馬文勇，劉慶寬，肖 彬

(石家莊鐵道大學，石家莊050043)

柱面網(wǎng)殼被廣泛地應(yīng)用于各種大跨度空間結(jié)構(gòu)。這種曲面結(jié)構(gòu)的風荷載作用機理復雜，風壓分布與雷諾數(shù)、紊流度、結(jié)構(gòu)表面粗糙度等關(guān)系密切[1－4]。由于工程中采用的曲面結(jié)構(gòu)多數(shù)采用不同基本形狀組合而成，因此很難將大量的基本形狀研究成果[5－7]直接應(yīng)用于實際工程。半球面[8－9]、拋 物面[10]、以及圓柱面[11－12]大跨結(jié)構(gòu)的風荷載分布規(guī)律研究已經(jīng)取得了一定的進展，但是由于該種結(jié)構(gòu)曲面形狀、底部支撐條件、結(jié)構(gòu)表面開孔等因素的影響復雜多樣，大跨度曲面結(jié)構(gòu)風荷載分布仍然需要進一步的研究。

通過2種典型柱面殼體結(jié)構(gòu)剛性模型內(nèi)外表面同步測壓風洞試驗，分析了柱面殼體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)與脈動風壓系數(shù)的分布規(guī)律，比較了底部開口／閉口和兩端封閉／開放不同狀態(tài)對風壓分布的影響，為類似結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計提出了建議。

1 試驗概況

1.1 模型簡介

圖1為2種柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖。圖1(a)和圖1(b)分別為兩端開口、底部柱支撐的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖，下文稱為開口柱面網(wǎng)殼，橫向跨度125m，縱向長度134m，結(jié)構(gòu)總高47.5m，網(wǎng)殼面由半徑為80m和半徑為40m2種圓弧組成，矢高41.5m，矢跨比1∶3，模型縮尺比為1∶125。圖1(c)和圖1(d)分別為兩端封閉、底部開洞墻體支撐的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖，下文稱為閉口柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，橫向跨度120m，縱向長度380m，結(jié)構(gòu)總高度40.4m，其中縱向中間平直柱面段長度260m，兩端分別由半徑為60m 的1／4球面封閉，矢高38.6m，矢跨比1∶3.11，模型縮尺比1∶200。模型內(nèi)外表面對應(yīng)布置風壓測點。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 風場及試驗參數(shù)

試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心STY－1風洞低速試驗段中進行。試驗中用粗糙元和尖劈模擬大氣邊界層風場，試驗結(jié)果與中國《建筑荷載規(guī)范》中A類地貌吻合，圖2為試驗?zāi)M的平均風剖面、紊流度剖面及結(jié)構(gòu)頂部附近順風向脈動風功率譜及順風向湍流積分尺度。其中U為順風向平均風速、由于2種結(jié)構(gòu)模型縮尺比不同，采用Z1、Z2表示開口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與閉口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的高度參數(shù)，n為頻率，Su為順風向脈動風功率譜、σu為脈動風速均方根值、xLu為順風向湍流積分尺度。

風洞測壓試驗的自由來流風速為16m／s，采樣頻率為312.5Hz，采樣點數(shù)為6 000點。

圖2 平均風剖面、紊流度剖面及脈動風功率譜

1.3 試驗數(shù)據(jù)基本規(guī)定

對于外表面測點，壓力正向表示沿外表面法線方向指向結(jié)構(gòu)內(nèi)部，內(nèi)表面壓力正向表示沿內(nèi)表面法線方向指向結(jié)構(gòu)外部。對于作用在結(jié)構(gòu)表面上的整體風壓，風壓正向為結(jié)構(gòu)表面承受壓力，風壓負向表示結(jié)構(gòu)表面承受吸力。

定義為風壓系數(shù)、體型系數(shù)為

其中Pi為作用在測點i的凈風壓(內(nèi)外表面風壓之差)，Cpi為對應(yīng)i點的風壓系數(shù)，ρ為空氣密度，為實際10m高度對應(yīng)的模型高度處的來流風速平均值，usi為i點體型系數(shù)，為作用在i點的凈風壓平均值，為i點高度處來流平均風速，下文中用CPrms代表Cpi均方根值，作為脈動風壓系數(shù)的量化參數(shù)。

2 風壓分布基本規(guī)律

2.1 開口柱面網(wǎng)殼風壓分布規(guī)律

圖3為開口柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)橫截面順風向體型系數(shù)及脈動風壓系數(shù)，其中圖3(a)中包含了開口柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縱向測點行編號Ln與表示橫向測點位置參數(shù)α的定義。

圖3 開口柱面網(wǎng)殼橫截面順風向風壓分布

由圖3可知，當來流垂直于結(jié)構(gòu)縱向軸線時，隨著α的增大體型系數(shù)逐漸減小，在α＝39°左右時體型系數(shù)由正值變?yōu)樨撝担饔迷诮Y(jié)構(gòu)表面的風壓由正壓變?yōu)樨搲?，α?0°時(結(jié)構(gòu)頂部)體型系數(shù)達到最小值，風壓表現(xiàn)為最大吸力，α＞140°時，體型系數(shù)值變化很小。不同橫截面(用不同Ln值表示)上測點，體型系數(shù)隨α的變化規(guī)律相同，但不同截面在同一α值對應(yīng)的體型系數(shù)有差別，縱向中心位置附近截面差異較小。對于縱向中心位置附近橫截面，脈動風壓系數(shù)在結(jié)構(gòu)迎風向底部(α值較小)較大，而在結(jié)構(gòu)兩端，除迎風向底部外，背風面尾流區(qū)的脈動風壓系數(shù)也較大。

α＝39°、90°和151°3個縱截面上各點在來流垂直于結(jié)構(gòu)縱軸時的風壓分布見圖4。

圖4中體型系數(shù)分布表明，當來流垂直于結(jié)構(gòu)縱軸時，結(jié)構(gòu)頂部(α＝90°)縱向軸線上Ln＝5～9范圍內(nèi)，體型系數(shù)接近，結(jié)構(gòu)中部(α＝39°和α＝151°)縱向軸線上Ln＝4～10范圍內(nèi)體型系數(shù)值差別不大。圖4工況下，結(jié)構(gòu)頂部及背風面兩端脈動風壓系數(shù)較大，迎風向脈動系數(shù)整體較小。

當來流與結(jié)構(gòu)縱向平行時，開口的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縱向測點風壓分布如圖5所示。

不同α值對應(yīng)的體型系數(shù)以及脈動風壓系數(shù)隨縱向位置的變化規(guī)律基本相同，即除了迎風端部分測點外，其他測點平均風壓和脈動風壓都很小，對于本例，迎風端前3排測點風壓值較大。

2.2 封閉柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風壓分布規(guī)律

與開口柱面網(wǎng)殼不同，閉口柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩端由1／4球面封閉，同時相對于柱體支撐，開洞墻體支撐底部氣流會受到開洞位置的影響[4]。

圖6給出了不同橫截面上結(jié)構(gòu)橫向測點的風壓分布規(guī)律，其中圖6(a)中給出了橫截面編號Hn和測點橫向位置參數(shù)β的定義。

圖5 開口柱面網(wǎng)殼縱截面順風向風壓分布

圖6 閉口柱面網(wǎng)殼橫截面順風向風壓分布

隨著β的增大體型系數(shù)逐漸減小，在β＝32°左右，作用在結(jié)構(gòu)表面的風壓由正壓變?yōu)樨搲海Y(jié)構(gòu)頂部風壓吸力最大，β＞130°時，體型系數(shù)值變化很小。不同橫截面上的測點體型系數(shù)和脈動風壓系數(shù)隨β變化的規(guī)律基本相同，脈動值在β＝110°左右最大。

來流垂直于網(wǎng)殼縱向軸線時，網(wǎng)殼頂部縱向測點風壓分布見圖7。圖中橫坐標按照測點布置位置等比例繪制。

圖7 閉口柱面網(wǎng)殼縱截面橫風向風壓分布

圖7中的風壓分布規(guī)律說明，當來流來流垂直于網(wǎng)殼縱向軸線時，閉口柱面網(wǎng)殼頂部負壓最大值發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部直線段端點處(β＝90°，Hn＝1)，頂部直線段其他體型系數(shù)與該點處體型系數(shù)差別不大。脈動風壓系數(shù)在結(jié)構(gòu)頂部中心點最大，隨著測點距離中心點越遠，脈動風壓系數(shù)均方根值越小。

當來流平行于封閉網(wǎng)殼的縱向軸線時，網(wǎng)殼頂部縱向測點的風壓分布見圖8。

圖8 閉口柱面網(wǎng)殼縱截面順風向風壓分布

由圖8可知，頂部縱向兩端測點風吸力較大，中間測點體型吸力較小且測點間差別不大，脈動風壓系數(shù)均方根最大值發(fā)生在迎風向1／4球殼段底部，球殼與柱面交接處風壓脈動值較大。

2.3 2種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風壓分布對比

分析2.1和2.2節(jié)風壓分布的基本規(guī)律，閉口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩端有效的消除了來流作用在結(jié)構(gòu)上的端部效應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)頂部的平均風壓和脈動風壓沿縱向的變化幅度更小，尤其當來流平行于結(jié)構(gòu)縱向時，閉口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的脈動風壓系數(shù)均方根值遠小于開口網(wǎng)殼端部對應(yīng)值。

為了對比底部柱與底部開口墻體2種支撐形式對殼內(nèi)外壓的影響，圖9給出了2種結(jié)構(gòu)中心橫截面測點順風向外壓體型系數(shù)和凈壓體型系數(shù)，其中外壓體型系數(shù)為外表面測點對應(yīng)的體型系數(shù)，即將公式(1)中測點的凈風壓平均值換為外表面測點風壓的平均值計算得到的體型系數(shù)。

圖9 網(wǎng)殼中心橫截面測點順風向風壓分布

圖9可以看出，考慮網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)底部開口引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)壓使得殼體結(jié)構(gòu)迎風向正壓區(qū)范圍擴大，且該范圍內(nèi)測點正壓增大，負壓區(qū)的負壓值減小，這主要因為這里的內(nèi)壓為負壓，與外壓相互抵消。對于不同的底部開口狀況，對結(jié)構(gòu)內(nèi)壓是有影響的，如本文底部柱支撐的開口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)壓表現(xiàn)為較大的負壓力，因此結(jié)構(gòu)正壓區(qū)的范圍更大，且較大程度的抵消了結(jié)構(gòu)外表面的負壓。對于底部開有少量門洞的墻體支撐，文中的閉口結(jié)構(gòu)內(nèi)部負壓值相對較小，且沿橫向跨度變化不大，因此外壓與凈壓差別較小(見圖9(b))。

3 風荷載建議

文獻[13－16]對柱面殼體結(jié)構(gòu)風荷載的規(guī)定主要是基于圓形弧面，與該文采用的弧面形式有一定差別。

對于底部開洞率較小的結(jié)構(gòu)，內(nèi)壓主要在結(jié)構(gòu)外壓基礎(chǔ)上疊加一常值內(nèi)壓，如日本規(guī)范[15]規(guī)定對于沒有明顯優(yōu)勢開口的情況下，內(nèi)壓系數(shù)取0或者－0.4，中國規(guī)范[13]規(guī)定?。?.2，歐洲規(guī)范[14]規(guī)定－0.4。閉口結(jié)構(gòu)屬于此種類型其內(nèi)壓均為負值，最小值為－0.16。

類似于文中開口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風荷載，底部較大開口對內(nèi)壓值及內(nèi)壓分布影響較大，文獻并未給出具體的設(shè)計風荷載，表1給出了2種柱面網(wǎng)殼分塊體型系數(shù)，其中閉口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)并未包含兩封閉端上的體型系數(shù)。

表1 2種柱面網(wǎng)殼分塊體型系數(shù)

根據(jù)表1的風荷載分布可以看出，閉口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承受風壓小且分布均勻，比較有利于結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計。若與文獻[13]中提及的類似結(jié)構(gòu)形狀的推薦外壓體型系數(shù)相比，該試驗得到的風荷載較小。

4 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)外形、底部支撐開口狀況、端部封閉情況等因素對柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風荷載分布有很大影響。針對文中涉及的開口和閉口柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言，作用在結(jié)構(gòu)表面上的凈風壓以吸力為主，最大吸力發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部及兩端，兩端采用弧面結(jié)構(gòu)封閉可以有效的減小端部風壓，同時使得結(jié)構(gòu)表面風壓分布更加均勻。結(jié)構(gòu)底部開口形成的負內(nèi)壓能有效的抵消結(jié)構(gòu)表面的負壓，但使得結(jié)構(gòu)表面正壓區(qū)擴大，且正壓值增大，較小底部開口(本例為少量門洞)時，結(jié)構(gòu)內(nèi)壓值分布均勻，結(jié)構(gòu)內(nèi)部可近似看做穩(wěn)定的負壓區(qū)。

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