國家海洋博物館風洞試驗與等效靜風荷載研究

近年來，大跨屋蓋結構得到了前所未有的發展，被廣泛用于各種大型公共建筑中。大跨屋蓋結構具有跨度大、自重輕、阻尼小的特點，屬典型的風敏感結構。由于其風荷載和風效應的復雜性，近年來國內外學者從風荷載、結構風振響應和抗風設計理論等方面對大跨屋蓋結構的抗風設計理論進行了大量研究并已體現在各國風荷載規范中[1～2]。

但上述研究成果具體到工程應用中還存在一些問題，如大跨屋蓋風荷載時空特性復雜且受特征湍流影響顯著，屋蓋結構等效目標眾多等問題，導致對于實際大型結構尚未形成成熟的抗風設計方法，一定程度上限制了該類結構的進一步發展。本文以國家海洋博物館為研究對象，采用剛性模型動態測壓試驗獲得建筑表面的平均及脈動風荷載信息；建立結構有限元模型，應用時程分析方法計算結構風振響應，相當于考慮了所有振型的貢獻；在此基礎上應用多目標等效靜風荷載方法獲得了針對多個目標響應的等效靜力風荷載分布并將計算結果與實際動力極值響應進行了對比。

1 工程概況

國家海洋博物館選址于天津市濱海旅游區核心區，規劃占地面積15萬m2，總建筑面積約8萬m2，是我國首座國家級、綜合性、公益性的海洋博物館，建成后將展示海洋自然歷史和人文歷史，成為重塑中國國家海洋文明價值觀的國家級愛國主義教育基地。外立面體型不規則，其風荷載分布依現有資料難以確定；同時，由于該結構跨度較大，風致動力效應突出，現行GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》已經不能提供其設計風荷載。因此，須通過風洞模型試驗測量結構表面的風壓分布；在此基礎上，對結構進行風振響應分析，確定主體結構設計所需的等效靜力風荷載。

2 風洞試驗

風洞試驗在北京交通大學風洞試驗室高速試驗段內進行，風洞試驗模型為剛性模型，采用有機玻璃和ABS板制成，模型具有足夠的強度和剛度，能夠保證在試驗風速下不發生明顯的振動現象，以保證壓力測量的精度。考慮風洞阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200，見圖1。試驗模型共設計933個測點，試驗風速為12 m/s，試驗采樣頻率為312.5Hz。試驗時，模型固定在試驗段底壁轉盤上，由0°開始逆時針旋轉到345°，每隔15°測量一次，共進行24個風向角的測量。試驗中通過在迎風向前沿布置尖塔、擋板和粗糙元模擬A類地貌風速剖面。

限于篇幅，圖2給出了45°風向角下屋面平均風壓系數分布，可以看出，屋蓋風壓主要表現出風吸力的作用，分布總體上具有與風的來流相垂直的特性且基本呈現平行分布，即在各垂直于來流的截面上風壓系數基本接近。各館屋蓋風壓存在一定的干擾效應，干擾效應總體上表現為遮擋效應，即位于下游的屋蓋平均風壓有減小的趨勢。各屋面間風壓分布相互影響但總體上也呈現出與來流相垂直的特性。

圖1 風洞試驗

圖2 45°風向角下屋面平均風壓系數分布

3 風振響應分析

風振分析采用通用有限元軟件ANSYS，計算模型見圖3。該結構為大跨度鋼結構桁架體系，建模中采用Beam188單元模擬鋼結構構件，Shel l63單元模擬下部混凝土墻體。

圖3 有限元模型

采用時程分析方法進行各場館典型工況下的風振響應分析，45°風向角下A館所有節點最大位移分布見圖4。可以看出，屋蓋中部位移較大，其原因是該位置遠離支撐，豎向剛度較弱。45°風向角下最大位移節點的位移時程及功率譜密度見圖5。從屋蓋最大位移點響應的譜密度曲線中可以看出，響應譜在0.97Hz左右出現明顯的峰值，對應于結構第2階振型。

圖4 極值位移分布

圖5 最大位移節點的位移時程及功率譜密度

4 多目標等效靜風荷載

大跨屋蓋結構抗風設計一般采用等效靜風荷載，傳統的等效靜風荷載分析方法，如荷載-響應相關系數法、慣性力法等均是針對某一特定等效目標（如最大節點位移或最大桿件內力）進行求解。對于大跨屋蓋結構，由于關心的響應類型眾多，存在所謂多等效目標問題，導致傳統分析方法并不適用。為解決這一問題，本文引入多目標等效靜風荷載分析方法，目的是獲得可同時滿足多個目標等效的靜力風荷載分布，其基本思路是分別建立多目標等效方程組和約束方程組，前者的目的是得到與各等效目標吻合程度最好的數值解，后者的作用是保證等效靜風荷載在各節點的合力與建筑表面垂直，避免某些不合理作用模式的出現。多目標等效靜風荷載的具體求解方法可參見文獻[3～4]。

圖6分別給出了45°風向下以結構所有上弦節點豎向位移和所有桿件最大應力為等效目標的靜力荷載作用下結構的響應并與時程方法得到的結構動力極值響應進行了對比。可以看出，等效靜風荷載作用下結構的位移和內力響應均與實際動力響應分析結果吻合較好，表明本文給出的等效靜風荷載可以滿足工程設計的要求。

圖6 45°風向角等效結果驗證

5 結論

1）該類大跨屋蓋結構的屋面風荷載受特征湍流影響顯著，屋蓋風壓主要表現出風吸力的作用，分布總體上具有與風的來流相垂直的特性。各館屋蓋風壓存在一定的干擾效應，干擾效應總體上表現為遮擋效應，即位于下游的屋蓋平均風壓有減小的趨勢。

2）結合大跨屋蓋結構風效應特點引入多目標等效靜風荷載分析方法，獲得了針對多個等效目標的靜力風荷載分布并對等效結果進行了驗證，結果表明該方法可以實現以少量靜力風荷載分布形式實現所有響應均與動力極值響應等效，從而實現了簡化結構抗風設計的目的。

[1]孫 瑛,武 岳,林志興,等.大跨度平屋蓋表面的特征湍流特性研究[J].空氣動力學學報,2007,25（3）：319-324.

［2］Uematsu Y,Kuribara O,Yamada M,etal.Wind-induced dynamic behavior and its load estimation of a single-layer latticed dome with a long span[J].Journal of Wind Engineering and Indust rial Aerodynamics,2001,89(14)：1671-1687.

［3］吳 迪,武 岳,張建勝.大跨屋蓋結構的多目標等效靜風荷載分析方法[J].建筑結構學報,2011,32（4）：17-23.

［4］吳 迪,武 岳,孫 瑛,等.大跨度鐵路站房屋蓋結構風洞試驗與等效靜風荷載研究[J].建筑結構學報,2012,33（1）：43-50.