高速公路收費站結構抗風設計分析

文/ 陳婧 河北省交通規劃設計院 河北石家莊 050000

高速公路收費站結構抗風設計分析

文/ 陳婧 河北省交通規劃設計院 河北石家莊 050000

我國《建筑結構荷載規范》中并未規定對四面開敞的曲面屋面局部體型系數，本文通過剛性模型測壓試驗得到的體型系數，對比了平屋、凹屋面、凸屋面高速路收費站結構的風荷載分布規律，分析了產生這種較大風荷載的原因和流動機理，給出了提高該類結構抗風能力的主因素并提出了兩種減小迎風向端部風荷載的氣動措施，為高速路收費站結構的氣動選型、抗風設計提供了建議。

收費站是高速公路網絡管理的主要節點，目前收費站結構一般采用輕型屋面材料的網架結構，從使用功能上看，其屋蓋主要是用于遮陽擋雨。收費站結構的輕型屋面在強風作用下易發生掀翻撕裂等損害，不僅影響結構使用，對周邊及行車也存在潛在的安全隱患，因此收費站結構輕型屋面的風荷載一直是該類圍護結構設計的主要考慮因素之一。

結構表面的風荷載對結構的外形非常敏感［1，2］，不同外形的結構風荷載分布規律差別很大，因此對于可能有強風作用的類似結構，選型是進行抗風設計［3］的第一步。同時對于形狀無法改變的收費站結構，也可以通過一定的氣動措施來減小結構表面的風荷載。

我國《建筑結構荷載規范》［4］中并未規定四面開敞的曲面屋面局部體型系數，本文選取兩個典型屋面的剛性模型測壓風洞試驗結構，通過對比不同類型屋面結構風荷載分布及其作用特點，給出收費站結構風荷載作用的一般規律，為抗風設計提供建議，同時針對不同類型的收費站結構提出抗風的氣動措施，為減小結構發生風致損害提供建議。

1　收費站結構及其風致破壞

收費站結構屋蓋結構形式多樣，形狀上看常采用平板形狀、連續凸面、連續凹面、中間平板與兩端上翹結合等，對于跨度較大的也常采用多種形狀組合。從結構類型上看網架結構與輕質屋面板的組合是最常用的結構形式，近些年來也出現了很多造型美觀的索膜結構。目前比較常用主要有平屋頂、凹屋頂和凸屋頂三種形狀見圖1，這三種類型的屋面抗風設計中需考慮的主要問題為平板結構、凹面結構和凸面結構的風荷載分布規律。

圖1 三種基本屋面形狀

在收費站結構風致破壞的案例中，主要的破壞形式是圍護結構中屋面輔材被撕裂、掀翻。屋面材料在風荷載較大的區域首先發生局部破壞，這種破壞造成兩個明顯的結果，第一、破壞了屋面的整體受力特性，一般使得屋面材料的抗風性能更差，這主要是由于破壞的屋面材料增大迎風面的同時也形成了應力集中效應；第二、改變了屋面的風荷載特征，屋面的破壞使得結構上下表面貫通，因此作用在該部分屋面上的豎向荷載消失，常常減小作用在主體結構上的豎向風荷載。

2　基本屋面形狀的風荷載分布規律

本文以體型系數［4］作為描述風荷載分布規律的基本參數，其正值表示風荷載沿結構表面法向向內，負值表示風荷載沿結構表面法向向外。如無特殊說明，本文所述的體型系數均為考慮屋面上下表面風壓疊加后的體型系數，正值表示結構表面承受風壓力，負值表示結構表面承受風吸力。

2.1 平屋面風荷載分布規律

圖2為某平屋面結構的風荷載分布。由圖2可以看出，結構表面大部分區域的壓力為較小的正壓和負壓，其值在-0.2到0.2之間，而在結構的迎風端產生了約-0.8的風吸力，其值沿著結構縱向的伸展迅速減小，在迎風端形成了一個強風吸力區，這是該類結構風荷載作用的一般特點，也與類似結構風致屋面破壞的案例相吻合。

圖2 平屋面體型系數

2.2 凹、凸屋面風荷載分布規律

圖3為某凹面結構的體型系數分布圖。與平屋面類似的是迎風端產生的強負壓區，但是該負壓區的風壓值較平屋面而言更大，其局部值可以達到-2.5以上，這主要是由于迎風端屋面上翹后，其上表面的風荷載分布為負壓（即向上的吸力），下表面的風荷載為正壓（即向上的推力），兩者相互疊加形成了較強的沿結構表面向上的風吸力。結構屋面破壞主要是由于局部風壓的這種風吸力在結構的邊緣以及角部很大，極其容易形成屋面材料損壞的撕裂面，這也是類似結構屋面損壞首先發生在邊緣及角部的主要原因。

沿著順風向進一步向內，結構上表面的負壓與下表面的正壓逐漸減弱，結構呈現負壓值減小。在結構背風端結構上表面為弱正壓，下表面為弱負壓，因此產生如圖3所示的正壓區域。

如果不考慮地面干擾物，對于凸屋面而言，其風荷載作用機理與凹屋面相同，只是風荷載的作用方向與凹屋面的作用方向相反，此處不再累述。

圖3 凹屋面體型系數

2.3 風荷載作用機理

由圖2、圖3的風荷載分布規律可知，對于類似結構的屋面抗風設計，其重點在于結構的迎風端，該位置的風荷載值較大，甚至是結構中間部位的數倍。上述風荷載分布規律主要是由于流體流過結構表面的分離和再附造成的［5］。

圖4給出了三種類型結構屋面流體分離、再附的示意圖。流體流過結構表面時會產生流體去結構附著、分離、再附著現象，一般情況下流體與結構分離時結構表面的壓力為負壓力，流體附著在結構表面時作用在結構表面的風壓為正壓力。來流方向與結構屋面縱向接近平行時，由于來流本身的波動，在屋面上可能出現多個分離點與再附點，但由于分離形成的大區域負壓區一般只有少數幾個。

圖4 屋面流體分離、再附示意圖

由圖4可以看出，對于平屋面，其分離點在迎風端，因此該端部上下表面都會產生負壓（風吸力），常常由于地面對及屋面下結構對流體的約束，因此上下表面的分離是不對稱的，上部自由區域分離更強，整體表現為向上的風吸力。凹面結構上表面流體的分離較平面更劇烈，因此凹面結構上表面風吸力大，同時凹面結構下表面迎風端流體在一定范圍內并未分離（分離點跟弧面的弧度等因素有關），因此下部表現為正壓，這樣上下表面風壓的疊加增強了結構表面的風吸力。

3　抗風措施

針對圖2、圖3的風荷載分布規律及圖4的作用機理，從風荷載的角度考慮，對類似的結構可以有以下減小風荷載的措施

3.1從結構形式選擇上看平屋面的風荷載最小，凹屋面的風荷載最大，因此平屋面作為類似的收費站結構更為經濟。

3.2 作用在結構表面的最大風吸力發生在結構的迎風端，考慮到風向的變化，進行屋面設計及施工時，需要加強結構邊緣尤其角部的設計，這可以有效的防止屋面的風致破壞。

3.3 可以通過圖5所示的方法減小結構端部的風荷載。其中采用通氣孔的方式可以使得結構上下表面的空氣貫通，這樣可以有效的減小由于上下表面風壓相互疊加造成的風壓增大，從而非常有效的減小作用在屋面上的風荷載；分離板主要是通過人為的制造凹面結構下表面的流體分離位置，從而使得下表面在迎風端產生負壓（向下的拉力），該壓力與上表面產生的負壓（向上的拉力）相互抵消，從而有效的利用壓力之間的相互抵消作用降低作用在結構表面的風荷載。

圖5 降低端部風荷載的氣動措施

3.4 由于結構底部的阻礙物會對結構表面尤其是下表面的風壓產生明顯的影響（見圖6）。結構上表面迎風端為負壓，在圖6（a），無阻塞的情況下，下表面的對應位置為較弱負壓兩者相互抵消，使得結構表面承受的凈風吸力小于上表面風吸力；圖6（b），部分阻塞的情況下，結構上表面為負壓，由于阻塞物的影響，下表面為非常弱的負壓，兩者抵消效應不明顯，結構表面承受的凈風吸力與上表面風吸力相當；圖6（c），完全阻塞的情況下，結構下表面的風壓為正壓（上向推力），與上表面風吸力疊加，結構表面承受的凈吸力大于上表面的風吸力。因此屋面底部的堵塞越大，結構表面承受的風吸力越大，在結構設計時應盡量減少底部的阻礙，保證屋頂與底部設施頂端有一定的距離，同時在強風作用下，保證車輛順利通行避免底部堵塞。

圖6 底部阻塞的影響

結語：

本文通過剛性模型測壓試驗得到的體型系數，對比了平屋面、凹屋面、凸屋面高速路收費站結構的風荷載分布規律，分析了產生這種較大風荷載的原因和流動機理，給出了提高該類結構抗風能力的主要方面并提出了兩種減小迎風向端部風荷載的氣動措施，為高速路收費站結構的氣動選型、抗風設計提供了建議。

［1］馬文勇，劉慶寬，尉耀元.具有凹面外形的大跨度屋蓋結構風荷載分布及風洞試驗研究［J］.振動與沖擊.2012.31（22）：34-38.

［2］馬文勇，劉慶寬，肖彬，等.三心圓柱面網殼結構風荷載分布規律［J］.工程力學.2011.28（S2）：166-170.

［3］張相庭.結構風工程：理論規范實踐［M］.2006.北京：中國建筑工業出版社.

［4］中華人民共和國國家標準，建筑結構荷載規范［S］，2012，中華人民共和國住房與城鄉建設部：北京.

［5］J.D. Holmes. Wind Loading of structure［M］. Second Edition ed. 2007. New York： Spon Press.

The shape factor on curved roof structure without enclosing wall is not included in the Chinese code Load Code for The Design of Building Structures. The shape factor on the expressway toll station， which are obtained by rigid model pressure test in wind tunnel， are studied，comparing with the wind load distributions on flat roof， concave roof and convex roof， the reason of strong wind load and flow mechanism are showed. The effects of wind resistant capability on the similar structures and aerodynamic measures on decreasing the wind load on windward end are proposed in this paper. The results can provide suggestions on aerodynamic selection and wind resistant design on expressway toll stations.

收費站；風荷載；抗風設計；氣動措施

Toll station； Wind load； Wind resistant design； Aerodynamic measure