李晨 李波 陳金科 郭坤鵬

摘要： 以典型輕軌站房為例，利用剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了周邊建筑與站房高度比分別為0.66，1.08，1.50條件下，周邊建筑對(duì)輕軌站房風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，受周邊建筑物干擾效應(yīng)影響，站房受到的水平風(fēng)荷載減小，當(dāng)周邊建筑物高度不高于站房（高度比=0.66，1.08）時(shí)，豎向風(fēng)荷載亦減小;當(dāng)周邊建筑物高于站房（高度比=1.5）時(shí)，在0°?70°風(fēng)向區(qū)間站房收到的豎向風(fēng)荷載增大。周圍建筑物使得站房周邊流場(chǎng)中的湍流成分增加，作用于站房表面的脈動(dòng)風(fēng)壓亦增大，當(dāng)周邊建筑物高于站房時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)尤為明顯，水平向脈動(dòng)風(fēng)荷載干擾系數(shù)達(dá)到1.8。站房表面極值風(fēng)壓受周邊建筑影響較大，尤其是當(dāng)施擾建筑高度大于站房時(shí)，該種情況下，屋蓋及墻面極值風(fēng)壓均明顯增大，其中，屋蓋角區(qū)風(fēng)吸力增大12.5%，墻面角區(qū)風(fēng)壓力和風(fēng)吸力增幅分別達(dá)到33.5%和16.7%。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)荷載; 風(fēng)洞試驗(yàn); 輕軌站房; 干擾效應(yīng); 干擾因子

中圖分類號(hào)： TU311.3; TU312+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-4523（2021）05-0943-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.05.007

引 言

近年來(lái)，為方便人們出行，盡早完成公共交通網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，輕軌修建數(shù)量逐年增加。站房是輕軌標(biāo)志性建筑，為了滿足功能及地標(biāo)性特征，常常采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)體系柔度大、重量輕、阻尼小，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)[1?3]。針對(duì)這一特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到了采用大跨空間站房風(fēng)荷載分布特性，并通過(guò)風(fēng)振響應(yīng)分析給出了該類結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)及等效靜力風(fēng)荷載[4?6]。需要注意的是，輕軌站房周邊環(huán)境復(fù)雜，必須考慮周圍建筑物的風(fēng)致干擾效應(yīng)。Hui等[7]、Kim等[8?9]、Mara等[10]、Lam[11]針對(duì)高層建筑的風(fēng)致干擾效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，指出風(fēng)致干擾效應(yīng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布產(chǎn)生較大影響，風(fēng)致干擾效應(yīng)不可忽視。但以上研究主要針對(duì)高層建筑的干擾效應(yīng)，對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)致干擾效應(yīng)研究有所欠缺，李波等[12]利用多通道同步測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，研究了周邊高層建筑對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)。研究表明，受到周邊建筑影響，來(lái)流流場(chǎng)以及湍流成分改變，導(dǎo)致作用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載發(fā)生改變。Chen [13]研究了周邊高層建筑與低矮建筑間距、建筑物高度比、風(fēng)向等因素下，低矮建筑受到的干擾效應(yīng)，研究表明，周邊建筑高度增加，或減小建筑物間距會(huì)導(dǎo)致屋蓋上風(fēng)壓增大。可見(jiàn)，在大跨度空間結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮周邊建筑的干擾效應(yīng)。值得注意的是，目前專門針對(duì)輕軌站房的風(fēng)致干擾效應(yīng)研究還十分缺乏。

本文以最為典型的、拱形高架輕軌站房為例，通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了周圍建筑對(duì)輕軌站房風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)，為該類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r設(shè)計(jì)

某典型拱形高架輕軌站房縱向長(zhǎng)度為97 m，跨度=28 m，屋蓋最高處高度=19.5 m，縱墻與屋蓋相連組合成整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。該線路輕軌站房周圍有大量的周邊建筑，且周邊建筑的高度和體量各不相同。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀慰s尺比選為1∶100，最大阻塞率為3%。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS材料制作，主體模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度。周邊建筑利用由密度板材料制作的長(zhǎng)方體模型進(jìn)行模擬（如圖3所示）。

為了研究周邊建筑對(duì)輕軌站房表面風(fēng)壓的影響，試驗(yàn)根據(jù)輕軌站房所處環(huán)境，設(shè)計(jì)了單體工況和6個(gè)干擾工況的測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。施擾模型尺寸為13 cm×21 cm×30 cm，試驗(yàn)過(guò)程中，利用不同布置方式，分為三類高度比干擾情況，三種高度比/H分別為0.66，1.08，1.50，并且在各高度比條件下，施擾建筑分為單、雙側(cè)布置兩種情況。結(jié)合輕軌站房一般性路況，設(shè)計(jì)周邊建筑與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗑酁?5 cm。另外，本文參考Tamura[15]采用的建筑面積密度概念，利用線面積密度對(duì)施擾建筑進(jìn)行描述，確定方式如下：周邊建筑總寬度與站房長(zhǎng)度的比值。各干擾工況信息如表1所示。

試驗(yàn)中，首先進(jìn)行單體工況測(cè)壓試驗(yàn)，然后進(jìn)行考慮周邊建筑干擾效應(yīng)的測(cè)壓試驗(yàn)。屋蓋及兩側(cè)墻體外表面共布置170個(gè)測(cè)點(diǎn)，屋蓋內(nèi)表面布置51個(gè)測(cè)點(diǎn)，采樣頻率312.5 Hz，每個(gè)通道連續(xù)采樣20000次，采樣時(shí)間64 s，測(cè)量得到的風(fēng)壓按照文獻(xiàn)[16]的方法進(jìn)行管道修正。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為方便比較，建筑表面的風(fēng)壓通常采用對(duì)應(yīng)于參考點(diǎn)的無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)表示[17]。

將站房表面風(fēng)壓按水平向、豎直向進(jìn)行合成，水平向、豎直向風(fēng)荷載，并通過(guò)下式計(jì)算水平向、豎直向風(fēng)力系數(shù)，以描述作用于主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特征。

式中 ，分別為水平向、豎直向風(fēng)力系數(shù);為測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù);為測(cè)壓點(diǎn)所代表的特征面積;為測(cè)點(diǎn)代表的特征面的法向與水平向夾角。

本文采用干擾因子來(lái)衡量周邊建筑對(duì)站房表面風(fēng)壓的影響程度，其中平均風(fēng)荷載、脈動(dòng)風(fēng)荷載的干擾因子分別用，表示[17]：

考慮到風(fēng)壓的非高斯特征，利用Hermite矩模型理論[19]，計(jì)算測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)的峰值因子和極值風(fēng)壓。

2 平均風(fēng)荷載特征

下面將根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，分析周邊建筑對(duì)站房平均風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)。

2.1 平均風(fēng)壓

圖4給出0°風(fēng)向角下，單體工況、上游施擾（工況D?1.50，180°風(fēng)向角）、下游施擾（工況D?1.50）、雙側(cè)施擾（工況S?1.50）的平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖。

可以看出，單體工況下，平均風(fēng)壓對(duì)稱性較好，除迎風(fēng)側(cè)立面是正壓外，頂面和背風(fēng)側(cè)立面均為負(fù)壓區(qū);站房頂面邊緣處出現(xiàn)流體分離，風(fēng)吸力較大，風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-1.5，背風(fēng)側(cè)立面風(fēng)吸力很小，其值僅為-0.3左右。上游施擾時(shí)，站房受施擾建筑遮擋影響，頂面負(fù)壓減小，迎風(fēng)側(cè)立面由風(fēng)壓力變?yōu)轱L(fēng)吸力，風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-0.4。下游單側(cè)干擾時(shí)，頂面區(qū)域風(fēng)吸力減小到-1.0左右，背風(fēng)面因下游建筑阻塞效應(yīng)產(chǎn)生的回流，使得立面風(fēng)吸力減小，同時(shí)底部區(qū)域由風(fēng)吸力變?yōu)轱L(fēng)壓力。雙側(cè)施擾時(shí)，站房頂面與背風(fēng)面風(fēng)吸力均明顯減小，迎風(fēng)面分布形式與上游單側(cè)工況相似。

綜上，站房周邊存在干擾建筑時(shí)，立面風(fēng)壓受“遮擋”效應(yīng)影響，風(fēng)壓減小甚至變號(hào)，對(duì)于屋蓋頂面，當(dāng)施擾建筑起“遮擋”作用時(shí)，風(fēng)壓減小，無(wú)“遮擋”作用時(shí)，流體分離產(chǎn)生的旋渦會(huì)使風(fēng)壓增大。

2.2 平均風(fēng)力系數(shù)及干擾因子

圖5給出了站房水平向風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線。

可以看出，單體工況下，當(dāng)風(fēng)向角為0°?20°時(shí)，風(fēng)力系數(shù)逐漸增大;隨風(fēng)向角度數(shù)繼續(xù)增加，平均風(fēng)力系數(shù)減小，90°風(fēng)向角時(shí)，風(fēng)力系數(shù)幾乎為0;風(fēng)向角為90°?180°的風(fēng)力系數(shù)與0°?90°呈反對(duì)稱分布。干擾工況下，站房水平向平均風(fēng)力系數(shù)均小于單體工況，單側(cè)干擾時(shí)，風(fēng)力系數(shù)曲線變化規(guī)律與單體工況相近，雙側(cè)干擾時(shí)，風(fēng)力系數(shù)曲線關(guān)于90°呈反對(duì)稱分布。

圖6給出0°風(fēng)向角下水平向風(fēng)力系數(shù)的干擾因子。建筑高度低于站房環(huán)境下，下游施擾時(shí)，干擾效應(yīng)較小，干擾系數(shù)接近1，而上游及雙側(cè)施擾時(shí)，施擾建筑起“遮擋”效應(yīng)，干擾系數(shù)在0.3左右;施擾建筑高度與站房相近環(huán)境下，下游施擾時(shí)，平均風(fēng)力干擾系數(shù)降為0.73，上游與雙側(cè)施擾時(shí)，干擾系數(shù)仍在0.3左右;施擾建筑高于站房環(huán)境下，下游施擾時(shí)，平均風(fēng)力干擾系數(shù)降為0.64，上游與雙側(cè)施擾時(shí)，干擾系數(shù)仍為0.3左右。

圖7給出豎直向平均風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線?？梢钥闯觯趩误w工況下，豎直向平均風(fēng)力系數(shù)曲線關(guān)于90°呈對(duì)稱分布;0°風(fēng)向角下，風(fēng)力系數(shù)達(dá)到最大值-0.96，隨著風(fēng)向角增大，風(fēng)力系數(shù)減小;90°風(fēng)向角下達(dá)到最小值，為-0.14。在干擾工況下，當(dāng)風(fēng)向角為0°?70°時(shí)，除D?1.50工況外，豎直向平均風(fēng)力系數(shù)均大于單體工況，風(fēng)吸力較小;當(dāng)風(fēng)向角為70°?130°時(shí)，各干擾工況豎直向平均風(fēng)力系數(shù)值小于單體工況，風(fēng)吸力明顯增大。風(fēng)向角大于130°時(shí)，干擾規(guī)律與0°?70°基本相同。

圖8給出了0°風(fēng)向角時(shí)豎直向平均風(fēng)力系數(shù)干擾因子?？梢钥闯觯_建筑高度低于站房環(huán)境下，下游施擾時(shí)，豎直向風(fēng)力系數(shù)與單體工況基本相同;而上游及雙側(cè)施擾時(shí)，施擾建筑改變來(lái)流，豎直向風(fēng)力系數(shù)有所減小。施擾建筑高度與站房相近環(huán)境下，下游施擾時(shí)，平均風(fēng)力干擾系數(shù)為0.76;上游與雙側(cè)施擾時(shí)，干擾系數(shù)略低于郊區(qū)環(huán)境。施擾建筑高于站房環(huán)境下，下游施擾時(shí)，施擾建筑阻塞效應(yīng)產(chǎn)生回流，使得豎向平均風(fēng)力明顯減小;上游及雙側(cè)施擾時(shí)，施擾建筑對(duì)站房產(chǎn)生的“遮擋”效應(yīng)使得風(fēng)力系數(shù)有所減小，干擾系數(shù)分別為0.92，0.88。

3 脈動(dòng)風(fēng)荷載特征

3.1 脈動(dòng)風(fēng)壓

圖9給出高度比為1.50工況下，0°風(fēng)向角時(shí)，單體工況、上游施擾（工況D?1.50，180°風(fēng)向角）、下游施擾（工況D?1.50）、雙側(cè)施擾（工況S?1.50）下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖。

可以看出，單體工況下，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布具有一定的對(duì)稱性，頂面來(lái)流前緣部分根方差較大，達(dá)到0.25，其他區(qū)域有所減小，根方差降低為0.2。上游施擾時(shí)，由于施擾建筑的“遮擋”效應(yīng)，增大來(lái)流中湍流成分，導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)立面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)增大，風(fēng)壓系數(shù)根方差達(dá)到0.40;立面處于施擾建筑間隙的區(qū)域受“穿堂風(fēng)”效應(yīng)影響，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)增大到0.45。下游施擾時(shí)，迎風(fēng)面及頂面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化較小，背風(fēng)面受下游建筑影響，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)增大到0.25。在雙側(cè)施擾時(shí)，迎風(fēng)面及頂面脈動(dòng)風(fēng)壓明顯增大，其脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)略大于上游施擾工況。

3.2 脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)及干擾因子

圖10給出水平向、豎直向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線?？梢钥闯?，單體工況下，水平向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)隨著風(fēng)向角增大呈先減小后增大趨勢(shì)，且曲線關(guān)于90°對(duì)稱分布，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)達(dá)到最大，為0.2。高度比為0.66，1.08時(shí)，站房水平向脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)趨勢(shì)與單體工況相似，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)受干擾較小;在高度比為1.50時(shí)，位于施擾建筑間隙的下游區(qū)域受到“穿堂風(fēng)”效應(yīng)影響，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)明顯增大。對(duì)于豎直向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)，高度比為0.66，1.08工況下，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)與單體工況相近;高度比為1.50工況下，雙側(cè)施擾時(shí)，豎直向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)在各風(fēng)向角下均明顯增大，而單側(cè)施擾時(shí)，風(fēng)向角0°?100°范圍內(nèi)，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)與單體工況相近，風(fēng)向角110°?180°時(shí)，風(fēng)力系數(shù)顯著增大。

可以看出，對(duì)于水平向脈動(dòng)風(fēng)力干擾系數(shù)，當(dāng)施擾建筑高度接近和小于站房環(huán)境下，施擾建筑改變站房周邊流場(chǎng)環(huán)境，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)有所增;當(dāng)施擾建筑高度高于站房時(shí)，上游和雙側(cè)施擾時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)受擾動(dòng)明顯，干擾因子分別達(dá)到1.79，1.66。對(duì)于豎直向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)，施擾建筑高度小于站房時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)基本不受施擾建筑影響;高度相接近時(shí)，上游和雙側(cè)施擾時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)力增大，干擾系數(shù)達(dá)到1.2左右;高度大于站房工況時(shí)，在上游和雙側(cè)施擾情況下，施擾建筑高度遠(yuǎn)大于站房高度，流場(chǎng)改變很大，導(dǎo)致脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)明顯增大，干擾系數(shù)達(dá)到1.4。

4 極值風(fēng)荷載特征

4.1 極值風(fēng)壓

圖12給出36個(gè)風(fēng)向角下，站房在各工況下最不利風(fēng)壓系數(shù)極小值分布圖。從圖中可以看出，單體工況下，屋蓋邊緣極小值風(fēng)壓系數(shù)較大，中部區(qū)域有所減小，極小值風(fēng)壓系數(shù)為-2.0;在工況S?1.50下，屋蓋邊緣極小值風(fēng)壓系數(shù)增大，達(dá)到-2.5，位于施擾建筑附近的部分區(qū)域極小值風(fēng)壓系數(shù)變化幅度較大，達(dá)到-3.0。

4.2 分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)及干擾系數(shù)

表2給出了墻面和屋蓋特征分區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)，其中，屋蓋和墻面根據(jù)規(guī)范分為邊區(qū)、角區(qū)和中區(qū)，如圖13所示?？梢钥闯觯_建筑高度小于站房時(shí)，墻面邊區(qū)極值變化較小，屋面邊區(qū)2風(fēng)壓系數(shù)極大值明顯增大，其他屋面極值風(fēng)壓系數(shù)均減小;當(dāng)施擾建筑高度與站房相近時(shí)，墻面邊區(qū)風(fēng)壓系數(shù)極小值增大，屋蓋邊區(qū)2極大值明顯增大，其他區(qū)域極值受施擾建筑影響減小;當(dāng)施擾建筑高度大于站房時(shí)，墻面角區(qū)、邊區(qū)極小值增大，屋蓋各區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)變化較小。

圖14給出了極值風(fēng)壓最大的屋蓋和墻面角區(qū)極值風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比柱狀圖。屋蓋角區(qū)，風(fēng)壓系數(shù)極大值受施擾建筑影響較小，各干擾工況下，風(fēng)壓系數(shù)極大值均減小;風(fēng)壓系數(shù)極小值在單側(cè)干擾工況下減小，雙側(cè)干擾工況下風(fēng)壓系數(shù)極小值增大12.5%。墻面角區(qū)，施擾建筑高度大于站房時(shí)，墻面角區(qū)極大值明顯增大，增幅達(dá)33.5%以上，其他工況增幅在10%以內(nèi);風(fēng)壓系數(shù)極小值受周邊建筑影響，各干擾工況墻面風(fēng)壓系數(shù)極小值增大10%左右。可見(jiàn)，周邊建筑對(duì)極值風(fēng)荷載有較大影響，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，干擾引起的極值風(fēng)壓變化不容忽視。

5 結(jié) 論

城市輕軌站房多處于城市樓群中，周圍建筑對(duì)作用與建筑表面的風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)顯著，本文以典型輕軌站房為例，進(jìn)行了剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，針對(duì)周邊建筑對(duì)輕軌站房風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1）站房平均風(fēng)荷載受周邊建筑干擾明顯。各干擾工況下，水平向平均風(fēng)荷載減小。當(dāng)施擾建筑低于或接近站房時(shí)，豎直向風(fēng)荷載有所減小，干擾系數(shù)最低達(dá)到0.16;當(dāng)施擾建筑高度大于站房時(shí)，豎向風(fēng)荷載明顯增大，而在單側(cè)施擾工況0°?70°時(shí)，豎向風(fēng)荷載減小。

（2）當(dāng)施擾建筑高度小于或接近站房高度時(shí)，水平和豎直向脈動(dòng)風(fēng)荷載增大;當(dāng)施擾建筑高度大于站房高度時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)荷載增大最為明顯，其干擾系數(shù)達(dá)到1.8。

（3）站房表面極值風(fēng)壓受周邊建筑影響較大，尤其是當(dāng)施擾建筑高度大于站房時(shí)，該種情況下，屋蓋及墻面角區(qū)極值風(fēng)壓均明顯增大，其中，屋蓋角區(qū)風(fēng)吸力增大12.5%，墻面角區(qū)風(fēng)壓力和風(fēng)吸力增幅分別達(dá)到33.5%和16.7%。

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作者簡(jiǎn)介： 李 晨（1990-），男，博士研究生。電話：15901077530; E-mail：lichen_110613@163.com

通訊作者： 李 波（1978-），男，教授。E-mail： libo_77@163.com