局部開口對封閉柱面網殼風荷載影響

馬文勇，李曉娜，劉慶寬，齊澎波

（1.石家莊鐵道大學風工程研究中心，石家莊 050043；2.海軍工程設計研究院，北京 100070）

局部開口對封閉柱面網殼風荷載影響

馬文勇1，李曉娜1，劉慶寬1，齊澎波2

（1.石家莊鐵道大學風工程研究中心，石家莊 050043；2.海軍工程設計研究院，北京 100070）

局部開口對封閉大跨度空間結構風荷載影響很大，通過剛性模型測壓風洞試驗對底部和頂部有局部開口的兩端封閉三心圓柱面網殼結構的風荷載分布進行了研究，對比不同開口狀況下結構的力系數及風荷載分布，給出了局部開口對風荷載及其分布的影響規律，如強負壓區的局部開口能有效的減小結構表面的風吸力，而正壓區域的局部開口會增大結構表面的風吸力，這些規律為類似結構的抗風設計及防風措施提供了合理的建議。

封閉圓柱面網殼；局部開口；風洞試驗；風荷載分布；防風措施

三心圓柱面單層網殼廣泛應用于工業加工和存儲結構，如電廠儲煤等［1］。為了滿足工藝、運輸及室內工作環境的要求常需要對結構局部開口，另外在使用過程中該類結構也存在著不同開口組合開放的情況。

三心圓柱面或者穹頂結構的風荷載分布規律比較復雜［2－5］。圓弧形結構表面流體分離形態復雜，局部開口不僅對結構表面形狀的影響大，流體流動狀態也會發生明顯的變化，對風荷載有很大的影響，如兩端的封閉狀況與底部開口的影響［6］、頂部開口（換氣孔）以及底部門窗對風荷載影響［7］、風向與局部開口的位置關系的影響等等。在結構的實際使用過程當中，各種局部開口的組合使得不同工況下風荷載分布規律更加復雜，需要進一步試驗和理論研究。

本文通過剛性模型測壓風洞試驗對底部和頂部有局部開口的兩端封閉三心圓柱面網殼結構的風荷載分布進行了研究，對比不同開口狀況下結構的力系數及風荷載分布，給出了局部開口對類似結構風荷載及其分布的影響規律，并為類似結構的抗風設計及防風措施提供了合理的建議。

1 試驗概況及數據處理

1.1 模型簡介

本文針對一兩端1／4球殼封閉的三心圓柱面網殼儲煤結構進行分析，同時考慮常見發電機組及運煤通道（周邊干擾建筑）的影響。

圖1為試驗模型的基本概況，結構縱向長度為380m，其中兩端的1／4球殼半徑為60 m，中心三心圓柱面網殼長度為260m，結構橫向寬度120m；三心圓柱面由R＝30m和R＝70m兩種半徑的圓弧組成，總高40.4m，其中弧面部分高度38.6 m，底部有1.8 m高的擋墻；結構底部共開有M1～M8共8個門，尺寸為6m寬×5m高，頂部開有V1～V12共12個換氣孔，面積為1.6 m寬×16 m長；為方便描述，本文中將換氣孔稱為頂部開口，將門稱為底部開口。

圖1（a）為場地概況及風向角，其中距離測試結構約150m處有兩臺發電機組（非對稱布置），高度約30 m，共進行36個風向角測試，風垂直于結構長軸由無干擾模型方向吹來為0°風向角，風向角間隔為10°，逆時針增加。

圖1 試驗概況Fig.1 Experimental situation

1.2 試驗參數

試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心風洞的低速試驗段內完成，該試驗段尺寸為24 m長×4.4 m寬×3m高［8］，試驗采用剛性模型測壓試驗，幾何縮尺比1∶200，采樣頻率312.5 Hz，地貌類型為A類。

圖2為試驗模擬的平均風剖面、紊流度剖面及zg高度處順風向脈動風功率譜。其中U為順風向平均風速、Z為高度，Zg取風洞中對應實際80m高度處。Ug代表Zg高度處順風向平均風速。n為頻率，Su為順風向脈動風功率譜、σu為脈動風速均方根值、xLu為順風向湍流積分尺度。

考慮六組局部開口的組合方式，編號為G1～G6

G1：M1～M8關閉；V1～V12打開；

G2：M1～M4關閉；M5～M8，V1～V12打開；

圖2 試驗風場參數Fig.2Wind parameters

G3：M5～M8關閉；M1～M4，V1～V12打開；

G4：所有開口打開；

G5：V2、V4、V6、V8、V10、V12關閉，其余打開；

G6：V1～V12關閉；M1～M8打開。

1.3 數據處理及參數定義

試驗采用內外表面同步測壓技術，如無特殊說明，下文提到的風壓系數為凈風壓對應的結果。

采用無量綱的風壓系數描述結構表面風荷載分布，風壓系數定義如下：

其中：cpi（t）為風壓系數，pi（t）為測點i處的風壓，P0為靜壓平均值，Pr為參考點動壓平均值，ρ為空氣密度，Ur為參考點高度（10 m）處來流的風速平均值。cpi（t）的平均值稱為平均風壓系數，是本文中描述風荷載分布的主要參數。

風壓及風壓系數的方向規定如下，當風壓沿結構表面方向遠離結構時為負壓，表現為風吸力，反之為正壓，表現為風壓力。

風壓系數參數可以有效的描述風荷載的分布，為了進一步描述開口對整體風荷載的影響，本文采用體軸力系數衡量風荷載的整體變化：

按照測點數目將結構劃分為n個區域，編號從i＝1到i＝n，每個區域的面積為Ai，式（2）中T可取x、y、z三個方向，其中cFx、cFy、cFz、表示x、y、z三個方向的力系數，θxi、θyi、θzi表示i個區域表面與x、y、z三個方向的夾角。坐標系定義見圖1（a），z軸按照左手螺旋定則確定。

2 風荷載分布規律

2.1 局部開口對整體風荷載的影響

圖3為六種局部開口下x、y、z三個方向的體軸力系數。可以看出，不同局部開口工況對x、y方向的力系數的影響較小，六種開口工況下僅關閉所有頂部開口的力系數與其他工況有較大差別，總的看來，關閉頂部開口后風的水平推力有一定的減小。

z方向體軸力系數對開口變化非常敏感，不同開口工況下力系數差別很大（見圖3（c）），甚至會出現荷載方向上的變化。總體上來看，G1～G6六種工況下，豎向風荷載值逐漸減小，隨著底部開口的打開與頂部開口的關閉，風荷載值由正值（壓力）逐漸變為負值（拉力）；關閉底部開口時（G1），所有風向角下力系數為正值，表明結構整體承受向下的壓力；而當所有底部開口打開時，結構整體承受向上的拉力，其中以底部開口打開，頂部開口封閉結構承受的拉力最大。

從風荷載從風向角的變化上來看，340°～350°風向角附近的風力較強，即干擾建筑位于結構背風面時，在y、z方向的風力都比較大，因此對于結構底部構件的設計，應以該風向角下的風荷載作為依據。

另外由于非對稱干擾建筑的存在，結構力系數隨風向角的變化圖并不對稱，干擾建筑對最大風荷載對應的風向角有一定的影響。

圖3 不同方向的力系數Fig.3Wind force coefficients in different directions

2.2 局部開口對風荷載分布的影響

主要通過0°和90°風向角下受干擾模型影響較小的工況描述局部開口對風荷載分布的影響。

圖4為0°風向角下不同工況的風荷載分布。其中等值線以風壓系數值0.2為間隔，風壓系數為0的部分采用黑粗線表示，從而將正壓區域與負壓區域區分開。從圖中可以看出，不同的開口狀況下，結構負壓值與負壓分布區域都有很大變化，G1工況下僅天窗打開，除去結構頂部小部分區域外，結構表面的風壓均為正值，其迎風向正壓最大，背風向次之；隨著底部開口的進一步打開（部分打開G2、G3），負壓區范圍近一步增大，負壓值進一步增強，其中底部迎風向開口負壓區域大于背風向開口，但區別并不大；隨著底部開口的進一步打開（所有底部開口打開G4），負壓區范圍繼續增大，負壓值繼續加強；關閉部分頂部開口后（G5），負壓值范圍與強度并未有明顯變化；關閉所有頂部開口后（G6），結構表面大部分區域為負壓，僅迎風向小區域范圍內為正壓。

為進一步說明開口狀況對風荷載分布的影響，圖5給出了90°風向角下不同工況的風荷載分布。該風向角下的風荷載分布隨開口狀況的變化與0°風向角下的變化規律基本相同。但是從整體分布規律上看結構長軸方向中間部位的風荷載變化不大，是一個比較穩定的壓力區域，兩端的風荷載變化較大。

圖4 0°風向角風荷載分布Fig.4W ind loads distribution at 0°wind direction

圖5 90°風向角風荷載分布Fig.5W ind loads distribution at 90°wind direction

2.3 局部開口對內外表面風壓影響

局部開口對風荷載的影響是通過外表面和內表面的風壓共同作用引起的，因此本節通過G1和G6兩種工況下的內外表面風壓系數的分布說明局部開口對兩者的影響規律。

圖6和圖7為G1和G6工況下的外風壓系數和內風壓系數。由圖6可以看出，兩種工況下外壓體型系數分布規律、最大值、最小值都很接近，說明局部開口對結構外表面的風壓影響很小。圖7中G1工況下的內表面風壓系數分布均勻，其值約為－1.0～－1.2之間，G6工況的內表面風壓系數分布均勻，其值在－0.1左右。

由此可以看出，局部開口對風荷載的影響主要是由于開口對結構內表面風壓的影響造成的，局部開口后結構內表面形成均勻的內壓分布，不同開口時其內壓值差別大。

2.4 局部開口對風荷載影響小結

從局部開口對總體力系數及風荷載分布的影響可以得到如下規律：

（1）局部開口對總體力的影響主要體現在豎向力上，其中當來流方向垂直與結構縱軸時，風荷載較大，受局部開口的影響也較大（見圖3（c））；

（2）底部開口尤其是迎風向底部開口能顯著增大結構的負壓區域，其中開口的面積（即打開的門窗數量）也對風荷載有一定的影響；

（3）頂部開口可以顯著的減小結構的負壓區域以及負壓值，但本文的兩種打開面積對風荷載的影響差別不大；

（4）不同的開口組合形式，結構的風荷載差異很大，如當頂部開口打開，底部開口關閉時，結構總體豎向力向下，大部分區域表面風荷載為正值（即風壓力）；當結構底部開口打開，頂部開口關閉時，結構總體豎向力向上，絕大部分區域表面風荷載為負值（即風吸力）。

圖6 0°風向角外風壓系數分布Fig.6 External pressure distribution at 0°wind direction

圖7 0°風向角內風壓系數分布Fig.7 Internal pressure distribution at 0°wind direction

3 類似結構抗風設計及防風措施建議

本文通過對六種不同開口組合的情況下風荷載的試驗研究，給出了局部開口對兩端封閉三心圓柱面網殼結構力系數及風荷載分布規律，給出底部和頂部局部開口對風荷載及其分布的影響，結合該影響規律，為類似結構抗風設計及防風措施提供建議如下：（1）對于細長類的柱面網殼結構，來流平行于縱軸時作用在結構上的總體風荷載較小，且分布比較均勻，因此盡量使結構縱向平行于該地區的主導風向；

（2）在結構設計中，在結構頂部（一般是負壓最大區域）可均勻設置局部開口，底部均勻布置部分可開合的局部開口，這些開口不僅可用于滿足工業工藝及其他要求，也可作為防風抗風的基本措施；

（3）類似結構的抗風破壞形式中風荷載掀翻結構屋面的案例很多，因此在強風來臨時，保證頂部開口敞開，底部開口關閉的狀態下（尤其是迎風向開口），結構表面的風吸力區域最小，風吸力最弱；

（4）底部開口與頂部開口同時打開的情況下，結構表面多數區域屬于相對較弱的風吸力，因此在非強風狀態下，這種開口形式對空氣流動以及抵消結構屋面板本身的豎向荷載都是有利的；

（5）對于類似的局部開口的弧面封閉網殼結構，強負壓區的開口能有效減小結構的表面的風吸力，正壓區的開口會增大表面的風吸力，這可以作為類似結構抗風的基本規律。

［1］羅堯治.大跨度儲煤結構：設計與施工［M］.北京：中國電力出版社，2007.

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Effects of local openings on w ind loads of an enclosed cylindrical latticed shell

MAWen-yong1，LIXiao-na1，LIU Qing-kuan1，QIPeng-bo2
（1.Wind Engineering Research Center，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Navy Design＆Research Institute，Beijing 100070，China）

The effects of local openings on wind loads of an enclosed large span spatial structure were considered.Wind loads distribution on an enclosed three-center cylindrical latticed shell with local openings was studied via a rigid modelwind pressure test in a wind tunnel.The wind force coefficients and wind loads distributions of the structure in different local openings cases were compared.The variation laws of wind loads distribution versus local openings were gained.Itwas shown that the suction on structure surface is decreased by the local openings of a strong negative wind pressure region whereas it is increased by the local openings of a positive wind pressure region.The results provided a suggestion for wind-resistant design and wind-resistantmeasures of similar structures.

enclosed cylindrical latticed shell；local openings；wind tunnel test；wind loads distribution；windresistantmeasures

TU312.1

A

國家自然科學基金青年項目（51108280）；河北省科技支撐計劃項目（09215626D）

2012－08－13 修改稿收到日期：2013－03－23

馬文勇男，博士，1981年生