钻石状大跨结构的风荷载试验研究

1、       钻石状大跨结构的风荷载试验研究                     1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114;2. 2.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州，350003摘要通过对钻石状大跨结构进行风洞试验，研究了不同风向角条件下结构的风压分布特性，给出了结构表面的平均风压系数、脉动风压系数云图，所得结果可为该结构的

2、抗风设计提供参考。关键词大跨度结构；风压系数；风洞试验experimental study of wind load on diamond shaped long span structurexiao yan1, chen fu-bin1, weng lan-xi2(1.school of civil engineering, changsha university of science &technology, changsha410114,china ;2.power china fujian electric power engineering co., ltd., fuzhou

3、 350003,china)abstract in this paper, wind tunnel test of diamond shaped long span structure is carried out, the wind pressure distribution characteristics of the structure under different wind direction angles are studied. the average wind pressure coefficient and the pulsating wind pressure coeffi

4、cient cloud map of the cantilever structure are given. the results obtained can a provide reference for the wind-resistant design of the structure.key words long span structure; wind pressure coefficient; wind tunnel test1 引言大跨度结构以其空间大、造型独特等特点，广泛应用于大型场馆、高铁站、机场等建筑物。但其也具有质量轻、柔性大、阻尼小、结构自振周期与风速的卓越周期较接近等

5、特点，对风荷载十分敏感。由于跨度较大，为确保工程结构设计的科学性、安全性、经济性，须进行风洞试验研究确定风荷载，为结构设计提供依据和参考。国内外学者通过理论分析、现场实测、风洞试验及现场实测等方法对大跨度结构表面风压进行研究13。风洞试验是目前已知评估结构风荷载与风致响应最常见也是最有效的方法。陈伏彬2等对深圳新火车站在无火车工况与有火车工况下屋盖结构的风荷载分布进行了详细的风洞试验研究，对比了无火车工况与有火车工况下全分向最大平均负风压系数与脉动风压系数。分析了典型测点的脉动风压系数的概率特性，并评估了在一定概率保证率下的峰值因子。谢壮宁3等结合深圳市高交会展馆续建工程屋盖的试验研究，分析了

6、位于高湍流区域的大跨低矮屋盖的平均风压及脉动风压分布特性，通过屋盖测点脉动风压随风向变化的三维功率谱密度函数，分析了结构的漩涡脱落特征。某展示中心具有钻石型表面的大跨度结构，结构设计在多方面突破了现行规范，具有跨度大、造型新颖、受力和施工复杂等特点。已有的相关研究成果很难用于该结构设计，因此本文对其进行刚性模型测压风洞试验，基于风洞试验结果分析其风压分布特征。2 风洞试验该试验在长沙理工大学大学风工程与风环境研究中心风洞实验室高速试验段中进行。试验模型是用abs板制成的刚体模型，具有足够的强度和刚度，与实物在外形上保持几何相似，缩尺比为1:100，高度为18cm，如图1所示。本试验将其大气边界

7、层特性按b类地表模拟，即粗糙系数为0.15进行流场模拟。流场校测试验结果表明，大气边界层风速剖面指数，与目标值十分吻合。大气边界层模拟结果如图2所示。图1风洞测压试验图2 流场特征试验时，对每个测点，采样时间为30秒，采样频率为333.33hz。试验控制风速为10m/s。为了获得整个结构上的风压分布，在模型屋盖及墙面共布置了320个测点。风向角间隔为15°，逆时针旋转，如图3所示，总共有24个风向。每一个风向测量一组数据。图3风向角示意图本文风压系数符号约定以压力向内（压）为正，向外（吸）为负。表面各点的风压系数由下列公式4给出： （1）式中， 是试验模型上第 个测压孔所在位置的风压

8、系数， 是该位置上测得的表面风压值， 和 分别为参考点处测得的平均总压和平均静压。对于脉动风压，可以通过式（2）来求得脉动风压均方根值 ： （2）式中： 为第 个测压孔所在位置的风压差系数时程；为样本数。3 试验结果分析由于文章篇幅限制，本节给出了代表性的0°和45°风向角下风压分布特性以分析结构的风压变化情况。3.1 平均风压分布特性为了便于分析，图45给出了b类风场条件下的不同表面平均风压系数分布。在不同风向角下，屋盖表面平均风压系数全为负值。风向角为0°时，等压线基本平行于屋盖迎风前边缘，来流绕过屋盖向后产生分离，而且在不远的下游再附，在屋盖前缘和再附点之间

9、形成柱状涡。在屋盖边缘转角处得到平均风压系数最小值。而迎风面南立面基本为正压，得到了平均风压系数最大值。随着风向角的变大，等压线开始变化；当风向角为45°时，不同表面控制风压基本为负压，南立面有部分测点为正压。平均风压系数最小值仍在屋盖表面边缘转角处。（a）屋盖（b）南立面（c）北立面（d）西立面（e）东立面图4 0°风向角时平均风压系数云图（a）屋盖（b）南立面（c）北立面（d）西立面（e）东立面图5 45°风向角时平均风压系数云图3.2 脉动风压分布特性脉动风压系数的分布变化趋势与平均风压系数分布相似，但是脉动风压系数相对更加复杂。其主要原因是，脉动风压是由来

10、流中的湍流引起的；在斜风向下，屋盖角部的来流分离最严重，脉动能量在屋面某一中心区域达到最大，随着远离中心区域，风压等值线分布越稀疏。图67分别为0°和45°风向角下时脉动风压系数云图。从图6看到脉动风压系数的分布与平均风压系数在对应的风向角下的分布规律大致相同，且在迎风面的前缘脉动风压系数值较大，这表明在迎风面前缘气流分离的区域风压脉动就比较剧烈，这刚好符合特征湍流的理论，由于特征湍流产生了风压脉冲。当风向角为45°时，建筑物北立面和东立面的脉动风压等值线分布相较0°时要更密集。（a）屋盖（b）南立面（c）北立面（d）西立面（e）东立面图6 0°

11、;风向角时脉动风压系数云图（a）屋盖（b）南立面（c）北立面（d）西立面（e）东立面图7 45°风向角时脉动风压系数云图4 结论本文研究了不同风向角条件下的大型不规则结构的平均风压和脉动风压分布特性，分析试验结果可以得出以下几点结论：（1）结构屋盖的控制风压以负压为主，受风向角的变化影响较大。在斜风作用下，在屋盖四周的边缘转角位置产生局部强负风压，应引起足够重视；（2）迎风立面以正风压为主，两侧与其他立面相连接的地方受气流分离作用出现负风压，侧面及背风墙面在尾流旋涡作用下以负风压为主；（3）脉动风压分布与平均风压分布情况类似，平均风压系数较大的测点，其均方根值也较大，从而脉动风压系数也较大。这与以往多次风洞试验结论一致。参考文献：1康继武,聂国隽,钱若军.大跨结构抗风研究现状及展望j.空间结构, 2009,15(1):41-48.2陈伏彬,李秋胜,卢春玲,等.复杂大跨结构屋盖风荷载特性的试验与计算研究j.空气动力学学报, 2012,30(5):619-627.3谢壮宁,倪振华,石碧青.大跨屋盖风荷载特性的风洞试验研究j.建筑结构学报, 2001,22(2).4建筑结构荷载规范:gb500092012s.北