北京新機(jī)場航站樓局部屋蓋風(fēng)壓試驗(yàn)研究

程天徽 羅 楠 馬汝為

(西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，大跨屋蓋越來越多地應(yīng)用在火車站、機(jī)場航站樓等公共建筑中，而跨度大造成結(jié)構(gòu)剛度不足，變形偏大等特點(diǎn)，使其控制荷載一般為風(fēng)荷載[1-4]，對于鋪裝材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[5]，很難確定其表面的風(fēng)壓分布。因此，需要進(jìn)行風(fēng)洞測壓試驗(yàn)。

北京新機(jī)場航站樓由于建筑體量大，采用了特殊的直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)，風(fēng)荷載和局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題異常突出。通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，研究其局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布，可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可以為類似結(jié)構(gòu)風(fēng)載特性提供參考[6]。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂媒ㄖ膶?shí)際鋪裝系統(tǒng)，按照1∶1比例制作。相比大縮尺比整體屋蓋模型，這種模型能夠克服模型縮小比例和屋面工藝的差異造成的偏差，準(zhǔn)確反映局部風(fēng)壓的分布情況，更適于研究屋蓋的局部風(fēng)壓問題以及規(guī)范中局部風(fēng)壓系數(shù)對新屋面技術(shù)的適用性。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎镁植课菝嬖停萆w表面無天溝，模型主體尺寸為5.4 m(長)×4.9 m(寬)，模型最上層為6塊裝飾板，各板之間有約10 cm的空隙。在模型表面的中軸線附近布置測壓點(diǎn)，測試屋蓋表面風(fēng)壓沿屋面坡度的變化情況。現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中進(jìn)行此次試驗(yàn)，該風(fēng)洞的主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。采用美國Scanvalve電子掃描閥測量結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓，皮托管連接掃描閥測量脈動風(fēng)速。

1.2 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)風(fēng)速8 m/s，風(fēng)向角0°,10°,170°,180°(坡面正對來流風(fēng)向?yàn)?度)。由于裝飾板與下一層的屋面板間有一定空間，因此在中部兩塊裝飾板上表面及下表面對應(yīng)位置布置測點(diǎn)，沿中軸線布置。為準(zhǔn)確測量邊緣流動分離處的風(fēng)壓，前后邊緣各并排設(shè)置3個測點(diǎn)。測點(diǎn)總數(shù)共48個,點(diǎn)位和風(fēng)向角如圖2所示。

1.3 大氣邊界層的模擬

試驗(yàn)在紊流場中進(jìn)行，風(fēng)場的模擬采用被動模擬大氣邊界層技術(shù)(尖劈+擋板+粗糙元)[7-9]。由于本次試驗(yàn)采用的是局部模型，試驗(yàn)最關(guān)心的是屋蓋高度處的風(fēng)荷載情況。因此本試驗(yàn)將保證屋蓋高度處的來流紊流度與實(shí)際屋蓋在該高度處的紊流度一致，其他位置可適當(dāng)放松。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對風(fēng)壓數(shù)據(jù)處理，獲得各測壓點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，計(jì)算公式如式(1)：

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)壓系數(shù)分布

將上下表面風(fēng)壓加總，邊緣并排的3個測點(diǎn)取平均值處理，各測點(diǎn)按照順風(fēng)向排列，得到的總風(fēng)壓系數(shù)圖如圖3所示。

根據(jù)以上風(fēng)壓系數(shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1)各風(fēng)向角下，由于氣流流動的分離，屋面前緣都出現(xiàn)了較大的負(fù)壓，與170°,180°工況相比，0°,10°工況負(fù)壓區(qū)較小，寬度在0.2 m左右，170°,180°工況負(fù)壓區(qū)較大，寬約1 m，但是各工況負(fù)壓最大值基本相同，風(fēng)壓系數(shù)在-0.8左右。

2)在所有工況中，負(fù)壓區(qū)后出現(xiàn)了明顯的正壓區(qū)。0°,10°工況正壓區(qū)集中在0.2 m～0.6 m范圍，之后的風(fēng)壓基本趨近于0；170°,180°工況正壓區(qū)延伸至模型尾端，正壓值與0°,10°工況持平，風(fēng)壓系數(shù)為0.1左右。

3)由于模型局部轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)的存在，在0°,10°工況中出現(xiàn)了風(fēng)壓系數(shù)突變點(diǎn)，正壓值陡然升高后回落，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別予以注意。

4)排除突變點(diǎn)，10°工況與0°相比，最大負(fù)壓值增大19%，最大正壓值減小35%。因此若考慮坡面正對來風(fēng)的情況下風(fēng)向微小的轉(zhuǎn)動，屋面負(fù)壓值應(yīng)在0°工況的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。而170°和180°工況之間差別不大。

2.2 試驗(yàn)與規(guī)范方法比較

15°傾斜角下，規(guī)范規(guī)定的封閉式矩形平面房屋的雙坡屋面風(fēng)荷載局部體型系數(shù)最大負(fù)壓如表1所示。

當(dāng)參考點(diǎn)與各測點(diǎn)處于同一高度時，平均風(fēng)壓系數(shù)與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中規(guī)定的體型系數(shù)基本一致(此時體型系數(shù)等于同一受風(fēng)面上所有測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的加權(quán)平均)[10]。本試驗(yàn)選取的參考點(diǎn)與各測點(diǎn)處于同一高度，因此可直接對比試驗(yàn)得到的風(fēng)壓系數(shù)與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的局部體型系數(shù)，得出兩種方法的差異之處。

表1 局部體型系數(shù)表

將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范體型系數(shù)值比較發(fā)現(xiàn)，對于屋面坡度迎風(fēng)的情況，前緣和中后部負(fù)壓小于規(guī)范局部體型系數(shù)值，整體風(fēng)壓變化趨勢與規(guī)范基本吻合，局部出現(xiàn)了正壓但是同樣小于規(guī)范值；對于屋面坡度背風(fēng)的情況，前端負(fù)壓小于規(guī)范值，中后段風(fēng)壓以正壓為主，規(guī)范并未考慮正壓。因此規(guī)范方法應(yīng)用在裝飾板與下一層的屋面板間有一定空隙的屋蓋時，總體偏于保守，但在背風(fēng)坡度應(yīng)考慮正壓的影響，否則會偏于不安全。

3 結(jié)語

1)0°,10°工況的前端負(fù)壓區(qū)面積小，正壓區(qū)較小，正壓區(qū)后風(fēng)壓基本趨近于0，170°,180°工況前端負(fù)壓區(qū)面積大，正壓區(qū)分布廣泛，延伸到模型尾端。個別屋蓋表面轉(zhuǎn)折處局部出現(xiàn)風(fēng)壓系數(shù)突變，應(yīng)予以注意。

2)對于坡度背風(fēng)的屋蓋,10°的風(fēng)向改變對風(fēng)壓的影響不大。而對于坡度迎風(fēng)的屋蓋，考慮風(fēng)向輕微轉(zhuǎn)動應(yīng)將負(fù)壓適當(dāng)放大。

3)規(guī)范未考慮坡度背風(fēng)時的正壓，若與迎風(fēng)面采用相同的正壓局部體型系數(shù)，則試驗(yàn)結(jié)果得到的風(fēng)壓系數(shù)總體小于局部體型系數(shù)。因此試驗(yàn)方法得出的風(fēng)壓整體上小于規(guī)范方法，采用修改后的局部體型系數(shù)值總體將得到偏于保守的結(jié)果。

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