體育場月牙形大跨懸挑屋蓋風荷載特性

李波，馮少華，楊慶山，范重

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044;2.中國建筑設計研究院 范重工作室，北京 100044)

大跨懸挑屋蓋具有自重輕、跨度大、結構柔等特點，風荷載是其結構設計的主要控制性荷載，屬典型風敏感結構［1-2］.大跨懸挑屋蓋的風荷載特性一直是風工程研究的熱點，國內外研究者通過風洞試驗得到了一些有價值的結論［3-5］，對認識該類結構的風荷載特性起到了重要作用.

月牙形大跨懸挑屋蓋是現代體育場看臺最常采用的罩棚形式，并且通常呈雙側布置用以滿足建筑功能要求.平面形體的改變使得月牙形大跨懸挑屋蓋的風荷載分布更為復雜，雙側布置又使得屋蓋間風致干擾效應成為需要考察的內容.相對于普通大跨懸挑屋蓋，專門針對月牙形大跨懸挑屋蓋風荷載的研究相對缺乏.文獻［6］采用數值的方法對月牙形大跨懸挑屋蓋的平均風壓分布進行了預測，文獻［7］則研究了局部構造對月牙形懸挑屋蓋平均風壓分布的影響.

靈武體育中心位于寧夏回族自治區靈武市新區行政中心，距自治區首府銀川市38 km，總建筑面積27 173 m2.體育場西側設上、下兩層看臺，東側設一層看臺，并在東、西兩側看臺上方設置大跨度懸挑屋蓋.懸挑屋蓋為復雜曲面，前高后低，且中間高、兩側低，平面投影為月牙形.

本文將以靈武體育中心為例，采用同步測壓風洞試驗的方法對雙側布置的月牙形懸挑屋蓋風荷載特性進行了研究，重點分析該類懸挑屋蓋平均風荷載、脈動風荷載與極值風荷載的分布特性，為該類結構的抗風設計提供參考.

1 風洞試驗概況

1.1 試驗風場

本次試驗在北京交通大學風洞實驗室高速試驗段完成，該風洞(圖1)為雙試驗段回流式閉口風洞，風洞洞體平面尺寸為41.0 m×18.8 m，其中，高速試驗段尺寸為 3.0 m ×2.0 m ×15.0 m，低速試驗段尺寸為5.2 m ×2.5 m ×14.0 m.經第三方校核，風洞風場品質優秀.

圖1 北京交通大學風洞試驗室Fig.1 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University

在正式試驗前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)的規定，模擬了1∶200的B類風場(地面粗糙度指數α=0.16)，試驗中名義風速為15 m/s，風場平均風剖面如圖 2 所示.圖中 Z、Zr、U、Ur、α 分別為高度、參考點高度、風速、參考點處風速和風速剖面冪指數(試驗中，參考點設置在模型頂部高度處).

圖2 平均風速與湍流度剖面Mean wind speed and turbulence intensity profiles

1.2 試驗模型及數據處理

試驗模型為剛性模型，根據設計圖紙，采用ABS材料制作，主體模型具有足夠的強度和剛度，在試驗過程不會發生變形和振動，以保證壓力測量的精度.根據實際建筑物的大小和風洞試驗阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200，如圖3所示.

圖3 風洞試驗模型Fig.3 Wind tunnel test model

該體育中心月牙形大跨懸挑屋蓋分東、西兩部分，其中，東懸挑屋蓋面積較小，且高度較西懸挑屋蓋低.采用雙面測壓技術［8］，在西懸挑屋蓋內外表面共布置352個測壓點，在東懸挑屋蓋內外表面共布置312個測壓點，如圖3所示.測點處設置測壓管，用來測量各點的瞬時風壓.試驗采用美國PSI公司生產的電子掃描閥測壓系統，采樣頻率311.74 Hz，每個通道采樣點數為 9 000，采樣時間28.8 s.在 0°～360°范圍內每轉動 10°測試一次，主要風向角如圖4所示.

在結構風工程中，物體表面的壓力通常用對應于參考點的無量綱壓力系數表示，該系數可按下式確定［9］:

圖4 測點布置圖及風向角示意Fig.4 Tap distribution and wind angle

本文風壓符號約定為:壓力向上或向外為負，壓力向下或向內為正.

2 平均風荷載

壓力系數的均值反映了平均風荷載.本節將基于風洞試驗結果給出月牙形大跨懸挑屋蓋壓力系數均值分布，用以揭示該類結構的平均風荷載分布特性.

2.1 平均風荷載分布

圖5給出了靈武體育中心0°、270°風向角，屋蓋上、下表面合成后的壓力系數均值分布云圖.

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0°風向角時平均風荷載分布如圖5(a)所示.該風向角東、西懸挑屋蓋沿來流方向對稱布置，由于兩片屋蓋形狀相似，平均風荷載分布規律基本相同;受屋蓋傾角變化的影響，平均風荷載沿屋蓋由正壓逐漸變化為負壓;其中，屋蓋正壓區與負壓區的分界線大致在屋蓋三分之一處，該處屋蓋傾角約為10°;由平均壓力分布圖還可以看出，來流在屋蓋正壓區、負壓區的角部產生了明顯的錐形渦［10-11］，正壓區渦心處壓力系數均值為0.6，負壓區渦心處壓力系數均值為 -0.5.

270°風向角時平均風荷載分布如圖5(b)所示.該風向角東懸挑屋蓋位于來流上游，作用于屋蓋的風荷載均為負壓，并且風壓分布對稱性較好.來流在東屋蓋根部形成了明顯的柱狀渦［12］，渦心處壓力系數均值達到-0.6，但是柱狀渦作用范圍較小，衰減很快;來流流過東屋蓋后，在西屋蓋懸挑端再次形成柱狀渦，由于來流受東屋蓋阻礙，流速減緩，湍流成分增加，該柱狀渦的作用范圍較大，但強度小，渦心處壓力系數均值僅為-0.35.

圖5 壓力系數均值分布Fig.5 Distribution of the mean of pressure coefficient

2.2 平均風荷載隨方向角變化

為了更好地說明平均風壓分布規律，圖6給出了月牙形大跨懸挑屋蓋整體平均壓力系數隨風向角的變化曲線.其中，屋蓋整體平均壓力系數定義為:

圖6 屋蓋整體平均壓力系數Fig.6 The mean of pressure coefficient of the whole roof

可以看出，東、西懸挑屋蓋整體平均壓力系數隨風向角變化的規律性較好.處于來流上游的懸挑屋蓋整體風壓值較小，而處于下游的懸挑屋蓋風壓值較大;50°和140°風向角時，東屋蓋整體風壓值較大，其值達到 -0.4;230°與310°風向角時，西屋蓋整體風壓值較大，其值達到-0.54.

3 脈動風荷載

壓力系數的根方差是用來衡量脈動風壓大小的重要指標.圖7給出了0°、270°風向角，月牙形大跨懸挑屋蓋上、下表面合成后的壓力系數根方差分布云圖.

圖7 壓力系數根方差分布Fig.7 Distribution of the RMS of pressure coefficient

由圖7可以看出，壓力系數根方差的分布規律與壓力系數均值分布規律相似.90°風向角時，東、西屋蓋壓力系數根方差分布基本相同，但是西屋蓋渦心處壓力系數根方差的值較東屋蓋大;270°風向角時，東屋蓋壓力系數根方差衰減較慢，西屋蓋則衰減較快.

圖8給出了屋蓋整體壓力系數根方差隨風向角的變化曲線.可以看出，處于來流上游的懸挑屋蓋脈動風壓較小，而處于下游的懸挑屋蓋脈動風壓較大，該規律與平均風壓變化規律一致.

圖8 屋蓋整體壓力系數根方差Fig.8 The RMS of pressure coefficient of the whole roof

4 極值風荷載

極值風壓是用來指導圍護結構抗風設計的重要依據.對于大跨度懸挑屋蓋而言，上吸風極值通常為最不利荷載，按本文的符號約定，即為壓力系數極小值.本文按下式確定作用于屋蓋的極值風荷載:

圖9給出了36個風向角作用下，月牙形大跨懸挑屋蓋上、下表面最不利壓力系數極小值分布云圖.由圖可以看出，屋蓋表面的極值風壓分布對稱較好，上表面極值風壓數值普遍大于下表面，且變化更為劇烈;屋蓋上表面極值風壓數值大于-1.6的區域占到整個屋蓋的1/3，并且僅位于屋蓋的懸挑端;下表面則是屋蓋邊緣周圈的極值風壓數值均較大，約占屋蓋的1/5區域.

圖9 壓力系數極值分布Fig.9 Distribution of the minimum of pressure coefficient

5 結論

風荷載是大跨懸挑屋蓋結構設計的主要控制性荷載，本文以靈武體育中心為例，采用同步測壓風洞試驗得到了作用于體育場雙側布置的月牙形大跨懸挑屋蓋平均風荷載、脈動風荷載以及極值風荷載的分布特性:

1)整體而言，作用于雙側布置的月牙形大跨懸挑屋蓋的平均風荷載、脈動風荷載隨風向角變化均勻，處于來流下游的懸挑屋蓋平均風荷載、脈動風荷載均較處于來流上游的懸挑屋蓋大.

2)當來流與懸挑屋蓋縱向平行時(如0°風向角)，受屋蓋傾角變化的影響，來流前緣為正壓區，后緣為負壓區，并且，來流在屋蓋表面形成錐形渦，渦心位于屋蓋角部;當來流與懸挑屋蓋橫向平行時(如270°風向角)，屋蓋表面均為負壓區，來流在屋蓋前緣形成柱狀渦.

3)懸挑屋蓋上表面極值風壓數值普遍大于下表面，且變化更為劇烈;上表面懸挑端1/3的范圍均可劃為邊緣區，極值風荷載較大.

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