張 淵， 劉小兵， 吳曉龍

(1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100043;2.石家莊鐵道大學(xué) 風(fēng)工程研究中心，河北 石家莊 050043;3.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

干煤棚在煤料場(chǎng)應(yīng)用廣泛，因其跨度大、凈空高、結(jié)構(gòu)輕柔，所以對(duì)風(fēng)荷載較為敏感[1]。對(duì)于干煤棚的風(fēng)荷載特性，已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。葉孟洋等[2]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方法得到了不同風(fēng)向角下單個(gè)干煤棚的分塊體型系數(shù)以及不同風(fēng)場(chǎng)下典型測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。齊月芹等[3]針對(duì)單個(gè)干煤棚通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了不同測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)的變化規(guī)律，并給出了設(shè)計(jì)建議。李玉學(xué)等[4]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了不同風(fēng)向角單個(gè)干煤棚的平均、脈動(dòng)風(fēng)壓特性、脈動(dòng)風(fēng)荷載譜以及測(cè)點(diǎn)間脈動(dòng)風(fēng)荷載的相關(guān)性。對(duì)于2個(gè)煤棚相互干擾方面，也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究，王鑫[5]研究了2個(gè)相鄰等高干煤棚的風(fēng)荷載，發(fā)現(xiàn)干擾結(jié)構(gòu)的遮擋效應(yīng)能減小試驗(yàn)結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載作用與結(jié)構(gòu)沿橫軸方向的位移響應(yīng)。黃鵬等[6]針對(duì)2個(gè)等高干煤棚的風(fēng)荷載進(jìn)行研究，結(jié)果表明，150°風(fēng)向角是有干擾情況下最不利風(fēng)向。周晅毅等[7]研究了不同風(fēng)向角時(shí)，2個(gè)等高干煤棚在外界干擾及不同風(fēng)場(chǎng)影響下干擾效應(yīng)的變化規(guī)律。 從以上文獻(xiàn)可以看到，對(duì)于干煤棚的研究，目前主要是針對(duì)單個(gè)干煤棚的風(fēng)荷載特性進(jìn)行的。對(duì)于2個(gè)干煤棚的研究主要集中在2個(gè)等高干煤棚風(fēng)荷載特性相互干擾方面。然而，高低不同雙干煤棚的結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程中時(shí)有出現(xiàn)，因兩煤棚高度不同，從而導(dǎo)致風(fēng)荷載更加復(fù)雜。但對(duì)于2個(gè)高低不同的干煤棚風(fēng)荷載特性鮮有研究，為了確保結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全，十分有必要研究高低雙干煤棚的風(fēng)荷載特性。本文以某實(shí)際高低雙干煤棚為研究對(duì)象，通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了不同風(fēng)向角下風(fēng)荷載的變化規(guī)律。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

如圖1所示，某實(shí)際工程中2個(gè)煤棚采用兩連跨方案，跨度分別為170 m和136 m，縱向長(zhǎng)度均為820 m，高度分別為54.078 m和44.060 m，高煤棚采用預(yù)應(yīng)力管桁架結(jié)構(gòu)，低煤棚采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，中間連接采用6 m鋼筋混凝土的排架柱結(jié)構(gòu)。高煤棚一側(cè)存在一些附屬干擾結(jié)構(gòu)。高煤棚的頂部設(shè)有4個(gè)通風(fēng)天窗，低煤棚的頂部設(shè)有12個(gè)通風(fēng)天窗。

圖1 雙煤棚的剖面圖和平面圖(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)是在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室的低速試驗(yàn)段進(jìn)行，低速段長(zhǎng)24 m，寬4 m，高3 m，存在轉(zhuǎn)盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)改變來(lái)流的風(fēng)向角，低速試驗(yàn)段最大風(fēng)速約30 m/s。

根據(jù)實(shí)際工程所在位置，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]，采用A類(lèi)地貌粗糙度類(lèi)別風(fēng)場(chǎng)。用尖劈、粗糙元和格柵被動(dòng)模擬方法模擬了項(xiàng)目所在地的地表粗糙度特性。地面粗糙度模擬裝置照片如圖2所示。圖3為采用圖2地面粗糙度模擬裝置得到的平均風(fēng)速剖面和順風(fēng)向湍流度剖面。可以看出，試驗(yàn)?zāi)M得到的風(fēng)速剖面與我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的理論風(fēng)剖面吻合較好。

圖2 地面粗糙度模擬裝置照片

圖3 試驗(yàn)平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面

模型采用ABS板制作而成，模型縮尺比為1∶250。2個(gè)干煤棚共在1 221個(gè)位置布置了測(cè)壓點(diǎn)，由于模型內(nèi)外表面均存在風(fēng)壓，所以在模型內(nèi)外表面均設(shè)置測(cè)壓孔，測(cè)點(diǎn)總數(shù)共2 442個(gè)。干煤棚頂部?jī)啥孙L(fēng)壓變化復(fù)雜，在頂部?jī)啥藴y(cè)點(diǎn)進(jìn)行了加密。為簡(jiǎn)明了解體型系數(shù)的變化，將模型體型系數(shù)進(jìn)行分塊，2個(gè)干煤棚共分為72塊，每個(gè)干煤棚36塊。測(cè)點(diǎn)布置及分塊情況如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置及分塊

模型布置在低速試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤(pán)的中間位置，0°風(fēng)向角為來(lái)流垂直于干煤棚的縱軸線，0°風(fēng)向角時(shí)，高干煤棚在上游，低干煤棚在下游。模型布置照片如圖5所示。風(fēng)向角定義如圖6所示。試驗(yàn)共測(cè)試了13個(gè)風(fēng)向角，從0°到180°每15°一個(gè)風(fēng)向角。由于模型基本對(duì)稱(chēng)，以下重點(diǎn)討論和對(duì)比0°和180°風(fēng)向角，以及45°和135°風(fēng)向角時(shí)高低雙煤棚的風(fēng)荷載特性。

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)照片

圖6 模型布置及風(fēng)向角定義

圖7 0°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 0°和180°風(fēng)向角時(shí)體型系數(shù)

圖7為0°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚和低干煤棚從整體來(lái)看體型系數(shù)沿縱軸方向變化規(guī)律基本一致。

高干煤棚迎風(fēng)面底部區(qū)域，體型系數(shù)為正值，且隨著高度增加體型系數(shù)的值減小。到達(dá)一定高度時(shí)，氣流發(fā)生分離形成漩渦，在頂部形成負(fù)壓，體型系數(shù)為負(fù)值。這與文獻(xiàn)[4]中單個(gè)干煤棚迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律相似。由于天窗的存在，體型系數(shù)在靠近天窗迎風(fēng)部分為較小的正值，靠近天窗背風(fēng)部分為絕對(duì)值較大的負(fù)值。高干煤棚背風(fēng)面體型系數(shù)為負(fù)值且隨著高度的降低，體型系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小，并且在靠近鋼筋混凝土排架柱附近出現(xiàn)正壓。

低干煤棚由于受到高干煤棚的干擾，迎風(fēng)面體型系數(shù)僅在垂直高干煤棚兩天窗中間位置出現(xiàn)正值，這可能是由于高干煤棚兩天窗之間產(chǎn)生間隙流，風(fēng)速增大引起的。低干煤棚天窗迎風(fēng)面附近體型系數(shù)為正值，天窗背風(fēng)面附近體型系數(shù)為負(fù)值。低干煤棚背風(fēng)面頂部體型系數(shù)為負(fù)值，且隨高度的降低，體型系數(shù)的絕對(duì)值減小。背風(fēng)面底部由于氣流的再附著，體型系數(shù)為正值。

圖8 180°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖

圖8為180°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚和低干煤棚從整體來(lái)看體型系數(shù)沿縱軸方向變化規(guī)律基本一致。

低干煤棚迎風(fēng)面底部區(qū)域體型系數(shù)為正值，隨高度的增加體型系數(shù)逐漸減小，到達(dá)一定高度體型系數(shù)為負(fù)值。體型系數(shù)在天窗迎風(fēng)面附近出現(xiàn)正值，天窗背風(fēng)面附近出現(xiàn)絕對(duì)值很大的負(fù)值。在背風(fēng)面體型系數(shù)為負(fù)值，且隨高度的降低，體型系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小，在靠近混凝土排架柱附近體型系數(shù)為正值。

高煤棚除垂直于低煤棚兩天窗間隙位置和靠近混凝土排架柱附近的區(qū)域外體型系數(shù)均為負(fù)值。在干煤棚天窗背風(fēng)面附近區(qū)域體型系數(shù)絕對(duì)值最大，且沿高度降低，體型系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小。

圖9、圖10為0°風(fēng)向角和180°風(fēng)向角時(shí)結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)。分塊體型系數(shù)的定義為

(1)

式中,Ai為測(cè)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的面積；A為分塊的總面積；μsi為測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)。

圖9 0°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)

圖10 180°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)

對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是0°風(fēng)向角還是180°風(fēng)向角，高干煤棚和低干煤棚體型系數(shù)極值均出現(xiàn)在頂部天窗背風(fēng)面附近，且均為負(fù)值。最大正壓出現(xiàn)在迎風(fēng)面。

0°風(fēng)向角時(shí)，高干煤棚處于上游，由于遮擋作用，低干煤棚較180°風(fēng)向角時(shí)最大負(fù)體型系數(shù)的絕對(duì)值減小，并且在低干煤棚背風(fēng)面的底部附近出現(xiàn)正體型系數(shù)。180°風(fēng)向角時(shí)，低干煤棚處于上游，高干煤棚迎風(fēng)面的下部受到遮擋作用，較0°風(fēng)向角時(shí)負(fù)體型系數(shù)的絕對(duì)值減小，背風(fēng)面的體型系數(shù)絕對(duì)值增加且均為負(fù)值。干煤棚處于下游時(shí)，無(wú)論是高干煤棚還是低干煤棚均會(huì)受到上游干煤棚的遮擋，使迎風(fēng)面下部風(fēng)荷載降低，這與文獻(xiàn)[5]和[6]類(lèi)似。但當(dāng)高干煤棚處于下游時(shí)，高干煤棚迎風(fēng)面上部體型系數(shù)的絕對(duì)值較處于上游時(shí)略有增加，這與文獻(xiàn)[6]不同。

2.2 45°和135°風(fēng)向角時(shí)體型系數(shù)

圖11 45°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖

圖11為45°風(fēng)向角時(shí)結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖。高干煤棚北側(cè)底部區(qū)域體型系數(shù)為正值，靠近西側(cè)角部的體型系數(shù)的值較大，其余等高線呈水平分布，且隨高度的增加體型系數(shù)逐漸減小?？梢钥闯鲈谖鱾?cè)山墻與干煤棚頂部交接處氣流發(fā)生分離，干煤棚頂部西側(cè)區(qū)域出現(xiàn)很大的負(fù)壓，體型系數(shù)為負(fù)，且沿縱軸線方向，頂部其他區(qū)域體型系數(shù)變化不大。由于受到頂部天窗的影響，天窗北側(cè)區(qū)域體型系數(shù)的絕對(duì)值減小，天窗南側(cè)區(qū)域體型系數(shù)的絕對(duì)值增大。高干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱區(qū)域的體型系數(shù)為正值，在氣流分離點(diǎn)附近體型系數(shù)為負(fù)值，后由西向東出現(xiàn)一個(gè)較大的正值區(qū)域，之后體型系數(shù)為較小的正值。

低干煤棚由于受到高干煤棚天窗部分的影響，西北側(cè)區(qū)域出現(xiàn)部分很大的正體型系數(shù)，但東北側(cè)區(qū)域影響不明顯。低干煤棚南側(cè)區(qū)域，靠近西側(cè)山墻部分發(fā)生氣流的分離，體型系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)值，由西向東體型系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小，后體型系數(shù)出現(xiàn)正值。低干煤棚天窗位置處體型系數(shù)絕對(duì)值出現(xiàn)增大的情況，且由西向東天窗的干擾影響逐漸不明顯。

圖12 135°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖

圖12為135°風(fēng)向角時(shí)結(jié)構(gòu)凈壓體型系數(shù)云圖。低干煤棚南側(cè)底部區(qū)域?yàn)橛L(fēng)面，體型系數(shù)為正值，且西南角體型系數(shù)最大，沿縱軸方向體型系數(shù)逐漸減小。南側(cè)底部區(qū)域隨著高度的增加體型系數(shù)逐漸減小，到達(dá)一定高度時(shí)，氣流發(fā)生分離，體型系數(shù)為負(fù)值。低干煤棚氣流在西側(cè)山墻與干煤棚頂部交接處發(fā)生分離，頂部西側(cè)體型系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)值，其余區(qū)域體型系數(shù)絕對(duì)值較小。低干煤棚天窗西南側(cè)出現(xiàn)體型系數(shù)較小的正值，天窗東北側(cè)負(fù)體型系數(shù)的絕對(duì)值明顯增大?？拷摻罨炷僚偶苤浇鱾?cè)底部區(qū)域，由西向東先出現(xiàn)負(fù)的體型系數(shù)，后出現(xiàn)正的體型系數(shù)。

高干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱附近西側(cè)的體型系數(shù)由西向東先出現(xiàn)負(fù)的體型系數(shù)，后出現(xiàn)正的體型系數(shù)，這與低干煤棚的變化規(guī)律相似。高干煤棚頂部西側(cè)區(qū)域氣流發(fā)生分離，體型系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)值，其余區(qū)域體型系數(shù)的絕對(duì)值較小。由于受到低干煤棚的影響，高干煤棚天窗南側(cè)區(qū)域負(fù)體型系數(shù)的絕對(duì)值雖稍有降低但仍為負(fù)值，天窗北側(cè)區(qū)域?yàn)榻^對(duì)值較大的負(fù)體型系數(shù)。高干煤棚北側(cè)底部區(qū)域體型系數(shù)均為負(fù)值，且由西向東體型系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小。

圖13和圖14分別為45°和135°風(fēng)向角時(shí)結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是45°還是135°風(fēng)向角，高干煤棚和低干煤棚負(fù)體型系數(shù)的最大值均出現(xiàn)在頂部西側(cè)。高干煤棚和低干煤棚靠近鋼筋混凝土排架柱的區(qū)域，體型系數(shù)均在兩端為負(fù)值中間位置為正值。

圖13 45°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)

圖14 135°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)分塊體型系數(shù)

45°風(fēng)向角時(shí)，高干煤棚處于上游，低干煤棚由于受到高干煤棚的影響，體型系數(shù)的絕對(duì)值較135°風(fēng)向角時(shí)減小。135°風(fēng)向角時(shí)，低干煤棚處于上游，高干煤棚最大負(fù)體型系數(shù)的絕對(duì)值較45°風(fēng)向角時(shí)增大，且高干煤棚天窗附近的體型系數(shù)絕對(duì)值也增大。

3 結(jié)論

(1)無(wú)論來(lái)流風(fēng)與干煤棚跨度方向平行還是45°斜交，高干煤棚處于上游時(shí)頂部風(fēng)吸力均比處于下游時(shí)頂部風(fēng)吸力小。低干煤棚處于上游時(shí)頂部風(fēng)吸力均比處于下游時(shí)頂部風(fēng)吸力大。

(2)當(dāng)來(lái)流風(fēng)與干煤棚跨度方向平行時(shí)，無(wú)論是高干煤棚還是低干煤棚，頂部風(fēng)吸力沿縱軸線方向基本不變。當(dāng)來(lái)流風(fēng)與干煤棚跨度方向45°斜交時(shí)，高干煤棚無(wú)論處于上游還是下游，頂部風(fēng)吸力除端部外沿縱軸線方向變化均不明顯；低干煤棚處于上游時(shí)，頂部風(fēng)吸力除端部外沿縱軸線方向變化不明顯，但低干煤棚處于下游時(shí)，頂部風(fēng)吸力沿縱軸線方向由西向東逐漸減小。