每個測點位置需布置1對測點,每對測點包括上、下表面兩個測壓孔,以同時測量該點處內(nèi)外表面的壓力,而該測點最終的壓力為上、下表面壓力之差。

試驗參考點選在高度為1.0 m處,該高度對應于實際高度250 m。風洞測壓試驗的參考點風速為12 m/s。測壓信號采樣頻率約為300 Hz,每個測點采樣樣本總長度為6 000個數(shù)據(jù)。試驗中,對每個測點在每個風向角下都記錄了6 000個數(shù)據(jù)的風壓時域信號,加上所采集的參考點總壓和靜壓的數(shù)據(jù),共記錄了約4.3億個數(shù)據(jù)。

在空氣動力學中,物體表面的壓力通常用無量綱壓力系數(shù)CPi表示為

(1)

式中，CPi為測點i處的壓力系數(shù),Pi為作用在測點i處的壓力,P0和P∞分別是試驗時參考高度處的總壓和靜壓。

對結構懸挑部分,在進行結構設計時,需要用到的是懸挑部分各測點的凈壓差值,即各測壓點上下表面風壓之差,再對其進行概率統(tǒng)計分析。懸挑部分上下表面同步測量的各對測壓點上的凈壓力系數(shù)由式(1)導出如下

(2)

式中，Piu為作用在測點i處的上表面壓力,Pid為作用在測點i處的下表面壓力。

凈壓力的方向由式(2)決定。

由于風壓是隨機變量,因此為了獲得平均風壓系數(shù),必須對所記錄的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,以獲得各測點在各個風向角下的平均風壓系數(shù)CPmean,i(以梯度風壓為參考風壓的風壓系數(shù))。

在進行建筑結構設計時,常以10min平均風速下的風壓值再考慮動力放大效應(我國規(guī)范中定義為風振系數(shù))作為設計荷載。根據(jù)試驗所得的各風向角下的平均風壓系數(shù)CPmean,i以及參考風壓(梯度風風壓pG),則50年和100年重現(xiàn)期下建筑物表面上測點i處在各個風向角下的平均風壓wmean,i(10min平均風速)為

(3)

2 平均風壓分布

圖3 北京南站西雨棚的最不利正風壓(50年重現(xiàn)期)(單位：kPa)

按照我國《建筑結構荷載規(guī)范》計算了用于圍護結構設計的風壓值。作用在點支式玻璃幕墻及圍護結構上的風荷載標準值應按下述公式計算

wi=βgzμsiμziw0

(4)

式中,μsi為測點i處的風荷載點體型系數(shù)(由以上風洞試驗獲得)；μzi為測點i處的風壓高度變化系數(shù)；βgz為陣風系數(shù),按現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》采用；w0為基本風壓?！督ㄖY構荷載規(guī)范》條文說明中指出,圍護結構的重要性與主體結構相比要低些,因此用于圍護結構設計的風壓取為50年重現(xiàn)期。若設計方選用100年重現(xiàn)期,則將以上50年重現(xiàn)期結果乘以系數(shù)0.50/0.45=1.11即可。

處于紊流場中的各測點的風壓系數(shù)CPi是個隨機變量,因此對各個測點除了得到前述的各個風向角下的平均風壓系數(shù)CPmean,i, 對所記錄的數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計分析后還可獲得各測點各個風向角下的脈動均方根風壓系數(shù)Cprms,i(以梯度風壓為參考風壓)。

根據(jù)概率統(tǒng)計理論可知,各測點在某一風向來流的作用下,其風壓系數(shù)的極大值CPmax和極小值Cpmin可表示為

CPmax=CPmean+kCPrms

(5)

Cpmin=Cpmean-kCprms

(6)

其中k=2.5～4為峰值因子,在這里取k=3.5[6]。北京南站各測點50年重現(xiàn)期的最大極值風壓見圖3和圖4,最小極值風壓見圖5和圖6。對封閉結構部分,進行了相應的內(nèi)壓修正。

圖5 北京南站西雨棚的最不利負風壓(50年重現(xiàn)期)(單位：kPa)

3 結果分析

隨著風向角的變化,屋蓋上的平均風壓主要呈現(xiàn)負壓(即風吸力),較大的吸力主要是分布在迎風面的屋檐和屋蓋角區(qū)。在最不利風向角下,氣流在懸挑區(qū)域的角部分離,形成很大逆壓梯度,且在分離點出現(xiàn)很大的吸力,此時最大負平均風壓-1.07 MPa。在上風向區(qū)域負風壓系數(shù)較大,且其變化梯度也大；而在下風向區(qū)域負風壓較小。從試驗結果也看出,當氣流在鈍物繞流時,先在物體邊緣拐角出現(xiàn)分離形成很大的吸力,然后往下游發(fā)生再附著,負風壓減小甚至出現(xiàn)正風壓。因此在進行大跨結構抗風計算時,應適當考慮下風向區(qū)域正壓對結構的影響。在不同來流風向下,朝著來流方向的鈍物形狀對尾流產(chǎn)生很大影響,而且其流向長度對尾流也起到了重要作用。

為了直觀地觀察整個屋蓋各測點在所有風向下的最大吸力,將各個測點在全風向角下的最大負風壓系數(shù)提取出來,得到屋面全風向角下最大平均負風壓分布,可以看出較大的負風壓系數(shù)分布在迎風面的屋檐及其角區(qū)附近,而屋面內(nèi)部區(qū)域的負風壓相對較小。

4 結論

通過對北京南站雨棚結構模型的測壓試驗和分析,可以得到如下主要結果。

(1)北京南站雨棚結構屋面平均風壓一般以負壓為主。受到鈍物繞流的氣流分離、再附的影響,在迎風向的屋檐及其角區(qū)附近出現(xiàn)很大負壓且局部負壓梯度變化很大,特別是迎風懸挑屋檐角區(qū)；在下風向區(qū)域屋面負壓比較小,甚至出現(xiàn)正壓力。因此,此類風壓分布特征在大跨結構設計中應引起注意。

(2)結構外形在鈍體繞流中起決定性作用,直接影響屋面風壓的分布。

[1] 中華人民共和國建設部.GB 5009—2001建筑結構荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[2] 程志軍,樓文娟,孫炳楠,等.屋面風荷載及風致破壞機理[J].建筑結構學報,2000,21(4)：39-49.

[3] 謝壯寧.倪振華,石碧青.大跨屋蓋風荷載特性的風洞試驗研究[J].建筑結構學報,2001,22(2)：23-28.

[4] 黃 鵬,顧 明.風洞中模擬大氣邊界層流場的方法研究[J].同濟大學學報,1999，27(2).

[5] 點支式玻璃幕墻工程技術規(guī)程CECS 127：2001,中國工程建設標準化協(xié)會標準．

[6] Wind tunnel studies of buildings and structures, ASCE manuals and reports on engineering practice No.67, Task committee on wind tunnel testing of buildings and structures[M]. Aerodynamics committee aerospace division, American Society of Civil Engineers, 1999.

[7] 沈之容，王之宏.上海北外灘酒店中庭結構風洞試驗[J].建筑科學與工程學報，2006(12).