程天徽 羅 楠 馬汝為

(西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，大跨屋蓋越來越多地應(yīng)用在火車站、機場航站樓等公共建筑中，而跨度大造成結(jié)構(gòu)剛度不足，變形偏大等特點，使其控制荷載一般為風(fēng)荷載[1-4]，對于鋪裝材料獨特的結(jié)構(gòu)，按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[5]，很難確定其表面的風(fēng)壓分布。因此，需要進行風(fēng)洞測壓試驗。

北京新機場航站樓由于建筑體量大，采用了特殊的直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)，風(fēng)荷載和局部圍護結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題異常突出。通過風(fēng)洞試驗的方法，研究其局部圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布，可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可以為類似結(jié)構(gòu)風(fēng)載特性提供參考[6]。本試驗?zāi)Ｐ褪褂媒ㄖ膶嶋H鋪裝系統(tǒng)，按照1∶1比例制作。相比大縮尺比整體屋蓋模型，這種模型能夠克服模型縮小比例和屋面工藝的差異造成的偏差，準確反映局部風(fēng)壓的分布情況，更適于研究屋蓋的局部風(fēng)壓問題以及規(guī)范中局部風(fēng)壓系數(shù)對新屋面技術(shù)的適用性。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

試驗?zāi)Ｐ筒捎镁植课菝嬖?，屋蓋表面無天溝，模型主體尺寸為5.4 m(長)×4.9 m(寬)，模型最上層為6塊裝飾板，各板之間有約10 cm的空隙。在模型表面的中軸線附近布置測壓點，測試屋蓋表面風(fēng)壓沿屋面坡度的變化情況。現(xiàn)場試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中進行此次試驗，該風(fēng)洞的主要技術(shù)指標已達到世界先進水平。采用美國Scanvalve電子掃描閥測量結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓，皮托管連接掃描閥測量脈動風(fēng)速。

1.2 試驗工況及測點布置

試驗風(fēng)速8 m/s，風(fēng)向角0°,10°,170°,180°(坡面正對來流風(fēng)向為0度)。由于裝飾板與下一層的屋面板間有一定空間，因此在中部兩塊裝飾板上表面及下表面對應(yīng)位置布置測點，沿中軸線布置。為準確測量邊緣流動分離處的風(fēng)壓，前后邊緣各并排設(shè)置3個測點。測點總數(shù)共48個,點位和風(fēng)向角如圖2所示。

1.3 大氣邊界層的模擬

試驗在紊流場中進行，風(fēng)場的模擬采用被動模擬大氣邊界層技術(shù)(尖劈+擋板+粗糙元)[7-9]。由于本次試驗采用的是局部模型，試驗最關(guān)心的是屋蓋高度處的風(fēng)荷載情況。因此本試驗將保證屋蓋高度處的來流紊流度與實際屋蓋在該高度處的紊流度一致，其他位置可適當(dāng)放松。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對風(fēng)壓數(shù)據(jù)處理，獲得各測壓點的風(fēng)壓系數(shù)，計算公式如式(1)：

(1)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)壓系數(shù)分布

將上下表面風(fēng)壓加總，邊緣并排的3個測點取平均值處理，各測點按照順風(fēng)向排列，得到的總風(fēng)壓系數(shù)圖如圖3所示。

根據(jù)以上風(fēng)壓系數(shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1)各風(fēng)向角下，由于氣流流動的分離，屋面前緣都出現(xiàn)了較大的負壓，與170°,180°工況相比，0°,10°工況負壓區(qū)較小，寬度在0.2 m左右，170°,180°工況負壓區(qū)較大，寬約1 m，但是各工況負壓最大值基本相同，風(fēng)壓系數(shù)在-0.8左右。

2)在所有工況中，負壓區(qū)后出現(xiàn)了明顯的正壓區(qū)。0°,10°工況正壓區(qū)集中在0.2 m～0.6 m范圍，之后的風(fēng)壓基本趨近于0；170°,180°工況正壓區(qū)延伸至模型尾端，正壓值與0°,10°工況持平，風(fēng)壓系數(shù)為0.1左右。

3)由于模型局部轉(zhuǎn)折拐點的存在，在0°,10°工況中出現(xiàn)了風(fēng)壓系數(shù)突變點，正壓值陡然升高后回落，在設(shè)計中應(yīng)特別予以注意。

4)排除突變點，10°工況與0°相比，最大負壓值增大19%，最大正壓值減小35%。因此若考慮坡面正對來風(fēng)的情況下風(fēng)向微小的轉(zhuǎn)動，屋面負壓值應(yīng)在0°工況的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。而170°和180°工況之間差別不大。

2.2 試驗與規(guī)范方法比較

15°傾斜角下，規(guī)范規(guī)定的封閉式矩形平面房屋的雙坡屋面風(fēng)荷載局部體型系數(shù)最大負壓如表1所示。

當(dāng)參考點與各測點處于同一高度時，平均風(fēng)壓系數(shù)與現(xiàn)行國家標準GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中規(guī)定的體型系數(shù)基本一致(此時體型系數(shù)等于同一受風(fēng)面上所有測點平均風(fēng)壓系數(shù)的加權(quán)平均)[10]。本試驗選取的參考點與各測點處于同一高度，因此可直接對比試驗得到的風(fēng)壓系數(shù)與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的局部體型系數(shù)，得出兩種方法的差異之處。

表1 局部體型系數(shù)表

將試驗結(jié)果與規(guī)范體型系數(shù)值比較發(fā)現(xiàn)，對于屋面坡度迎風(fēng)的情況，前緣和中后部負壓小于規(guī)范局部體型系數(shù)值，整體風(fēng)壓變化趨勢與規(guī)范基本吻合，局部出現(xiàn)了正壓但是同樣小于規(guī)范值；對于屋面坡度背風(fēng)的情況，前端負壓小于規(guī)范值，中后段風(fēng)壓以正壓為主，規(guī)范并未考慮正壓。因此規(guī)范方法應(yīng)用在裝飾板與下一層的屋面板間有一定空隙的屋蓋時，總體偏于保守，但在背風(fēng)坡度應(yīng)考慮正壓的影響，否則會偏于不安全。

3 結(jié)語

1)0°,10°工況的前端負壓區(qū)面積小，正壓區(qū)較小，正壓區(qū)后風(fēng)壓基本趨近于0，170°,180°工況前端負壓區(qū)面積大，正壓區(qū)分布廣泛，延伸到模型尾端。個別屋蓋表面轉(zhuǎn)折處局部出現(xiàn)風(fēng)壓系數(shù)突變，應(yīng)予以注意。

2)對于坡度背風(fēng)的屋蓋,10°的風(fēng)向改變對風(fēng)壓的影響不大。而對于坡度迎風(fēng)的屋蓋，考慮風(fēng)向輕微轉(zhuǎn)動應(yīng)將負壓適當(dāng)放大。

3)規(guī)范未考慮坡度背風(fēng)時的正壓，若與迎風(fēng)面采用相同的正壓局部體型系數(shù)，則試驗結(jié)果得到的風(fēng)壓系數(shù)總體小于局部體型系數(shù)。因此試驗方法得出的風(fēng)壓整體上小于規(guī)范方法，采用修改后的局部體型系數(shù)值總體將得到偏于保守的結(jié)果。

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