荷載規范中柱面屋蓋圍護體系風荷載取值合理性的分析

唐麒

[摘? 要]：柱面網架屋蓋結構的控制荷載通常為風荷載，GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》關于柱面屋蓋圍護體系風荷載的取值較為粗糙，使得圍護體系的部分區域存在隱患，部分區域設計不經濟。文章利用風洞實驗獲取了柱面屋蓋結構的測點風壓，并利用POD法（本征正交分解法）將測點風壓進行擴展，使得每個極值風壓其數值的代表面積為6.6 m2。在較高的精度下，研究了柱面屋蓋圍護體系風荷載的分布特性，并探討了荷載規范中柱面屋蓋圍護體系風荷載取值合理性。

[關鍵詞]：柱面網架屋蓋; 局部風荷載; 圍護體系

TU312+.1A

柱面網架屋蓋結構是一種常見的跨度較大的曲面屋蓋結構，被廣泛用于工業廠房、飛機庫、航空港、體育場館等建筑形式中。目前對于柱面網架屋蓋結構，其主體結構的風荷載特性和抗風設計方法已經有較成熟的研究，而其圍護體系風荷載特性的研究還相對比較薄弱，至今尚未有一套成熟的陣風荷載描述方法被提出來。因此，該類結構圍護體系的風荷載取值往往是其圍護體系抗風設計的難點問題。

1 風壓數據來源

結構風壓風洞試驗在日本東京工藝大學的邊界層風洞進行。采用粗糙元和劈尖，針對柱面網架弧形屋面模型被動模擬了冪指數為0.16的風剖面。多通道風壓同步測試系統的采樣頻率為781Hz，并修正了測壓管對風壓測試產生的影響[6]。模型頂部平均屋檐高度處的風速以及對應的速度壓力按慣例作為參考風速及參考風壓，求得各風壓測點處對應的風壓系數。風壓符號的約定為向下或向內為正，向上或向外為負。柱面網架屋蓋結構風洞模型的幾何縮尺比為1/400，風洞試驗的具體布置及流程可參考文獻[1]。

本文利用POD法[2]將風洞試驗的99個測壓點獲得的11個10 min的風壓時程擴展到每個屋面板的中心點，共獲得4 320個風壓時程。然后利用“改進全涌法[3]”對這些風壓時程進行極值估計，最后獲得屋面上4 320個點的極值風壓（以下簡稱極值風壓），每個極值風壓其數值的代表面積為6.6 m2。同時依據荷載規范也獲得了屋面的風壓（以下簡稱荷載規范風壓）。

2 局部風壓的對比

本文的研究對象是圍護體系的風荷載特性及其效應，因此較高精度的風壓數據是該研究工作的基礎。利用荷載規范中進行柱面網架屋蓋結構圍護體系的抗風設計時，其風壓值由下式獲得：

wk=βgzμslμzw0（1）

式中：βgz為高度z處的陣風系數，μsl為風荷載局部體型系數。

一般地，建筑物表面的風荷載并非均勻分布，在屋面角部區域、屋檐區域以及在如陽臺、雨棚等外挑構件的區域，局部風壓值可能會超過依據荷載規范得到的平均風壓值。

建筑物表面一定區域內的平均風壓與來流的動壓的比值被定義為風荷載體型系數，風荷載體型系數考慮了建筑物表面由于不均勻的風壓而出現的局部風壓超過平均風壓的情況。其主要影響因素為建筑的外形和幾何尺寸，也與周圍環境和地面粗糙度有關。但是荷載規范中柱面屋蓋結構圍護體系的風壓局部體型系數是基于柱面屋蓋建筑主體結構的風壓體型系數，規范中規定將柱面屋蓋建筑主體結構的風壓體型系數乘以1.25進行放大，從而獲得柱面屋蓋結構圍護體系風壓的局部體型系數。然而局部的風壓不僅受來流的影響，還受到特征湍流的影響，而目前的研究中對于特征湍流的特性還不能很好地描述。荷載規范中直接將主體結構的體型系數乘以1.25進行放大來考慮湍流對風壓分布的影響。然而在實際的情況下，建筑圍護體系的部分區域，其局部體型系數可能有的大于1.25倍，有的不足1.25倍，所以這種處理方法存在不安全的隱患或不經濟的設計。另一方面，荷載規范中將屋面分為3個平行的區域，每個區域內一個局部體型系數，所以整個屋面一共只取了3個局部體型系數值，且僅僅考慮了一個風向角。

陣風系數是考慮到風壓的瞬間增大情況而乘的系數，一般是陣風風速與時距10 min的平均風速之間的比值。規范中關于陣風系數的取值統一按照一個經驗公式進行計算，這種方法獲得的陣風系數用于結構迎風面上的圍護體系的抗風設計是合適的，因為迎風面上的湍流特征與大氣來流特征很相似，但對于屋面上的負壓區卻不一定適用，因為這些區域受到漩渦的作用，其湍流特征與來流的湍流特征不同。

由圖1可知，荷載規范風壓的數值大致將3個平行于來流屋檐的區域分別取某一常數值，且屋蓋表面風壓全部為負值。最靠近來流方向的負壓值較小，屋蓋中部區域取較大的負壓值，而尾部區域取稍小一些的負壓值。

圖2顯示，0°風向時，屋蓋表面的極值風壓也存在互相平行的正壓區域和負壓區域，但是這些區域與迎風屋檐并不是平行的，而是具有一定角度。并且，屋蓋表面大致可以分為5個正負壓交替的平行區域。在靠近來流的屋檐附近，有正的風壓值也有負的風壓值。相關研究表明，屋蓋表面的特征湍流是導致建筑物表面出現局部負壓（吸）極值的主要原因，因此，屋蓋表面旋渦的分離和再附使得屋蓋表面的風壓等值線不再是規則地平行于靠近來流的屋檐，而是具有一定夾角，同時等值線也不再是平行線，而是封閉的環線。

從極值風壓和荷載規范風壓數值的絕對值發現，在迎風屋檐左上角的角部區域，極值風壓的正壓值遠大于荷載規范風壓的負壓值，達到了4倍之多。同時，在該區域的中部和下部，存在著較大的風洞試驗負壓區，比相應區域的荷載規范風壓數值大2到3倍。因此，迎風屋檐附近區域應該作為圍護體系抗風設計的的重點關注區域，容易出現安全隱患。

另一方面，雖然極值風壓和荷載規范風壓的正負值區域并沒有重合，但是在屋蓋的中部區域，荷載規范風壓在數值上比極值風壓大3到6倍之多。這說明在這些區域規范風壓的取值偏于保守，會造成圍護體系抗風設計不經濟。

由圖2～圖5可知，0°、45°、90°以及全風向角下，屋蓋表面的極值風壓分布具有很大的相似性，同時取值的正負以及相應的絕對值的大小也相差不大。所以風向角對屋蓋表面的極值風壓的分布和取值影響不大，荷載規范中只考慮了一個風向的做法也是合理的。

3 結論

綜上所述，在迎風屋檐左上角的角部區域及在該區域的中部和下部，極值風壓遠大于荷載規范風壓，同時由時程分析獲得的應力明顯比靜力分析獲得的應力大。因此，迎風屋檐附近區域應該作為圍護體系抗風設計的的重點關注區域，容易出現安全隱患。另一方面，在屋蓋的中部區域，荷載規范風壓絕對值遠大于極值風壓的絕對值，同時由時程分析獲得的應力明顯比靜力分析獲得的應力小。因此在這些區域規范風壓的取值偏于保守，會造成圍護體系抗風設計的不經濟。

參考文獻

[1] Ding，Z.，Tamura，Y.Contributions of wind-induced overall and local behaviors for internal forces in cladding support components of large-span roof structure.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，115，162-172，2013

[2] 李方慧，倪振華，沈世釗，等.POD原理解析及在結構風工程中的幾點應用[J].振動與沖擊，2009，28（4）：29-32+201.

[3] 全涌， 顧明， 陳斌， 等. 非高斯風壓的極值計算方法[J]. 力學學報， 2010， 42（3）：560-566.