基于風洞試驗的杭州西站風致干擾效應研究

李 慶

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

隨著我國高速鐵路網的建設與不斷完善，各地對火車站的建設需求也越來越大，全國各地已建、在建和規劃建設的現代化大型火車站越來越多。由于該結構對空間需求較大，往往采用大跨度屋蓋結構形式，風荷載為該類結構設計的控制性荷載。考慮到大跨度火車站結構形式特殊，風洞試驗方法是進行結構抗風設計的必要手段［1－5］。一般來說，考慮城市布局與發展，火車站往往建設在遠離大城市中心的地方，其周邊環境較為空曠，高層、超高層建筑較少。在進行該類結構抗風設計時，往往較少考慮周邊高層建筑對其的干擾效應。然而，由于火車站建設帶來的輻射效應，可顯著提高當地的經濟發展水平，周邊高層與超高層建筑的規劃與建設越來越多，也越來越高。這些新建的高層、超高層建筑出現，改變了火車站周圍的風環境，帶來一些不確定因素，因此在項目建設階段，有必要考慮周邊高層建筑對其風荷載的影響。由于結構干擾效應十分復雜，目前，往往研究簡單的單個或者兩個高層建筑對大跨度屋蓋結構的干擾效應［6］，這些并不能完全反映其實際干擾情況。程紅秋［7］、方江生［8］等通過風洞試驗分析高層建筑對科技交流中心與體育場館等大跨度屋蓋結構風荷載的干擾效應，并得到一些有用的結論，但這些項目的周邊高層建筑亦不復雜。近年來，考慮到大型火車站建設對當地經濟的輻射效應，采用綜合交通樞紐形式，集鐵路運輸、城市綜合交通、商業于一體進行統一規劃建設。

杭州西站交通樞紐工程是國家鐵路網中重要的綜合性樞紐工程，其總建筑面積為513 420 m2，其中站房綜合樓499 920 m2（包括站房99 970 m2、客運服務設施99 650 m2、城市配套設施300 300 m2），鐵路配套房屋（動力機房、柴油發電機房）3 200 m2，城市配套房屋10 300 m2，鐵路橋梁站臺外側共40.5 m2（不計入建筑面積），公路橋梁20 548 m2（不計入建筑面積），如圖1所示，杭州西站周邊存在大量的高層建筑群。這種綜合交通樞紐的整體規劃使得高層、超高層建筑與火車站的距離更為接近，其干擾效應更為顯著，更應引起結構設計人員的重視。

圖1 杭州西站綜合交通樞紐效果圖

本文通過考慮和不考慮周邊高層建筑工況下的杭州西站剛性測壓模型風洞試驗得到了屋蓋表面風壓時程，在此基礎上進行結構靜力與動力響應評估。通過比較有無周邊建筑工況結果，分析了高層建筑群對杭州西站大跨度屋蓋的風荷載分布與風致響應的干擾效應，并得到一些有用的結論［9］。

2 項目簡介與風洞試驗

杭州西站高架站房主體結構采用混合型鋼筋混凝土框架結構體系，屋蓋采用桁網結合鋼結構體系，柱采用鋼管混凝土柱；高架旅服夾層采用鋼筋混凝土框架結構，其中與上部屋面支承柱對應的框架柱采用鋼管混凝土柱，其余柱采用梁上立鋼筋混凝土柱。站房鋼屋蓋垂軌方向結構單元總長約302 m，柱網尺寸：中間跨度72 m，典型跨度22 m、23.5 m；順軌方向結構單元總長約272 m，柱網尺寸：中間跨度78 m，典型跨度19 m、38 m。屋蓋主體結構采光頂區域采用正交雙向平面桁架，有吊頂區域采用斜放四角錐網架，采光頂桁架延伸至支承柱頭，形成網架內“暗桁架”連接。

該項目風洞試驗在長沙理工大學風工程與風環境研究中心大型邊界層風洞實驗室直流低風速試驗段進行。該試驗段寬10 m、高3 m、長21 m，模型幾何縮尺比為1∶200，試驗分不考慮和考慮周邊高層建筑兩種工況，如圖2所示。試驗模擬B類地貌，采樣頻率331 Hz，采樣時長60 s，試驗參考點平均風速約8 m／s，參考點高度0.3 m。火車站站房屋蓋共設置510個測點，試驗時模型固定在轉盤上，每隔15°測量一次，一共24個風向角，如圖3～圖4所示。

圖2 剛性測壓模型在風洞中照片

圖3 平均風剖面與紊流度剖面

圖4 測點布置與風向角

3 屋蓋風壓系數干擾效應分析

各測點平均風壓系數和均方根風壓系數分別由式（1）、式（2）計算得出：

由于該火車站風洞試驗風向角較多，本文以90°和180°兩個風向角為例分析屋蓋風壓系數的干擾效應。圖5和圖6分別為在有無周邊高層建筑情況下屋蓋平均風壓系數分布圖，圖7和圖8分別為均方根風壓系數分布圖。

圖5 90°風向角屋蓋平均風壓系數分布

圖6 180°風向角屋蓋平均風壓系數分布

圖7 90°風向角屋蓋均方根風壓系數分布

圖8 180°風向角屋蓋均方根風壓系數分布

由圖5～圖8可知：（1）不管是有無高層建筑干擾，屋蓋的平均風荷載以負壓為主，周邊群體高層建筑對杭州西站屋蓋表面平均風荷載與均方根風荷載的影響顯著，不僅改變其風荷載分布特性，也可能增加了局部平均風壓值。（2）在90°風向角情況下，周邊建筑改變了屋蓋表面平均風壓分布規律，與無周邊建筑情況相比，在有周邊建筑情況下，屋蓋風壓更為離散；其次，不管是在有周邊建筑還是無周邊建筑情況，其屋蓋風荷載在屋蓋中軸線上最大（負壓絕對值最大），在有周邊建筑情況下，其平均風壓系數大幅增加，這是由于周邊高層建筑形成狹管效應所引起的。（3）在180°風向角情況下，在有無周邊建筑情況下，其風荷載分布較為相似；而與無周邊建筑情況相比，有周邊建筑情況下，屋蓋平均風壓系數更大（負壓絕對值最大）。（4）不管是90°還是180°風向角，周邊高層建筑對屋蓋均方根風壓系數的影響都較大，改變了屋蓋上均方根風壓分布。總體上，屋蓋均方根風壓系數增加，在鄰近周邊高層建筑附近，屋蓋均方根風壓系數增加值更為顯著，這主要是因為周邊高層建筑尾流等對脈動風荷載影響較大所致。

4 屋蓋風致響應干擾效應分析

在得到結構風荷載信息后，結構風致響應計算方法參考文獻［10］。本文分析屋蓋結構極值位移響應。對于結構位移風致響應，可分為由平均風作用得到的平均位移響應和由脈動風作用的均方根位移部分，其極值響應計算公式：

式中：Dp、和σ分別為極值位移、平均位移和均方根位移響應；μ為峰因子。

在得到各節點X、Y和Z軸向的平均位移、均方根位移和極值位移后，其合位移計算公式：

在有無周邊建筑情況下，各風向角下屋蓋各節點平均、均方根和極值合位移的統計最大值如圖9～圖11所示。

圖9 平均合位移比較

圖10 均方根合位移比較

圖11 極值合位移比較

由圖9～圖11可知：（1）在有無周邊建筑情況下，屋蓋平均合位移響應隨著風向角變化較為顯著，其位移最大值出現在210°風向角情況；在不同風向角情況下，周邊高層建筑對屋蓋位移響應的干擾不同，可能使得其結構變大或者變小，這說明，不同風向角，周邊高層建筑的干擾效應不同，可能使得屋蓋表面平均風荷載增大，也可能變小。（2）屋蓋均方根合位移隨著風向角變化其變化幅度不大，且考慮周邊高層建筑對屋蓋均方根合位移的干擾，會使得結構響應顯著增加，這說明周邊高層建筑使得屋蓋在各風向角下的動力風荷載顯著增加，由于均方根位移響應的增加，結構合位移也由于干擾效應而顯著增加［11－12］。

5 結論與分析

本文通過采用剛性測壓模型風洞試驗方法得到考慮和不考慮杭州西站周邊高層建筑群對杭州西站屋蓋表面風荷載時程，在此基礎上，得到了結構平均風壓系數和均方根風壓系數的分布規律，并計算得出屋蓋平均、均方根和極值合位移響應。與此同時，分析了周邊高層建筑群對屋蓋平均與動力風荷載分布以及屋蓋位移響應的干擾效應，得到一些有用的結論：

（1）杭州西站周邊高層建筑群對屋蓋平均風荷載的干擾效應十分顯著，其可改變平均風荷載分布，在不同風向角情況下，可能增大結構的平均風荷載也可能減小屋蓋的平均風荷載；周邊高層建筑群對屋蓋均方根風荷載的干擾效應亦十分顯著，在各個風向角情況下，都增大了屋蓋的均方根風荷載，周邊建筑也改變了屋蓋的動力風荷載分布，特別是在高層建筑附近，其動力風荷載改變較大。

（2）在不同風向角情況下，杭州西站周邊高層建筑對屋蓋位移響應的干擾不同，可能使得其結構變大或者變小，而周邊高層建筑對屋蓋均方根合位移的干擾會使得結構響應顯著增加，這說明在進行大跨度屋蓋抗風設計時，應考慮周邊高層建筑的干擾效應，特別是對于當前沒有周邊高層建筑情況，應注意規劃中的高層建筑，在進行抗風設計時，考慮此工況下的風荷載。