大跨度双曲混凝土双曲组合扭壳屋盖表面风压系数试验研究.pdf

52 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 6 期 2 0 1 1 年 1 2月 大跨度双曲混凝土双曲组合扭壳屋盖表面风压 系数试验研究 齐志刚 ， 张希黔 ， 周 飞 ( 1 重庆科技学院， 重庆4 0 1 3 3 1 2 重庆大学土木工程学院， 重庆4 0 0 0 4 5 ； 3 广东省高教设计院， 广东 广州5 1 0 1 3 0 ) 摘要： 大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖结构具有质量轻、 柔性大、 阻尼小等特点， 风荷载是其结构设计的控制荷载。由于建 筑造型的要求， 大跨度双曲混凝土屋盖结构往往具有复杂的外型， 现行的荷载规范很难确定屋盖表面的风压分布， 一般是通 过风洞测压试验获得屋盖表面的风压。本文较为详细地介绍了具体试验方法和理论分析方法， 并通过对大跨度双曲混凝土 组合扭壳屋盖表面风压系数的测定和风洞试验结果的分析 ， 说明了利用风洞试验测量其表面风荷载的必要性， 得到其风压分 布的复杂特征， 为大跨度混凝土屋盖的结构设计提供参考。 关键词： 大跨度； 双曲混凝土组合扭壳； 风洞测压试验； 平均风压系数 ； 极值风压系数 中图分类号： T U 3 7 5 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 5 2 0 4 Te s t r e s e a r c h o f wi n d l o a d p r e s s u r e l o n g s p a n r e i n f o r c e d c o n c r e t e r o o f o f h y p e r b o l i c p a r a b o l o i d c o mb i n e d t o r s i o n s h e l l Q I Z h i g a n g ， Z H A N G X i q i a n ， Z H O U F e i ( 1 C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 1 ， C h i n a ； 2 C h o n g q i n g Un i v e r s i t y， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5， C h i n a ； 3 G u a n g d o n g Hi g h e r E d u c a t i o n I n s t i t u t e of D e s i g n ， G u a n g z h o u 5 1 0 1 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： L o n g s p a n r e i n f o r c e d c o n c r e t e r o o f o f h y p e r b o l i c p a r a b o l o i d al c o mb i n e d t o rsi o n s h e U h a v e t h e c h a r a c t e ris ti c s o f l i g h we i g h t ， fl e x i b i l i t y， l o w d a mp i n g a n d S O o n We mu s t t a k e wi n d l o a d a s c o n t r o l l e d l o a d i n s t r u c t u r e d e s i g n B e c a u s e o f req u i r e me n t of a r c h i t ect u r e s t y l e ， l o n g - s p a n rei n f o r c e d c o n c r e t e r o o f o f t e n h a s c o mp l i c a t e d fi g u r e T o d e t e r mi n e w i n d - p r e s s u r e d i s t ri b u t i o n o f i t s s u r f a c e i s n o t b y t h e c u r r e n t l o a d s t a n d a r d ， b u t win d - t u n n e l t e s t Th i s p a p e r i s a b o u t n e w t y p e l o n g - s p a n r e i n f o r c e d c o n c r e t e r o o f of h y p e r b o li c p a r a b o l o i d al c o mb i n e d t o r s i o n s h e H s t r u c t u r e s b a s e d o n t h e win d t u n n e l t e s t res u l t s ，w h i c h i l l u s t r a t e t h e n e c e s s i t y o f win d t u n n e l t e s t o n l o n g s p a n r oof An d g e t t h e c o mp l i c a t e d c h a r a c t e r i s t i c s o f wi n d p r e s s u r e d i s t rib u t i o n， w h i c h p r o v i d e s e s s e n t i a l ref e ren c e f o r s t r u c t u r e d e s i g n Ke y wo r d s ： l o n g s p an ； h y p e r b o l i c p a r a b o l o i d c o mb i n e d s h e ll；e x p e ri me n t al t e s t o f wi n d t u n n e l ； c o e fi q c i e n t o f me a n wi n d l o a d； c o e f f i c i e n t o f e x t reme wi n d l o a d 0 引 言 大跨度双 曲混凝土组合扭壳屋盖结构具有质量 轻、 柔性大、 阻尼小等特点， 风荷载是其结构设计的 控制荷载。由于建筑造型的要求， 大跨度钢筋混凝 土屋盖结构往往具有复杂的外型， 其绕流和空气动 力作用非常复杂。现行的荷载规范很难确定屋盖表 面的风压分布 ， 一般是通过风洞测压试验获得屋 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 2 1 0 作者简介： 齐志刚( 1 9 7 4一) ， 男， 黑龙江绥化人， 讲师， 博士， 主要从 事大跨空间结构方面的研究。 E - ma i l ： q i k i n s i n a c o rn 盖表面的风压 。本文 根据风 洞试验 提供的试验 数据 ， 对双曲混凝土组合扭壳屋盖风洞试验及其结 果进行了分析 ， 说 明了其风压分布的复杂特征 ， 得到 了一些有意义的结论 ， 确定了屋盖的风载体形系数 、 各测点的风压值， 为后续的屋盖结构抗风设计奠定 了基础。试验对象是由4 个双曲抛物面组成的组合 扭壳屋盖， 其每块扭壳的底面投影均为平行四边形， 两个正交方 向的投影长度为 1 0 0 m与 7 0 m， 屋顶最 大高度 3 2 m， 屋盖中央由倒锥形结构连接。 1 试验方法及数据处理 试验在汕头大学的大气边界层风洞内进行。风 2 0 1 1 N o 6 齐志刚， 等： 大跨度双曲混凝土双曲组合扭壳屋盖表面风压系数试验研究 5 3 图 1 华南理 工大 学体 育馆 Fi g 1 Hu a n a n t e c h n o l o g y u n i v e r s i t y g y n m a s i u m 洞试验建筑模型上游地貌设定为建筑结构荷载规范 的B类地貌， 在试验段内以二元尖塔、 挡板、 粗糙元 模拟出所需的地貌类型 ， 将大气边界层 流场模拟成 B类风场， 风洞模拟的 B类地貌风剖面和湍流度如 图2 所示。指数律平均风速廓线的指数 为 0 1 6 ， 重现期采用 1 0 0年， 基本风压为 0 5 0 k P a 。测压模 型以有机玻璃材料制成 ， 具有足够的强度和刚度 ， 在 试验风速下不会发生破坏并出现明显 的振动现象 ， 以保证压力测量的精度。考虑到在模型体内需要安 装压力扫描阀及测压管等有关测试设备， 根据测试 设备的尺寸和内部空间大小， 模型几何缩尺比为 1 ： 1 5 0 。因风洞模拟的是量纲为 1 的大气边界层风速 剖面， 所以， 模 型 的几何缩尺 比不影响平均风压 系 数。试验模型安装在风洞试验段内 2 4 m直径的转 盘上， 如图3所示。压力测量和数据采集 由美国 S c a n iv a l v e 扫描阀公司的机械扫描阀、 数据采集系统 和计算机完成 。在风洞中选择 了一个不受建筑模型 影响且离风洞洞壁边界层足够远的位置作为试验参 考点 ， 在该处设置了一根皮托管来测量参考点风压 ， 用于计算各测点上与参考点高度有关但与试验风速 无关的量纲为 1的风压系数。试验参考点选在高度 为 0 6 0 m处， 试验以 1 5 。 为间隔的 2 4个风向角在湍 流边界层来流条件中进行 。 图2 风洞模拟的 B类地貌风剖面和湍流度 F i g 2 B c l a s s l a n d f o r m wi n d p r o ffi e a n d t u r b u l e n c e i n t e n s i t y o f wi n d t u n n e l s i m u l a t i o n 图 3 测压试验模型 F i g 3 Th e mo d e l p i c t u r e o f wi n d - t u n n e l t e s t t u r b ul e n c e i n t e ns i t y 在空气动力学中， 物体表面的压力通常用量纲 为 1的压力系数 C ； 表示 ： C ； = ( P i - p ) ( p 0 - p ) 式中P i 为作用在测点 处的压力； p 0 和P 分别是 试验时参考高度处的总压和静压。根据概率统计理 论可知， 各测点在某一风向来流的作用下， 其最大风 压系数 C 一 和最小风压系数 C p =o可表示为： Cp ， =Cp ， +gCp ， 。 Cp ， i =C p ， 一 g C P ， 其 中 g是峰值因子 ， 可按 D a v e n p o r t 提 出的表达式估 算 J ， 其取值为 g= 2 5 4 0 ， 在此取 g= 4 0 ， 下标 r r l l s 表示脉动值。 根据屋盖的建筑体形和试验要求， 在测压模型 屋面布置了 1 8 8个测压孔 ， 沿屋檐最外一圈测压点 是双面布置测压孔， 墙面布置了3 6 个测压孔( 标高 8 7 m) ， 共计 2 2 4个测压孔。各测压点的具体位置 及编号见图4 。 图4 屋面各测压点的具体位置及编号示意 F i g 4 1 1 l e l o c a t i o n a n d n u m b e r o f wi n d t u n n e 1 t e s t o n r o o f 四川建筑科学研究 第3 7卷 2 试 验数据结果及分析 由于来流分离、 旋涡脱落以及再附等因素， 屋面 风压的分布非常复杂。通过对风洞试验数据的分析 总结了屋盖表面风压分布的特点， 分析了屋盖表面 具有代表性的测点的风压特性 ， 并得到屋盖表面平 均风压系数与极值风压系数， 得到其数值与分布规 律。风洞试验表明： 1 ) 屋面以负压为主 ， 平均风压等压线 的分布较 为分散 ； 2 ) 在迎风屋面边缘附近出现了高负压区， 且平 均风压系数的变化梯度较大 ， 在其他区域变化相对 平缓 ， 这说明来流在迎风屋面前缘严重分离 ； 3 ) 4个风向的平均压力 系数最大值在 一1 0 5 1 一 1 2 4 6之间， 彼此相差不大 ； 4 ) 屋盖远离来流一端的平均风压 系数 出现正 值， 这是因为尾流发生了再附 ； O 3 0 - 1 0 1 瓤 0 _3 _ 0 5 - 0 7 0 9 1 1 1 3 风向角 ( 度) 0 3 0 6 0 9 0 l 2 0 l 5 0 1 8 0 2 1 0 24 0 27 0 3 00 3 3 0 0 2 O 鼎 0 2 訾- 0 _4 噻 露- 0 6 斟 - -0 8 1 1 2 ( a )I区部分测点平均风压系数曲线 风向角 ( 度) 0 3 0 6 0 9 0 1 20 1 50 1 8 0 21 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 33 0 f c ) 区部分测点平均风压系数曲线 5 ) 在屋面的角部， 因建筑外型发生较大变化， 来流的分离也最为严重 ， 一般角部是平均风压系数 最大的地方 ； 6 ) 迎风屋面边缘的极值风压明显比后缘大， 建 筑物前缘的风压能量较大 ， 后缘 的能量相对要小很 多， 极值风压系数等压线分布也较为分散； 7 ) 4个风向的极值压力系数最大值相差不大， 在 一 2 1 4 3一 2 4 7 6之间； 8 ) 在屋面的角部 ， 极值风压较大 ， 在结 构设计 时， 要采取必要的构造措施 ， 防止屋盖角部被风荷载 掀起 而破坏。 图 5 ， 6表明： 组合扭壳屋盖部分测点的风压随 风向角的变化规律， 即随着风向角变化 ， 测点从位于 建筑物前缘变为建筑物后缘时 ， 平均风压系数和极 值风压系数一般都经历了一个从极大值到极小值变 化的过程 夕 边 4个角点风压系数较其他测点均达 到极值 ， 说明在屋盖角点风压较大。 O 3 O l - 0 1 - 0 l 3 星0 _5 o -0 9 -1 1 1 3 风向角 ( 度) 0 3 0 6 O 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 40 2 70 3 0 0 3 3 0 ( b )区部分测点平均风压系数曲线 风向角 ( 度) 0 3 0 6 0 9 0 1 2 01 5 0 1 8 O 21 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 30 f d 1 区部分测点平均风压系数曲线 图 5 组合扭壳屋盖部分测点的平均风压系数随风向角变化的曲线 F i g 5 S o me me a s u r i n g p o i n t s c u r v e o f a v e r a g e v a l v e wi n d p r e s s u r e c o e ffi c i e n t wi t h wi n d a n g l e c h a n g i n g o n c o mb i n e d t o r s i o n s h e l l 2 O 2 4 6 8 2 0 0 0 O 0 区露 2 0 l 1 N o 6 齐志刚， 等： 大跨度双曲混凝土双曲组合扭壳屋盖表面风压系数试验研究 5 5 0 O 4 。0 8 害 1 _2 1 6 2 2 4 风向角 ( 度) 0 30 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 80 21 0 24 0 27 0 3 0 0 3 3 0 ( a 】I区部分测点极值风压系数曲线 风向角 ( 度) 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 l g O 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 ( c )区部分测点极值风压系数曲线 区 趔 肇 0 0 4 0 8 -1 2 1 6 2 2 4 0 5 O 2 0 l 籁 0 4 1 j 5 0 7 1 3 1 6 _I 9 _2 2 2 5 风 向角 ( 度) 0 3 0 6 0 9 0 l 2 0 1 5 0 1 8 O 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 ( b )区部分测点极值风压系数曲线 风向角 ( 度) O 30 60 9 0 I 2 O1 5 01 8 0 21 0 24 0 27 0 3 0 0 3 3 0 ( d 】 区部分测点极值风压系数曲线 图 6 组合扭壳屋盖部分测点的极值风压系数随风向角变化的曲线 F i g 6 S o me me a s u r i n g p o i n t s c u r v e o f e x t r e me v a l v e n d p r e s s u r e c o e f fi c i e n t t h 噎 n d a n g l e c h a ng i n g o n c ombi ne d t o r s i o n s h e H 3 结论 1 ) 大跨度屋盖结构因建筑外型复杂多变， 屋盖 表面的风压分布十分复杂 ， 很难根据理论或现行 的 建筑荷载规范确定 ， 因此 ， 利用风洞试验测量其表面 风荷载非常必要。 2 ) 如果来流在建筑物前缘有分离， 则分离区附 近的平均风压系数一般 对值较大。 为负值； 极值风压系数的绝 3 ) 当风向角为 4 5 。 和 1 3 5 。 时， 屋盖左下块扭壳 外角点处平均风压绝对值最大 ， 平均负压力 系数达 一 1 2 ； 当风向角为 2 2 5 。 时， 屋盖左下块扭壳外角点 处极值风压绝对值最大， 平均负压力系数达 一 2 5 0 ， 值得工程设计人员注意。 参 考 文 献： G B 5 0 0 0 9 -2 0 0 1 建筑结构荷载规程 s 汕头大学风洞试验室 华南理工大学体育馆风洞试验报告 R 2 0 0 5 Da v e n p o r t A G T h e Ap p l ic a t i o n o f S t a t i s t i c a l Co n c e p t s t o t h e W i n d L o a d i n g o f S t r u c t u r e s J P r o c I n s t n C i v E n g r s ， 1 9 6 1 ， 1 9 ， A u g ： 4 49 - 4 7 2 川训 们舢圳 们 叫引 区趔娶