封閉煤場屋面風荷載體型系數物理模型試驗研究

張江霖，范振中，周麗瓊，馬春雷

(1.中國電力工程顧問集團科技開發有限公司，北京 100120；2. 中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

封閉煤場屋面風荷載體型系數物理模型試驗研究

張江霖1，范振中2，周麗瓊2，馬春雷2

(1.中國電力工程顧問集團科技開發有限公司，北京 100120；2. 中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

本文通過介紹封閉式圓形煤場網殼風荷載體型系數的物理模型試驗研究情況，給出相應的研究結論，供封閉式圓形煤場網殼屋面結構的合理和優化設計參考。

封閉式圓形煤場；球形網殼；風荷載體型系數；物理模型試驗.

1 概述

封閉式圓形煤場是燃煤火力發電廠煤儲存設施的統稱，包括煤場機械設備和土建兩部分。近年來，隨著環保要求的不斷提高以及資源節約重要性的日益突出，作為煤儲存設施的封閉煤場開始在火力發電廠中推廣應用。封閉煤場結構設計主要包括鋼筋混凝土環形擋煤墻以及屋蓋結構，其屋蓋均采用跨度100 m以上的大跨度螺栓球節點空間球面網殼結構。單個直徑為120 m的封閉煤場正常貯量達20萬t，可滿足2 MW×600 MW電廠運行15天～20天的要求,其典型斷面如圖1所示。

圖1 直徑120m封閉式圓形煤場典型橫斷面圖

2 風荷載設計參數的確定

風荷載是大跨度空間結構的主要荷載之一，目前大跨度空間結構均采用輕型維護結構恒、活荷載相應較小，風荷載成為此類結構設計的控制荷載，因此合理確定風荷載對于大跨度屋面球面網殼設計的安全和經濟具有重要意義。對于封閉煤場屋面結構設計中基本風壓、風壓高度變化系數等設計參數可以根據現行規程規范確定，而風荷載體型系數需要進行研究確定，現行國標《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)、歐洲鋼結構協會(ECCS)風效應技術委員會及前蘇聯CHNII2.01.07-85《荷載和作用》規范都作的相關規定見圖2、圖3、圖4。不難發現三個規范關于風荷載體型系數的差異較大，同時根據有關文獻的風洞試驗結果同現行國標規范相比也存在一定的不同，考慮到封閉煤場屋面結構的特殊性，有必要進行深入研究；另外從工程設計實際需要考慮，有必要對封閉煤場的直徑、擋煤墻高度、場地土類別、屋面結構全封閉和局部開啟等對風荷載體型系數影響等問題進行研究，以確定合適的風荷載設計參數保證結構安全。綜上考慮，《封閉式圓形煤場優化設計研究》課題組開展了封閉煤場屋面風荷載體型系數的物理模型試驗。

圖2 國標《建筑結構荷載規范》風荷載體形系數μs

圖3 ECCS球面風荷載體型系數

圖4 前蘇聯CHNII2.01.07-85《荷載和作用》中球體表面外壓空氣動力系數Ce

3 物理模型試驗研究

3.1 模型試驗研究

120m直徑模型的剛性物理模型試驗在北京大學環境科學與工程學院的環境風洞進行，模型縮尺比例為1∶129。北京大學環境風洞結構圖、試驗段中的模型和尖塔見圖5、圖6。

圖5 北京大學環境風洞結構圖

圖6 試驗段中的模型和尖塔－粗糙元

試驗分析對照了不同的擋煤墻高度(9 m和18 m兩種)、場地土類別(A類和B類兩種)、封閉煤場屋面結構全封閉及局部開啟對風荷載體型系數的影響，其中局部開敞時試驗模型為屋面網殼和擋煤墻頂部2 m高度范圍(即網殼支承混凝土短柱高度范圍)開敞，其他部分網殼封閉。網殼結構上布置內外測壓孔分布圖見圖7，模型測壓孔開在模型四分之一內外球冠上，布置在球冠經線和緯線的交點上。緯線B圍成的球冠對應的球心角為25°，從緯線B開始每增加12°畫一條緯線，分別標記為C、D、E、F、G。

圖7 模型測壓孔布置(左圖：俯視圖，右圖：中心剖面圖)

3.2 試驗結果分析

3.2.1 試驗結果與國標規范的分析對照

對于典型物理模型煤場直徑120 m，擋煤墻高度9 m，A類地貌的試驗結果和GB50009/ECCS規范進行對照分析見表1。

表1 試驗結果與GB50009/ECCS規范對照分析(直徑120m，擋煤墻高度9m，A類地貌)

從試驗結果和國標GB50009的對照分析可知：兩者正壓區和負壓區的分布范圍基本一致；負壓區風荷載體型系數，試驗結果要小于規范值；正壓區的風荷載體型系數，試驗結果要大于規范值，規范值是否存在不安全的

因素有待檢驗。從試驗結果和歐洲鋼結構協會(ECCS)規范的對照分析可知：兩者正壓區和負壓區的分布范圍基本一致；正壓區及負壓區的風荷載體型系數，ECCS規范數值均要大于風洞試驗結果，可見ECCS規范是偏于保守的。

3.2.2 擋煤墻高度對風荷載體型系數的影響

120 m直徑，不同擋煤墻高度條件下(9 m/18 m)的封閉煤場試驗結果統計見表2。

表2 不同擋煤墻高度條件下的試驗結果

分析1軸線A、B、…G各點的風荷載體型系數值可以看出，正壓區最大值點1G在擋煤墻高度從9 m變為18 m時，風荷載體型系數從0.57增大到0.59，增幅為3.7 %；負壓區最大值點1A在擋煤墻高度從9 m變為18 m時，風荷載體型系數從-0.87增大到-0.89，增幅為2.6 %。對照ECCS可知擋煤墻高度從9 m增大18 m時，h/d值從0.075增大為0.15，f/d值保持0.44不變，則A點處外部壓力系數Cpe(正壓力)從0.67降低為0.64，降幅為4.7 %；B點處的外部壓力系數Cpe(負壓力)從-1.11增大為-1.14，增幅為2.7 %。兩者結果比較可知，擋煤墻高度從9 m增大到18 m時，負壓區風荷載體型系數的變化規律是相似的，增幅為3 %；對于正壓區的風荷載體型系數變化，ECCS規范是呈降低趨勢，而試驗結果剛好相反，增大了3.7 %。

3.2.3 場地類別對風荷載體型系數的影響

對于120 m直徑，擋煤墻高度9 m，不同場地類別(A類／B類)的封閉煤場試驗結果統計見表3。

表3 不同場地的封閉煤場試驗結果

試驗結果表明：A、B不同地貌條件下，負壓區最大點的風荷載體型系數從-0.871變化為-0.837，變化的幅度為4 %，正壓區最大點的風荷載體型系數從0.569變化為0.552，變化的幅度為3 %。

3.2.4 封閉煤場全封閉及局部開敞對風荷載體型系數的影響

對于120 m直徑，擋煤墻高度為18 m的封閉煤場全封閉及局部開敞時的試驗結果統計見表4。

表4 封閉煤場全封閉及局部開敞時試驗結果

續表4

試驗結果分析表明：模型從全封閉變為局部開敞時，模型正壓區和負壓區的分布區域范圍規律基本上保持不變；開敞模型內側基本為恒定的負壓；封閉煤場屋面內部的負壓分布導致整個屋面迎風面正壓區風壓增大，而對分離區的負壓有所緩解；風荷載體型系數的變化趨勢為負壓區體型系數最大值從-0.82減少為-0.66，而正壓區體型系數最大值從0.59增大為0.96。

4 結論與建議

通過封閉煤場的物理模型試驗結果進行研究與分析，有如下結論：

⑴從試驗結果和GB50009規范對照分析來看，兩者正壓區和負壓區的分布范圍基本一致，但試驗結果負壓區和正壓區的風荷載體型系數要大于GB50009規范值，GB50009規范值是否存在不安全的因素有待檢驗；歐洲鋼結構協會(ECCS)規范考慮了封閉煤場擋煤墻高度和煤場直徑變化對風荷載體型系數的影響，從與試驗結果對照分析可知兩者一致性較好，正壓區和負壓區的分布范圍基本一致，且ECCS規范中正壓區及負壓區的風荷載體型系數數值均大于試驗結果(偏于安全)，因此實際工程設計中建議采用ECCS規范。

⑵試驗表明擋煤圍墻高度變化、場地類別不同、封閉煤場全封閉與局部開敞等因素均對對球狀網殼風荷載體型系數均產生一定的影響：擋煤墻高度在9 m～18m之間變化時體型系數對應的變化范圍為5 %～10 %；煤場直徑從90 m增大12 0m時迎風面風荷載體型系數呈增大趨勢，增大幅度約為6 %；場地類別變化(A類/B類)和擋煤墻加設扶壁柱時風荷載體型系數變化不大，實際結構設計建議可以不予考慮其影響；煤場屋面側窗開啟后對球狀屋面外表面負壓分布區減壓有利，但同時導致迎風面正壓大幅度增大，實際工程應用中不建議采用側窗開啟的局部開敞屋面圍護結構。

⑶工程實際需要和時，封閉煤場屋面結構風荷載體型系數的確定應優先考慮物模試驗。

[1]GB50009—2001建筑結構荷載規范[S]．

[2]CHИП2.01.07-85荷載和作用[S]．

[3]中南電力設計院，廣東河源電廠封閉煤場新型結構方案研究[R]．2006．

[4]中南電力設計院．封閉式圓形煤場優化設計研究(土建部分)[R]．2008．

Physical Model Test of Roof 's Wind Load form Coef fi cient in Enclosed Circular Coal Yard

ZHANG Jiang-lin1, FAN Zhen-zhong2, ZHOU Li-qiong2, MA Chun-lei2
(1.China Power Engineering Consulting(Group)Technology Development Co., LTD., Beijing 100120, China;
2. Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

This paper is focused on the physical model test for the enclosed circular coal yard roof’s wind load form coefficient,and supply the study result, which can provide the essential reference for enclosed circular coal yard roof’s rational and optimized design.

the enclosed circular coal yard; spherical shed; wind load form coef fi cient; physical model test.

TM621

B

1671-9913(2011)01-0040-05

2010-12-27

張江霖(1973-)，男，高級工程師，一級注冊結構工程師。