張雪 李壽科 肖飛鵬

【摘 要】本文以1：200幾何縮尺比的剛性模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，基于相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，研究了大跨度平屋蓋表面風(fēng)壓分布特征，給出了風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。得出，屋面的風(fēng)壓系數(shù)以吸力為主，氣流在屋面前緣發(fā)生分離，發(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附。

【關(guān)鍵詞】大跨屋蓋結(jié)構(gòu);平均風(fēng)壓系數(shù);脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù);極值風(fēng)壓系數(shù);局部風(fēng)壓系數(shù)

中圖分類號(hào)： TU312.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）11-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.082

【Abstract】The wind tunnel test is carried out with a rigid model of 1：200 geometric scale. Based on the corresponding wind tunnel test data processing method， the wind pressure distribution characteristics of the long-span flat roof are studied， and the distribution law of wind pressure coefficient is given. . It is concluded that the wind pressure coefficient of the roof is mainly suction， and the airflow is separated at the front edge of the house. After the separation occurs， the vortex is detached and reattached.

【Key words】Large span roof structure; Mean wind pressure coefficient; Pulsating wind pressure coefficient; Extreme wind pressure coefficient; Local wind pressure coefficient

0 引言

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于藝術(shù)館、體育館、 展覽館，航站樓，火車站站房等公共建筑，風(fēng)荷載是該類大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的一個(gè)重要的荷載。在我國(guó)規(guī)范中對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，通常區(qū)分于主體承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)通常處于近地面大氣湍流邊界層，且其外形較為不規(guī)則，使得風(fēng)在結(jié)構(gòu)表面繞流特征明顯，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下容易被破壞[1]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常由小塊的屋面系統(tǒng)組成，其表面風(fēng)荷載表現(xiàn)出明顯的非高斯特性，易在強(qiáng)風(fēng)作用下被掀開(kāi)，被撕裂甚至發(fā)生卷曲和變形[2]。大跨屋蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的表面風(fēng)壓是千變?nèi)f化的且有正負(fù)之分，正壓是建筑結(jié)構(gòu)阻擋到來(lái)流風(fēng)而產(chǎn)生的，一般是迎風(fēng)面，而正壓受到阻塞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生改變方向，造成結(jié)構(gòu)表面受到的風(fēng)壓不均勻。而負(fù)壓一般在建筑屋面和背面以及側(cè)面產(chǎn)生，負(fù)壓的分析比較復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生分離和漩渦[3]。

因?yàn)榇罂缥萆w結(jié)構(gòu)大部分都是鈍體結(jié)構(gòu)，而繞流因慣性力減小呈現(xiàn)出一種減速的形式，逆壓梯度使得表面氣流倒流，致使氣流發(fā)生分離。不同的建筑外形它的氣流分離點(diǎn)也不同，且在分離之后會(huì)產(chǎn)生漩渦引起結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)，也會(huì)有再附現(xiàn)象發(fā)生[4]。

1 剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)概況

本文試驗(yàn)在湖南科技大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心進(jìn)行，該風(fēng)洞為開(kāi)口直流吸入式矩形截面風(fēng)洞，如圖1所示，試驗(yàn)段尺寸為：寬4.0米×高3.0米×長(zhǎng)21.0米。風(fēng)洞是有一臺(tái)350kW功率的電機(jī)，試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0m/s～30m/s。風(fēng)洞有一個(gè)半徑為1.5米的轉(zhuǎn)盤(pán)，能夠采集360度各個(gè)方向角數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)?zāi)M了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中的B類地貌，風(fēng)場(chǎng)縮尺比為1：200，平均風(fēng)剖面指數(shù)為0.15，屋面風(fēng)速大約達(dá)到10m/s。大跨平屋蓋建筑的足尺尺寸為176.8m×176.8m×30m，模型縮尺比為1：200，模型照片如圖2所示。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀萆w和立墻表面布置測(cè)點(diǎn)，屋蓋表面測(cè)點(diǎn)共計(jì)為500個(gè)。采樣時(shí)長(zhǎng)約20s，采樣頻率330Hz，采集6600個(gè)數(shù)據(jù)樣本。

2 表面風(fēng)壓分布規(guī)律分析

2.1 測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)分布規(guī)律

測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律為（1）平均風(fēng)壓成對(duì)稱分布，由此也證明該風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性;（2）屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)以吸力為主，0度方向屋面前緣吸力比較明顯，等值線基本平行，氣流在屋面前緣發(fā)生分離，隨著向尾流區(qū)的發(fā)展，吸力逐漸減小，這是因?yàn)闅饬靼l(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附，等值線不再平行。45度風(fēng)向角時(shí)，氣流在角部分離形成雙翼錐形渦，且隨著向尾流區(qū)發(fā)展越來(lái)越弱;（3）0度風(fēng)向角下，最大負(fù)壓出現(xiàn)在屋面前緣屋角處。45度風(fēng)向角下，最不利負(fù)壓出現(xiàn)在屋面角部分離處。

2.2 測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律

脈動(dòng)風(fēng)壓為風(fēng)荷載所具有的脈動(dòng)能量，由來(lái)流和建筑本身所產(chǎn)生的湍流能量。分布規(guī)律為：在0度和45度風(fēng)向角下，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和平均風(fēng)壓系數(shù)規(guī)律大致相同。0度風(fēng)向角時(shí)，最大脈動(dòng)風(fēng)壓出現(xiàn)在屋面迎風(fēng)前緣和錐形渦處，變化梯度大，是屋面極易破壞區(qū)域，范圍為0.07～0.5。隨著向尾流區(qū)域發(fā)展，脈動(dòng)風(fēng)壓越來(lái)越小，這與平均風(fēng)壓系數(shù)一樣。45度風(fēng)向角時(shí)，最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)同樣出現(xiàn)在角部分離處，這是由于風(fēng)壓脈沖所影響，與特征湍流相符合，范圍為0.05～0.5。

2.3 測(cè)點(diǎn)極值風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律

極值的研究在風(fēng)工程試驗(yàn)中具有重要意義。圖3為0度風(fēng)向角下極值風(fēng)壓系數(shù)等高直線圖，看出在屋面中間有一次風(fēng)壓分離，離屋面前沿越遠(yuǎn)極小值的絕對(duì)值越小，到屋面后緣風(fēng)壓再附，在屋面后沿絕對(duì)值又逐漸變大，極大值風(fēng)壓系數(shù)，旋渦脫落產(chǎn)生吸力到屋面后沿再附有關(guān)，使得屋面后沿絕對(duì)值急劇增大。

圖4為45度風(fēng)向角下極小值風(fēng)壓系數(shù)等高直線圖，圖中極值風(fēng)壓系數(shù)對(duì)稱，可證明數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由于錐形渦的影響，角部極值絕對(duì)值最大，隨著錐形渦向屋面后緣擴(kuò)散，絕對(duì)值變小，且中間部分，極值風(fēng)壓系數(shù)偏小，也是由于氣流分離所影響。45度風(fēng)向角下極大值風(fēng)壓系數(shù)等高直線圖，圖中極值風(fēng)壓系數(shù)對(duì)稱，由于錐形渦影響極大值出現(xiàn)在屋面尾部。

2.4 分塊體型系數(shù)分布規(guī)律

本節(jié)統(tǒng)計(jì)了局部體型系數(shù)，根據(jù)圖5、圖6的屋面分塊，本節(jié)統(tǒng)計(jì)了局部體型系數(shù)，為0度和45度風(fēng)向角的體型系數(shù)規(guī)范取值，體型系數(shù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，可看出數(shù)據(jù)對(duì)稱分布，證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。45度風(fēng)向角下，區(qū)域1、2、4和5受到氣流分離、雙翼錐形渦以及旋渦脫落的影響造成風(fēng)壓系數(shù)變化大。

0度風(fēng)向角下每塊區(qū)域的測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)隨著向尾流區(qū)發(fā)展，體型系數(shù)越來(lái)越小。區(qū)域1體型系數(shù)范圍在-1.34～-0.31，有17.6%的測(cè)點(diǎn)超過(guò)規(guī)范值，且靠近屋面前沿;區(qū)域2體型系數(shù)范圍在-0.42～-0.15，所有值都小于規(guī)范值;區(qū)域3體型系數(shù)范圍在-0.27～-0.10，且接近規(guī)范值。45度風(fēng)向角下每塊區(qū)域的測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)統(tǒng)計(jì)值。在區(qū)域1體型系數(shù)為負(fù)值，12%的測(cè)點(diǎn)超過(guò)規(guī)范值，最大值超過(guò)規(guī)范值44%，其余小于規(guī)范值;區(qū)域2體型系數(shù)都小于規(guī)范值;區(qū)域3體型系數(shù)有一個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)規(guī)范值即1號(hào)測(cè)點(diǎn);區(qū)域4體型系數(shù)有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)規(guī)范值，即有3.4%超過(guò)規(guī)范值;區(qū)域5體型系數(shù)有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)規(guī)范值，即有2.4%超過(guò)規(guī)范值，且超過(guò)規(guī)范值的測(cè)點(diǎn)大多數(shù)在邊緣和雙翼錐形渦處。

3 總結(jié)

采用縮尺比為1：200的大跨度平屋蓋進(jìn)行剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了屋蓋表面風(fēng)壓分布特征，得到以下結(jié)論：（1）屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)以吸力為主，0度方向氣流在屋面前緣發(fā)生分離，發(fā)生分離后產(chǎn)生了旋渦脫落與再附，最大負(fù)壓出現(xiàn)在屋面前緣。45度風(fēng)向角時(shí)，氣流在角部分離形成雙翼錐形渦，且隨著向尾流區(qū)發(fā)展越來(lái)越弱，最大負(fù)壓出現(xiàn)在屋面前緣。（2）脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和平均風(fēng)壓系數(shù)規(guī)律大致相同。最大脈動(dòng)風(fēng)壓出現(xiàn)在屋面迎風(fēng)前緣和錐形渦處，變化梯度大，是屋面極易破壞區(qū)域，這是由于風(fēng)壓脈沖所影響，與特征湍流相符合。（3）風(fēng)壓系數(shù)極值離屋面前沿越遠(yuǎn)極大值和極小值的絕對(duì)值偏小。這與風(fēng)壓在屋面前沿產(chǎn)生分離，旋渦脫落產(chǎn)生吸力到屋面后沿再附。研究大跨屋蓋結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓特性為大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論參考。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]李壽科，張雪，方湘璐，孫洪鑫，陳寧，胡金星.雙坡光伏車棚屋面風(fēng)荷載特性[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2019，40（02）：530-537.

※基金項(xiàng)目：湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2017B639）。

作者簡(jiǎn)介：張雪（1992—），女，河南安陽(yáng)人，漢族，碩士研究生學(xué)歷。