天長體育場大跨度空間結構風洞數據分析及應用

王荃，劉毛方 （.安徽省城市綜合設計研究院有限公司，安徽 合肥 3000；.安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 3000）

0 引言

近年來隨著經濟的發展，在一些公共建筑的設計中，為了實現大面積的無柱空間。各種復雜外形的大跨度空間結構層出不窮。大跨度空間結構主要類型為鋼結構，這類結構由于剛度小，故結構自振周期與風速的卓越周期較接近，屬于風荷載敏感結構。同時由于建筑體型的復雜性，現行《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)中根本無對應的風荷載體型系數可以選取。為了保證結構的抗風安全性，很有必要在設計階段進行風洞實驗研究，并根據實驗結果對結構的風荷載和風振特性進行進一步的分析。同時采取合理的風荷載和風振系數取值進行結構設計。

1 工程概況

天長市全民健身中心項目位于天長市高鐵核心區，由體育館和體育場及配套商業組成，總建筑面積約6.3 萬m2。其中體育場為12000 座，體育場主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，上部罩棚采用鋼桁架結構體系，屋面采用金屬屋面。鋼結構罩棚外觀呈幾何拼接狀，外形來源于天長的市花“茉莉花”。平面呈橢圓形，南北向長約243m，東西向寬約22m，徑向桁架懸挑最大長度約為28m，屋蓋結構最高點約為31.8m[1]。效果圖見圖1。

圖1 天長市全民健身中心體育場

2 風洞實驗介紹

為給設計階段的風荷載和風振系數取值提供科學依據，特委托合肥工業大學土木工程學院進行了天長市全民健身中心—體育場風洞實驗[1]，本次實驗采用1:250 的建筑物動態測壓剛性模型，模型采用ABS 樹脂制作，安置在風洞實驗段內轉盤的中央進行數據測量，分別以15°為增量，共執行了24個風向角的模型風壓試驗。風洞實驗模型如圖2。風洞實驗所使用的風洞為湖南大學HD-3 直流式矩形截面邊界層風洞，根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)本試驗模擬了B 類粗糙度的風場環境。為確保模型制作比例和模擬風場湍流尺度比例一致，需要對大氣邊界層模擬裝置進行局部調整，并進行風場特性測量。流場校測試驗結果表明，大氣邊界層風速剖面指數α 為0.15，與目標值吻合。大氣邊界層模擬結果如圖3 所示。結合結構網格整個模型共設有220 對風壓孔，屋面風壓測點布置如圖4 所示。每個測點均位于結構網格的形心處，考慮結構立面對風壓不敏感，立面測點布置較少。試驗時，對每個測點，采樣時間為30s，采樣頻率為312.5Hz，并采用同步測壓測量上下表面測點風壓時程。試驗風向按24 個羅盤方向設置，定義風向與中心線的夾角（風向角）β=0°，逆時針轉動，每間隔15°設置一個試驗風向；試驗參考點高度為12.72cm，試驗參考點名義風速為12.0m/s。

圖2 風洞實驗模型

圖3 實驗風場參數對比

圖4 屋面風壓測點布置圖

3 實驗數據處理及分析

模型試驗中符號約定以壓力向內（壓）為正，向外（吸）為負。根據試驗模型上每個測壓孔所在位置的內外表面測出的壓力相減可得到該測點的風壓力值。該值與參考點的平均總壓與平均靜壓值差的比值即為測點的風壓系數。根據風壓系數和參考點的風壓值即可得到測點的風壓值。作用在建筑物表面的局部風壓可根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)[4]中式（8.1.1-1）得到。其中對于大跨空間結構，其風振系數取值需特殊研究。

對于脈動風壓，通過測壓孔所在位置的風壓差系數時程經過數據運算（本工程為雙面測壓孔）可得到脈動風壓均方根值。依此可以求出測點的最大峰值風壓系數和最小峰值風壓系數（峰值因子一般取值為3.5）。

建筑物圍護結構表面的設計風壓，一般也可參考24 個風向中最大的極值風壓系數來進行計算。而不計入陣風系數。得到風壓系數后，再通過設計風速換算出參考高度處的實際風壓，將風壓系數乘以實際參考風壓，即可知實際極值壓力。此實驗數據主要為立面幕墻結構設計提供依據[5]。

4 實驗結果分析與對比

4.1 風壓系數

為了直觀比較各測點的風壓大小，本次實驗結果均用風壓系數表示，風壓系數可以根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)換算為體型系數，體型系數可以用來對比不同建筑體型的優劣。

根據實驗結果，屋面測點最大平均風壓系數為0.73，發生在345°風向角下的UD155 測點；屋面測點最小平均風壓系數為-1.22，發生在75°風向角下的UD153 測點，立面測點最大平均風壓系數為1.73，發生在195°風向角下的UD218 測點；立面測點最小平均風壓系數為-0.64，發生在285°風向角下的UD216 測點。對比《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)中[4]P44-45 中的單坡及雙坡頂蓋體型系數可以得出以下結論：

①由于本項目體育場罩棚形狀不同于常規的東西，看臺為獨立布置，其環形閉合的形狀降低了懸挑罩棚的負風壓體型系數；

②由于罩棚屋面為高低起伏狀，故全風向角下其局部屋面有不可忽視的風壓力，這點不同于常規的體育場懸挑罩棚；

③由于體育場中心為鏤空狀，故其立面在順風向的最大風壓系數遠大于《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)規定的順風向體型系數1.3；

④立面在背風面的最大風吸系數與《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)的規定基本吻合。

4.2 風振系數

現階段頻域法仍然是大跨度屋蓋結構的風振響應分析的主要方法，本次實驗報告[4]采用多階模態力法給出了共180 個測點頻域分析下的風振分析結果，分析報告結果可以看出測點的位移風振系數數值約為0.93～1.85。大部分都在1.5 以上。具有一定的離散性。說明由于屋蓋懸挑較大，其對風荷載較為敏感，對于整體結構設計來說，無法分區域進行風振計算，設計時綜合各不利因素后確定主體結構風振系數取值1.8。

5 實驗數據的設計應用

研究了屋面的風壓系數分布特性后，經過對比分析最終選取了0°、90°、180°、270°四個風向角參與風荷載計算，《天長體育場風洞實驗報告》將屋面部分根據風壓分布趨勢劃分區域，利用測點的面積加權平均法給出了局部區域的等效靜力風荷載以供設計選用。但由于屋面為幾何拼接狀，相鄰的結構網格有可能風壓系數差距較大，故分區域加風荷載工作繁瑣且不精確。設計時結合3D3S 軟件的風洞實驗數據接口要求編制了可生成符合軟件格式要求的風壓數據小程序，對于空間桁架結構，施加面荷載后，程序按照每個網格節點的從屬面積進行節點導荷。由于實驗模型的風壓測點均布置在結構網格的形心處，為了獲取每個網格節點的風壓系數，需要采用插值法，故首先編制了插值生成每個桁架節點處的風壓系數的小程序，插值原理為節點處的風壓系數與所有與該節點相交的網格面風壓系數取平均。節點加載時，根據程序要求的數據格式編制了數據命令流，具體操作如圖5、圖6。

圖5 3d3s軟件風洞實驗數據接口

圖6 導入的數據格式

圖6 為編制的風壓數據小程序生成的數據格式，前3 列為模型節點的X、Y、Z 三維坐標，最后1 列為節點的風壓系數，需要指出的是程序要求輸入的是體型系數，故需要修改程序里對應的風荷載參數，即基本風壓改為實驗參考點對應的實際風壓。B 類地貌、參考高度12.72cm(相對實際為31.8m)處的100年重現期風壓值為0.637kPa。由于程序輸入的是風壓系數，故計算時不考慮風壓高度系數的修正。利用自編程序生成了一共3033 個結構節點的風壓系數，0°下的節點風荷載顯示如圖7所示。

圖7 導入的節點風荷載顯示

導入0°、90°、180°、270°四個風向角的風荷載后，即可以參與荷載組合進行結構設計和驗算。

6 結論

①對于復雜體型的大跨度空間結構，很有必要進行剛性模型的風洞實驗，為設計階段風荷載取值提供依據。

②對于圓環形閉合的體育場挑蓬結構，其屋面的負風壓系數小于不閉合的挑蓬，故全風向角下其局部屋面有不可忽視的風壓力。

③體型系數可以比較不同體型的優劣性，但風壓系數可以更直接的比較結構各部位的壓力大小。故對于風洞實驗數據，風壓系數更便于設計采用。

④本文編制的風壓系數小程序可以快速、準確的實驗風洞實驗數據的導入，為結構的風荷載施加、驗算提供了便利。

⑤由于大跨度結構屋蓋的體型復雜，很難利用一個統一的風振系數表達結構的風振特性，故對于局部壓力系數較大的區域，建議設計時采用風振響應時程分析進行補充驗算。