大跨度屋盖结构风洞试验研究报告.docx

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大跨度屋盖结构风洞试验研究报告

大跨度屋盖结构站房风洞试验研究

摘要：

以某大跨度屋盖结构火车站风洞实验研究为例，分析大跨度三跨双坡曲面屋盖的风荷载特性，并利用刚性模型风洞试验得到的脉动压力数据进行风致振动分析，试验结果表明：

在屋面边缘及屋脊附近的上吸风荷载绝对值要比屋面内部区域值大，屋面波谷区域风荷载值在-0.5～-1.0kN/m2范围内，悬挑位置及屋脊上吸风荷载值最大可达-5.0kN/m2;脉动风压系数一般在迎风屋檐附近比较大，可达0.6。

研究同时表明大跨屋盖的风荷载取值受建筑外形、周边干扰、结构特性、风向等因素影响明显，需要进行全面深入的分析研究。

关键词：

大跨屋盖结构；风荷载；风洞试验；风振分析

1概述

某火车站位于海南岛环岛铁路，站房总建筑面积约1.5万m2，共3段：

东段为原有1层建筑，框架结构，需保留（局部需改建）；西段为1层建筑，行包用房，平面约36m×28m，高度约8m，框架结构；中段为主站房，平面约160m×48m，不设伸缩缝，最大高度约26m。

下部结构采用现浇钢筋混凝土结构，上部屋盖采用钢结构。

站场雨棚纵向长约490m，横向宽约（45+47）m，整个站场雨棚中央高，两侧低，中央最大高度离站台地面20m，两侧最低高度离站台地面11m，雨棚主体结构采用双跨钢桁架结构体系。

火车站站房的平面及立面见图1和图2。

图1某火车站平面

图2某火车站立面

站房整体造型美观复杂，屋盖为三跨双坡曲面屋盖且屋盖悬挑大，在GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[1]中并没有可供参考的体型；其中站房工程和站场雨棚工程柱网稀疏，跨度大，刚度偏柔，在风荷载作用下的振动特性突出；并且项目所在位置为沿海地区，基本风压很大，使得风荷载成为控制荷载。

如何科学合理地对结构静力和动力风荷载进行分析，确保该工程的安全性和经济性变得十分重要。

GB50009—2012无法提供足够的信息进行详细风荷载取值，应进行深入详细的专业性风洞试验研究，提供足够的风荷载信息以保证结构设计的安全性与经济性。

国内外学者进行过大量单跨双坡屋盖的风洞试验研究[2-3]，但对多跨双坡曲面屋盖的风荷载特性研究仍然少见。

本文结合某火车站站房的风洞测试数据，分析此大跨度三跨双坡曲面屋盖的风荷载特性，给出用于围护结构设计的风荷载标准值，根据刚性模型进行风洞试验所得到的脉动压力值，作为风荷载自谱和相干谱的输入数据，并基于随机振动理论，采用振型分解法求解结构动力响应的位移均方差，最后按照等效静力的方式确定动力风荷载。

2刚性模型风洞测压试验

2．1试验概况

风洞试验位于中国建筑科学研究院大气边界层风洞实验室，结构尺寸为22m×4m×3m（长×宽×高）。

采用Scanivalve电子压力扫描阀系统测量压力，试验风速为20m/s，采样频率为400Hz，采样时长为21s，所有测点的压力数据均同步。

考虑到风洞试验对模型阻塞率的要求，确定该模型的缩尺比为1∶200，模型及现场布置如图3所示。

图3风洞中的试验模型

a—平均风速剖面;b—湍流强度剖面。

图4平均风速与湍流强度剖面

风洞试验中对大气边界层风场模拟。

根据GB50009—2012，本工程试验中拟采用B类地貌，其中风洞模拟的湍流强度Iu（σ/U）和平均风速U剖面如图4所示。

2．2试验测点布置

根据工程经验，结合该项目的结构设计特点，对风洞试验模型的测点布置进行了一定的优化和完善。

在站房屋盖的边缘、曲面突然变化区域、开放式雨棚的前缘风压分布的不利的区域，对测点进行了加密，增加了测点数量，以使在试验过程中能测得极端的风压值和最不利风荷载的分布。

模型上共布置了1010个测点。

其中在站房屋盖共布置141个测点，挑檐部分共布置42个双面测点，共计183个测点；雨棚上表面共布置259个测点，下表面共布置176个测点，雨棚端部共布置104个测点；幕墙共布置240个测点，其中女儿墙部分共布置48个双面测点，合计测点288个。

2．3试验工况及数据处理

针对模型进行不同风向角下的试验，风向角从0°开始，每隔10°测量一次，共计36种工况，分别测量各工况下模型的表面压力分布情况。

建筑物表面每个测点的压力都是一个随时间变化的函数。

可以将瞬时压力分为平均压力和脉动压力两部分的组合，即：

（1）

式中：

x为不同测点的编号

是p（x;t）在一定时间T内的平均值；p′（x;t）是一个随机量，其均方根值σp定义为：

为使试验结果具有普遍性，上述压力都采用无量纲的压力系数来表示。

在试验中距离模型2.2m高度位置的点为参考点，并以此处的来流动压为标准将其余测点的压力变换为压力系数，进行无量纲化。

为使试验结果方便与相关规范相对应，将上述得到的压力系数乘上相应的系数进行了转换，最终得到标准压力系数值。

这相当于采用B类地形实际高度10m处的来流动压（平均量

将建筑表面的压力进行无量纲化，相应的压力系数为：

平均压力系数：

Cp（x）=

（3a）

脉动压力系数：

（3b）

式中：

p∞为来流静压；ρ∞，V∞分别为远处来流的空气密度和风速。

由于风洞试验中的风速剖面已按照实际地形进行了模拟，因而得到的平均压力系数值中已经包含了大气边界层高度变化的影响，即文中给出的平均压力系数值为体型系数与高度变化系数的乘积。

由于风压存在一定的脉动特性，会使得表面风压的瞬时值大大高于平均压力值。

针对这种情况可以采用极值压力来进行考虑。

极值压力可表示为平均压力和脉动压力之和，即：

（4）

式中：

g为峰值因子。

式（4）右边分别表示压力的极大值与极小值。

根据概率论，当压力时间序列可看做一个平稳的高斯过程时，为保证实际出现的瞬时压力在99.7%的概率水平上不超过由（4）式计算得到的极值压力，可取峰值因子为3.0。

2．4风洞试验结果分析

由于篇幅限值，本文仅给出了风向角为270°时俯视平面的平均压力系数和脉动压力系数的试验结果，如图5所示。

可以看出，屋盖平均压力系数分布梯度非常明显，在迎风方向屋盖前檐区域压力系数绝对值很大，这是由于风的分离涡引起的。

屋盖的平均压力系数在三跨屋脊处沿风向变化梯度比其他位置更为剧烈，说明屋盖的体型对风压的分布有着明显的影响。

同样，屋盖脉动压力系数也是迎风前缘区域较大，达到0.6，沿风向方向逐渐减小至0.1，说明风在前缘区域的分离产生了较强的脉动特性。

另外，对于双面受风的挑棚位置，平均压力系数迎风方向合值绝对值大于上表面绝对值，这是因为此区域上表面为分离涡产生的风吸力，下表面由于立面及挑檐的遮挡产生的风压力，合风力更大；平均压力系数在下风向区域，合压力系数绝对值比上表面小，这说明下风向区域挑檐整体处于尾涡区域，上、下表面均为风吸力，会相互抵消。

a—平均压力系数;b—脉动压力系数。

图5270°风向压力系数分布

a—最大值;b—最小值。

图650年重现期极值压力统计分布kN/m2

图6给出了50年重现期极值压力统计分布，是围护结构风荷载设计标准值。

可以看出，下压风荷载在屋面波谷区域大，屋脊处小，规律性明显；上吸风荷载相反，在屋面波谷区域小，在-0.5～-1.0kN/m2范围内，屋脊及悬挑位置大，上吸风荷载最大可达-5.0kN/m2。

3风致振动分析

本文主要利用刚性模型风洞试验得到的脉动压力值作为风荷载自谱和相干谱的输入数据，并基于随机振动理论，采用振型分解法求解结构动力响应的位移均方差，最后再按照等效静力的方法确定动力风荷载。

3．1平稳激励下线性系统随机振动分析

风致振动计算采用平稳激励下线性系统随机振动响应分析的广义合成法[4]，能快速、有效地计算系统随机响应。

当系统为有限自由度体系时，结构在抖振荷载作用下的运动方程为可写为：

[M]{

}+[C]{

}+[K]{y}=[R]{p（t）}

（5）

式中：

[M]、[C]、[K]分别为n阶质量、阻尼与刚度矩阵；

分别为结构的位移、速度与加速度向量；[R]是n×m矩阵（主要由0,1组成），它将m维激励向量{p（t）}扩展成n维向量，表示力指示矩阵。

采用振型分解法将位移向量{y}展开可表示为：

{y（x,y,z,t）}=

{φj（x,y,z）}uj（t）=[Φ]{u}

（6）

式中

为第j阶振型;uj（t）为第j阶振型的模态坐标。

位移响应y（x,y,z,t）在频域中的功率谱密度矩阵可表示为：

[R][Spp（ω）][R]T{φk}Hk（iω）

T=

[Φ][H]*[Φ]T[R][Spp（ω）][R]T[Φ][H][Φ]T

（7）

式中:

[Spp（ω）]为力谱矩阵;Hj（iω）为频率响应函数。

Hj（iω）=

i=

（8）

式中：

ζj为第j阶的振型阻尼比；ωj为第j阶自振频率。

式（4）为精确的CQC计算式，式中包括了所有的振型交叉项，并考虑了振型间的耦合。

对Syy（ω）在频域上进行积分，可得到响应方差，将方差开方即得响应均方根。

3．2等效静力风荷载

本文中，等效经历风荷载的确定主要采用风振系数法。

并定义风振系数为峰值响应与平均响应之比，来表征结构对脉动风荷载的放大作用。

作用在结构上的某个响应的等效静力风荷载可用式（9）计算：

wi（x,y,z）=β（x,y,z）μsiμziw0R

（9）

式中：

μsiμziw0R为平均风荷载；β（x,y,z）为风振系数，由式（10）确定：

β（x,y,z）=

（10）

其中

式中

为峰值响应；

为平均响应；g为峰值因子;σR为响应均方根。

3．3计算结果分析

a—90°风向；b—270°风向。

图7等效静风荷载分区kN/m2

图7给出了两个风向下，在考虑结构风致振动影响的按等效静力的方式确定动力风荷载。

可以看出，在不同的风向下，作用在主体结构上的风荷载有着非常大的差异。

虽然结构是轴对称结构，90°风向和270°两个对称风向下的等效荷载，上风向前缘区域的荷载差异也非常明显，90°风向下仅为-1.90kN/m2，而270°风向下达到了-3.46kN/m2，这是由于站房北侧的站场雨棚的存在，对90°风向下站房屋盖风荷载分布特性产生了明显的影响，这和风压系数的分布规律是相符的。

这说明不仅建筑本身的建筑外形、结构自身特性会对结构风荷载特性产生影响，周边的建筑干扰也会对建筑的风荷载特性产生明显的影响，而且，需要进行多个风向下的结构计算，才能保证结构的安全。

4结束语

本文对某大跨度屋盖结构火车站站房进行了风洞试验和风振分析计算研究，试验结果为三跨双坡曲面屋盖的风荷载取值提供了参考。

试验结果表明:

在屋脊及屋面边缘附近的上吸风荷载绝对值要比屋面内部区域大，屋面波谷区域风荷载在-0.5～-1.0kN/m2范围内，屋脊及悬挑位置上吸风荷载最大可达-5.0kN/m2。

脉动风压系数一般在迎风屋檐附近比较大，可达0.6。

大跨度屋盖结构的风荷载取值受建筑外形、周边干扰建筑、结构自身特性等等很多方面的因素影响，大跨度复杂屋盖结构的风洞试验研究能提供足够的风荷载信息以保证主结构及围护结构设计的安全性与经济性。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：

GB50009—2012[S].北京:

中国建筑工业出版社，2012.

[2]赵雅丽，全涌.典型双坡屋面风压分布特性风洞实验研究[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38（11）:

1586-1592.

[3]王吉民，孙炳楠，楼文娟.双坡屋面薄膜结构模型风压系数的风洞试验研究[J].工业建筑，2002，32（4）:

58-60.

[4]陈凯，钱基宏.随机振动问题的广义坐标合成法[J].计算力学学报，2012，23

（2）:

171-177.