王 浩, 李宇青, 姜會民, 劉小兵,2,3, 楊 群,2,3

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 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；3. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

煤棚是一種廣泛應(yīng)用于儲煤的大跨空間曲面結(jié)構(gòu)[1]，跨度大，結(jié)構(gòu)輕柔，對風(fēng)荷載十分敏感。準(zhǔn)確掌握大跨煤棚的風(fēng)荷載特性，對抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要意義。在實(shí)際工程中，來流風(fēng)有很大的不確定性，大跨煤棚的風(fēng)荷載會隨著風(fēng)向角的變化表現(xiàn)出明顯差異[2]；同時(shí)，大跨煤棚的周邊環(huán)境往往不是空曠的，周邊建筑對大跨煤棚所受風(fēng)荷載有顯著影響[3]。因此，風(fēng)向角和周邊建筑干擾對大跨煤棚所受風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。

張淵等[4]研究了高低不同的兩柱面煤棚在相互干擾下風(fēng)荷載的變化規(guī)律。梁曉佩[5]和孫高健等[6]對大跨柱面煤棚進(jìn)行風(fēng)荷載特性研究，發(fā)現(xiàn)體型系數(shù)的取值對煤棚外形十分敏感。張金龍等[7]研究了大跨柱面煤棚在不同干擾情況下整體力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。葉孟洋等[8]、周晅毅等[9]研究了有無干擾條件下大跨柱面網(wǎng)殼煤棚的風(fēng)致響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)各種干擾條件下相同區(qū)域的最大響應(yīng)盡管在數(shù)值大小上有所不同，但隨風(fēng)向的變化規(guī)律卻類似。黃鵬等[10]研究了柱面網(wǎng)殼煤棚在多種參數(shù)下體型系數(shù)的分布規(guī)律，給出了可供參考的規(guī)范化分塊體型系數(shù)結(jié)果。王鑫[11]研究了大跨網(wǎng)殼煤棚平均風(fēng)壓分布與沿橫軸方向的位移響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)存在干擾的煤棚由于受到遮擋效應(yīng)的影響，其風(fēng)荷載與橫軸向位移響應(yīng)有所減小。可以看到，目前關(guān)于煤棚風(fēng)荷載特性的研究其研究對象一般為網(wǎng)殼煤棚。

近年來，由于氣膜煤棚具有施工周期短、安全性高等優(yōu)勢，開始廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中[12]。氣膜煤棚靠對內(nèi)充氣來使用，外部主要呈拱形，頂部較為平緩，兩側(cè)山墻呈球狀；常規(guī)的網(wǎng)殼煤棚頂部較為陡峭，兩側(cè)山墻常為豎直布置。氣模煤棚和網(wǎng)殼煤棚在外形方面存在很大的不同，以致風(fēng)荷載特性也存在較大差異。因此，十分有必要對氣模煤棚的風(fēng)荷載特性展開研究。基于此，以某發(fā)電廠氣膜煤棚為研究對象，通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了有無周邊建筑2種情況下，氣膜煤棚在不同風(fēng)向角下的體型系數(shù)和整體力系數(shù)的分布規(guī)律，研究可為大跨氣模煤棚的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測點(diǎn)布置

圖1 氣膜煤棚平面圖和立面圖(單位：m)

圖2 試驗(yàn)照片

圖3所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y點(diǎn)布置圖。由于氣膜煤棚的封閉特性，只在模型外表面設(shè)置測壓孔，共布置了609個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)布置方式采用非均勻布置，在模型兩端形狀變化劇烈處進(jìn)行加密布置。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心風(fēng)洞試驗(yàn)室的低速試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行。低速段尺寸為長24 m，寬4 m，高3 m，最大風(fēng)速約30 m/s。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將模型安裝在低速段內(nèi)的轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤來改變風(fēng)向角。依據(jù)文獻(xiàn)[13]規(guī)定，確定本項(xiàng)目氣膜煤棚所在地為A類地貌粗糙度類別風(fēng)場，試驗(yàn)中采用粗糙元和尖劈被動模擬方法來模擬大氣邊界層風(fēng)場。圖4為試驗(yàn)?zāi)M的平均風(fēng)剖面和湍流度剖面與規(guī)范值的對比，可以看到，兩者吻合較好。試驗(yàn)參考風(fēng)速取15 m/s。模型表面不同位置處測壓孔的風(fēng)壓通過電子壓力掃描閥測得，電子壓力掃描閥的采樣頻率為330 Hz，采樣時(shí)間為30 s，采樣點(diǎn)數(shù)為9 900 個(gè)。圖5為試驗(yàn)風(fēng)向角示意圖。試驗(yàn)來流風(fēng)順著模型展向從右往左側(cè)吹來時(shí)定義為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，以15°為間隔，旋轉(zhuǎn)360°。

圖4 試驗(yàn)?zāi)M的平均風(fēng)剖面和湍流度剖面與規(guī)范值對比

圖5 試驗(yàn)風(fēng)向角示意圖

1.3 參數(shù)定義

采用無量綱的體型系數(shù)描述煤棚表面風(fēng)荷載分布

(1)

式中,Cpi(t)為測點(diǎn)i處的體型系數(shù)；pi(t)為測點(diǎn)i處的風(fēng)壓；ps為測點(diǎn)靜壓平均值；pt為測點(diǎn)總壓；ρ為空氣質(zhì)量密度；v為測點(diǎn)高度處遠(yuǎn)前方風(fēng)速。

將作用在煤棚上的風(fēng)壓在各風(fēng)向角下進(jìn)行積分，得到煤棚的整體力系數(shù)，此處的整體力系數(shù)指煤棚受到的平均力，定義X、Y、Z軸方向的整體力系數(shù)分別為CFX、CFY、CFZ，X、Y、Z軸的正方向見圖1。

(2)

(3)

(4)

式中,pi為i測點(diǎn)處的壓力值；Ai為測點(diǎn)i所處位置的從屬面積；Cpdi為測點(diǎn)高度處的風(fēng)壓系數(shù)；θi為測點(diǎn)法線方向與水平方向的夾角；D為模型的寬；L為模型的長；H為模型的矢高。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 風(fēng)向角對大跨氣膜煤棚風(fēng)荷載特性的影響

2.1.1 風(fēng)向角對體型系數(shù)分布規(guī)律的影響

圖6(a)所示為0°風(fēng)向角下無周邊建筑煤棚體型系數(shù)云圖。氣膜煤棚右側(cè)為迎風(fēng)面，在煤棚迎風(fēng)面底部所受體型系數(shù)是正值，最大值為1.01。由于煤棚的封閉性，當(dāng)風(fēng)吹來時(shí)，阻擋風(fēng)吹進(jìn)煤棚的內(nèi)部，在達(dá)到煤棚頂部高度之前發(fā)生氣流的分離，體型系數(shù)由正值變?yōu)樨?fù)值。在煤棚頂部受到較小的風(fēng)吸力，體型系數(shù)在0值附近。隨著高度的降低，體型系數(shù)先增加后減小，直到煤棚背風(fēng)面底部時(shí)受到的體型系數(shù)仍為負(fù)值，體型系數(shù)在-0.1～-0.6之間。在煤棚迎風(fēng)面左右兩側(cè)拐角處受到較大的負(fù)體型系數(shù)，取值范圍在-1.1～-1.39之間。這是因?yàn)闅饬靼l(fā)生分離以后產(chǎn)生較大的旋渦，從而受到較大的負(fù)體型系數(shù)。

洞庭湖是我國第二大淡水湖，天然湖約2740平方公里，內(nèi)湖1200平方公里。主要分為東、西、南三部分，東洞庭湖是濕地系統(tǒng)的核心，現(xiàn)均為自然保護(hù)區(qū)，生物物種豐富。還有許多名勝古跡，流傳著一些神話故事，文化底蘊(yùn)較濃。

圖6(b)所示為90°風(fēng)向角下無周邊建筑煤棚體型系數(shù)云圖。氣膜煤棚上方為迎風(fēng)面，在煤棚迎風(fēng)面底部所受體型系數(shù)是正值，最大值為0.99。隨著高度的增加，體型系數(shù)逐漸減小直到由正值變?yōu)樨?fù)值。與0°風(fēng)向角不同的是90°風(fēng)向角下，煤棚頂部區(qū)域受到較大的風(fēng)吸力，體型系數(shù)在-1～-1.4之間。在煤棚迎風(fēng)面左右兩側(cè)拐角處受到較大的負(fù)體型系數(shù)，取值范圍分別在1.15～-1.45和-1～-2.18之間。當(dāng)風(fēng)從煤棚頂部吹到背風(fēng)面底部時(shí)，負(fù)體型系數(shù)先增加后減小，在背風(fēng)面底部煤棚所受體型系數(shù)仍為負(fù)值。

圖6 無周邊建筑干擾時(shí)氣膜煤棚的體型系數(shù)云圖

2.1.2 風(fēng)向角對整體力系數(shù)分布規(guī)律的影響

圖7所示為X、Y、Z軸方向上整體力系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖。在X和Z軸方向上，整體力系數(shù)以180°風(fēng)向角為對稱軸呈對稱分布；在Y軸方向上，整體力系數(shù)以180°風(fēng)向角為中心呈中心對稱分布。

圖7 整體力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律

在X軸方向上，當(dāng)風(fēng)向角在0°～30°和105°～135°之間時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)為負(fù)值，受水平向左的力；當(dāng)風(fēng)向角在45°～90°和150°～180°之間時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)為正值，受水平向右的力；在30°～45°和135°～150°風(fēng)向角之間時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)正負(fù)發(fā)生改變，受力方向發(fā)生改變。煤棚在0°、60°、180° 3個(gè)風(fēng)向角下受到水平方向上的力較大，所受整體力系數(shù)分別為-0.42、0.39、0.44。在Y軸方向上，當(dāng)風(fēng)向角在0°～180°之間時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)均為負(fù)值，受豎直向下的力；其余風(fēng)向角下煤棚受到的整體力系數(shù)均為正值，受豎直向上的力；在180°風(fēng)向角下煤棚受力方向發(fā)生改變。煤棚在75°和285°風(fēng)向角下受到豎直方向上的力較大，整體力系數(shù)大小為0.63。在Z軸方向上，煤棚受到的整體力系數(shù)一直大于0，因此煤棚始終受Z軸正方向上的力。煤棚受到Z軸正方向上的風(fēng)吸力從0°風(fēng)向角開始，先增加，增加到90°風(fēng)向角達(dá)到最大整體力系數(shù)，數(shù)值為1.26；后減小到180°風(fēng)向角，數(shù)值為0.1。在180°風(fēng)向角之后煤棚受到的整體力系數(shù)變化規(guī)律與180°風(fēng)向角之前相同。從X、Y、Z軸方向上整體力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律來看，在75°～90°和270°～285°風(fēng)向角之間時(shí)，煤棚受力較大。在進(jìn)行抗風(fēng)要求設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以該風(fēng)向角范圍內(nèi)的風(fēng)荷載作為依據(jù)。

2.2 周邊建筑對大跨氣膜煤棚風(fēng)荷載特性的影響

2.2.1 周邊建筑對體型系數(shù)分布規(guī)律的影響

為便于對比，選擇周邊建筑較多的90°風(fēng)向角和周邊建筑較少的270°風(fēng)向角進(jìn)行分析。

圖8(a)所示為90°風(fēng)向角下有周邊建筑煤棚體型系數(shù)云圖。氣膜煤棚右側(cè)為迎風(fēng)面，迎風(fēng)面底部右側(cè)所受體型系數(shù)是正值，取值范圍在0.2～0.56之間，左側(cè)所受體型系數(shù)卻是負(fù)值，取值范圍在-0.3～-0.58之間；在煤棚迎風(fēng)面左右兩側(cè)拐角處所受負(fù)體型系數(shù)較小，取值范圍在-0.3～-0.5之間；在煤棚頂部受到較大的負(fù)體型系數(shù)，其數(shù)值在-0.8～-1.5之間。與無周邊建筑煤棚所受體型系數(shù)相比，煤棚迎風(fēng)面底部所受體型系數(shù)降低，左右兩側(cè)拐角處所受負(fù)體型系數(shù)減小，表現(xiàn)為減小效應(yīng)。相同的是，在煤棚頂部和背風(fēng)面受到的體型系數(shù)相差不大。

圖8(b)所示為270°風(fēng)向角下有周邊建筑煤棚體型系數(shù)云圖。氣膜煤棚下方為迎風(fēng)面，迎風(fēng)面底部受到的體型系數(shù)在0.2～0.95之間；在煤棚迎風(fēng)面右側(cè)發(fā)生氣流分離以后受到較大的負(fù)體型系數(shù)，取值范圍在-1～-1.45之間，左側(cè)受到的體型系數(shù)相對較小，取值范圍在-0.1～-0.8之間；在煤棚頂部受到較大的負(fù)體型系數(shù)，取值范圍在-1～-1.38之間。與無周邊建筑煤棚所受體型系數(shù)相比，在煤棚迎風(fēng)面左右兩側(cè)拐角處受到的負(fù)體型系數(shù)減小，表現(xiàn)為減小效應(yīng)。相同的是，在煤棚的迎風(fēng)面底部和煤棚的頂部受到的體型系數(shù)相差不大。通過對比，發(fā)現(xiàn)建筑物的遮擋對煤棚迎風(fēng)面底部和迎風(fēng)面左右兩側(cè)拐角處所受體型系數(shù)的影響較大，對煤棚頂部和背風(fēng)面的影響較小。

圖8 有周邊建筑干擾時(shí)氣膜煤棚的體型系數(shù)云圖

2.2.2 周邊建筑對整體力系數(shù)分布規(guī)律的影響

圖9為有無周邊建筑干擾煤棚受到的整體力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。

圖9 整體力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律

X軸方向上，在0°～180°風(fēng)向角下，有無周邊建筑2種情況煤棚受到的整體力系數(shù)變化規(guī)律相同。在180°風(fēng)向角后，隨著風(fēng)向角的增加有周邊建筑煤棚受水平向右的力呈先增加后減小的變化規(guī)律，在300°～315°風(fēng)向角之間時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)正負(fù)發(fā)生改變，煤棚受力方向發(fā)生改變。在180°～285°風(fēng)向角下，有周邊建筑比無周邊建筑煤棚受到的整體力系數(shù)大，表現(xiàn)為增大效應(yīng)。當(dāng)風(fēng)向角為225°時(shí)，有無周邊建筑煤棚受到的整體力系數(shù)分別為1.06、0.01，整體力系數(shù)相差最大，差值為1.05。

Y軸方向上，在30°～165°和225°～345°風(fēng)向角下有周邊建筑比無周邊建筑煤棚受到的整體力系數(shù)小，表現(xiàn)為減小效應(yīng)。在0°～180°風(fēng)向角時(shí)，煤棚所受整體力系數(shù)為負(fù)值，受豎直向下的力；180°風(fēng)向角以后煤棚所受整體力系數(shù)為正值，受豎直向上的力。當(dāng)風(fēng)向角為105°時(shí)，有無周邊建筑煤棚所受整體力系數(shù)分別為-0.57、0.02，整體力系數(shù)相差最大，差值為0.59。

Z軸方向上，有無周邊建筑煤棚受到的整體力系數(shù)均為正值，煤棚受到Z軸正方向上的力。從0°～60°和150°～225°風(fēng)向角有周邊建筑比無周邊建筑煤棚受到的整體力系數(shù)大，表現(xiàn)為增大效應(yīng)；其余風(fēng)向角下受到的整體力系數(shù)小，表現(xiàn)為減小效應(yīng)。當(dāng)風(fēng)向角為105°時(shí)，有無周邊建筑煤棚所受整體力系數(shù)分別為0.56和1.22，整體力系數(shù)相差最大，差值為0.66。

由于周邊建筑的影響，導(dǎo)致在X、Y、Z軸方向上煤棚受到的整體力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化并不呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。針對本項(xiàng)目大跨氣膜煤棚而言，最不利風(fēng)向角在225°～240°之間。

3 結(jié)論

對有無周邊建筑2種情況下氣膜煤棚在不同風(fēng)向角下的體型系數(shù)和整體力系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行對比研究，得到了如下結(jié)論：

(1)無周邊建筑情況下，氣膜煤棚最大正體型系數(shù)出現(xiàn)在迎風(fēng)面底部，最大負(fù)體型系數(shù)出現(xiàn)在迎風(fēng)面兩側(cè)的拐角處。當(dāng)風(fēng)順著煤棚長度方向吹來時(shí)，煤棚頂部受到較小的風(fēng)吸力，體型系數(shù)在0附近；當(dāng)風(fēng)垂直于煤棚長度方向吹來時(shí)，煤棚頂部受到較大的風(fēng)吸力，體型系數(shù)在-1～-1.4之間。煤棚的最不利風(fēng)向角在75°～90°和270°～285°之間，長度、跨度、豎直方向上受到的最大整體力系數(shù)分別為0.44、0.63、1.26。

(2)周邊建筑的存在使煤棚迎風(fēng)面底部所受體型系數(shù)減小，對頂部和背風(fēng)面體型系數(shù)的影響較小。周邊建筑對煤棚所受整體力系數(shù)的影響在一些風(fēng)向角下甚至表現(xiàn)出顯著的放大效應(yīng)，使長度方向上受到的最大整體力系數(shù)放大了2.39倍。因此，對于周邊建筑復(fù)雜的大跨氣膜煤棚，宜通過專門的風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法進(jìn)行單獨(dú)研究。