重庆大剧院模型风洞试验

1、重庆大剧院重庆大剧院模型风洞试验与分析研究模型风洞试验与分析研究 重庆大学土木工程学院重庆大学土木工程学院重庆市江北城开发投资有限公司重庆市江北城开发投资有限公司 2006.5.301一、工程概况一、工程概况 重庆大剧院是集歌剧、戏剧、音乐会重庆大剧院是集歌剧、戏剧、音乐会演出、文化艺术交流等多功能为一体的大演出、文化艺术交流等多功能为一体的大型社会文化设施，是重庆市十大公共建筑型社会文化设施，是重庆市十大公共建筑之一，是一幢有核心作用的标志性大型公之一，是一幢有核心作用的标志性大型公共建筑。共建筑。 建筑物立面由建筑物立面由11个不规则条带组成，个不规则条带组成，总高度为总高度为63.85米

2、。由于主体结构体型独米。由于主体结构体型独特，周围地形复杂，因此需采用风洞试验特，周围地形复杂，因此需采用风洞试验等技术为其提供抗风设计依据。等技术为其提供抗风设计依据。 2一、工程概况一、工程概况后台及侧台后台及侧台大剧场观众厅大剧场观众厅中剧场观众厅中剧场观众厅中剧场中剧场大剧场大剧场典型剖面典型剖面附属钢结构屋架附属钢结构屋架主体混凝土结构主体混凝土结构BCA幕墙结构体系1）结构简洁，双向受力）结构简洁，双向受力体系经济，无斜杆，方体系经济，无斜杆，方便检修。便检修。2）双肢间为）双肢间为1035mm。前庭、大堂处前庭、大堂处围 护 面 积 达围 护 面 积 达1000m2二、风压测量试

3、验二、风压测量试验中国空气动力研究与发展中心中国空气动力研究与发展中心低速气动力研究所低速气动力研究所4m3m风洞风洞 3二、风压测量试验二、风压测量试验4平面图分块编号平面图分块编号 立面图分块编号立面图分块编号 二、风压测量试验二、风压测量试验（续）（续）重庆大剧院模型重庆大剧院模型 5二、风压测量试验二、风压测量试验（续）（续）重庆大剧院模型重庆大剧院模型4.211.43.03.03.03.03.018.012.013.110.117.118.920.722.524.927.023.420.317.912.0块块1-1 测压孔布置图测压孔布置图 6二、风压测量试验二、风压测量试验（续）（

4、续）0.000.200.400.600.801.000.000.200.400.600.801.00Z/Zref0 5 10 15 20 25 =0.3U/UrefIu风洞模拟大气边界层风洞模拟大气边界层平均速度分布和湍流度分布平均速度分布和湍流度分布GGZZZVVVon Karman谱：谱： 5 62241 70.8xVxVVnLVnS nnLV平均风速剖面指数分布律：平均风速剖面指数分布律： 湍流积分尺度的测量采用了湍流积分尺度的测量采用了“谱拟合谱拟合”技术技术 7二、风压测量试验二、风压测量试验（续）（续）大气边界层模拟大气边界层模拟8二、风压测量试验二、风压测量试验（续）（续）试验工

5、况试验工况9三、风压测量试验数据处理三、风压测量试验数据处理其中：其中：rmeanpiziiwCw,rmeaniNiimeanPippppNppC,01,0220200200wZHZHZZwZZwsTsTrrr 0wwzisizii220200sTsTiziZHZHZZ 风洞试验所得到的风压计算公式：风洞试验所得到的风压计算公式： 按照建筑结构荷载规范建筑表面局部风压计算公式：按照建筑结构荷载规范建筑表面局部风压计算公式： 10三、风压测量试验数据处理三、风压测量试验数据处理（续）（续）比较以上两风压计算公式，可得比较以上两风压计算公式，可得112,irmeanpisiZZC2,rsipi m

6、eaniZCZniiniiSSAAi11考虑地形条件影响，同理可得考虑地形条件影响，同理可得 各块体型系数可由同一块上各个点的体型系数取对相应面积各块体型系数可由同一块上各个点的体型系数取对相应面积的加权平均求得的加权平均求得 三、风压测量试验数据处理三、风压测量试验数据处理（续）（续） 经比较，可知经比较，可知2700方向为最不利风向角，其对应的体方向为最不利风向角，其对应的体型系数（图形内小数即为体型系数）型系数（图形内小数即为体型系数）块块1-1（2700, S） ） S块块1-2（2700, 12三、风压测量试验数据处理三、风压测量试验数据处理（续）（续）13rmeanpimeaniw

7、Cw,rpiiwCwmax,max,rpiiwCwmin,min,sdpimeanpipigCCC,max,sdpimeanpipigCCC,min,121,0,NCppppCNimeanpiisdpi 其中：其中：三、风压测量试验数据处理三、风压测量试验数据处理（续）（续） 比较比较16个风向角下建筑表面风压值，得出了个风向角下建筑表面风压值，得出了50年一遇和年一遇和100年一遇的最大最小风压值年一遇的最大最小风压值 4.211.43.03.03.03.03.018.012.013.110.117.118.920.722.524.927.023.420.317.912.0块块1-1（50年

8、一遇，最大值）年一遇，最大值） 4.211.43.03.03.03.03.018.012.013.110.117.118.920.722.524.927.023.420.317.912.0块块1-1（100年一遇，最小值）年一遇，最小值）14四、特殊地形四、特殊地形(山地山地)风压修正风压修正 大剧院用地山丘位置考虑山丘地形影响时，修正系数考虑山丘地形影响时，修正系数测点测点J1a1J2a1J3a1J4a1J5a1MJ5a1SJ5a1SJ4a1SJ3a1SJ2a1SJ1a11.1211.1010.9811.1421.0510.9970.9721.1131.1100.9920.97815五、风压

9、试验数据分析结论五、风压试验数据分析结论1、大剧院外型复杂，既存在各块高低错落，也、大剧院外型复杂，既存在各块高低错落，也还有凹槽和曲折线型拐角，在各种工况下，最还有凹槽和曲折线型拐角，在各种工况下，最大负压区出现在折线屋面区域，尤其是折线转大负压区出现在折线屋面区域，尤其是折线转角大且较高的屋面区域，其次是折线附近的凹角大且较高的屋面区域，其次是折线附近的凹槽区域以及拐角处。重现期槽区域以及拐角处。重现期50年时，对应最小年时，对应最小负压为负压为-1598Pa，最大正压为，最大正压为766Pa；重现期；重现期100年时，对应最小负压为年时，对应最小负压为-1797Pa，最大正压，最大正压为

10、为928Pa。对于建筑物外墙面的玻璃幕墙和铝。对于建筑物外墙面的玻璃幕墙和铝合金板等其他外装饰外墙设计应特别注意以上合金板等其他外装饰外墙设计应特别注意以上所提及的负压较大区域。所提及的负压较大区域。 16五、风压试验数据分析结论五、风压试验数据分析结论（续）（续）2、建议外墙设计采用、建议外墙设计采用100年重现期风荷载。其年重现期风荷载。其中由于数据处理时峰值因子中由于数据处理时峰值因子g取为取为3.0（建筑物（建筑物的局部围护构件抗风计算需要考虑阵风影响，的局部围护构件抗风计算需要考虑阵风影响，取瞬时风压作为设计风荷载，建筑物表面瞬时取瞬时风压作为设计风荷载，建筑物表面瞬时风压的时程曲线

11、近似风压的时程曲线近似GAUSS过程。），结果过程。），结果偏安全，所以最大最小风压值可直接用于玻璃偏安全，所以最大最小风压值可直接用于玻璃幕墙设计。幕墙设计。五、风压试验数据分析结论五、风压试验数据分析结论（续）（续）3、大剧院整体风压状况：大剧院迎风面主要受、大剧院整体风压状况：大剧院迎风面主要受正压作用，屋面、背风面以及侧面主要受负压正压作用，屋面、背风面以及侧面主要受负压作用，尤其转角处背风区域局部负压较大。值作用，尤其转角处背风区域局部负压较大。值得注意的是，大剧院的长悬挑结构得注意的是，大剧院的长悬挑结构(如：块如：块22、块、块S22等等)，在多数风向下，挑檐的下表，在多数风向下

12、，挑檐的下表面形成正压，上表面是负压，叠加后将形成一面形成正压，上表面是负压，叠加后将形成一个向上升力。个向上升力。17五、风压试验数据分析结论五、风压试验数据分析结论（续）（续）4、由于山区地形、由于山区地形(爬坡增值效应爬坡增值效应)影响，在山地影响，在山地上的建筑，建筑底部与中部及中偏上部的正面上的建筑，建筑底部与中部及中偏上部的正面迎风向风压差值不大迎风向风压差值不大 。5、在给定一风向下，由于大剧院建筑物体型复、在给定一风向下，由于大剧院建筑物体型复杂，建筑各块上的体型系数相差较大。杂，建筑各块上的体型系数相差较大。 18六、风环境测量试验六、风环境测量试验测点分布图测点分布图 采用

13、了行人高度风测探头测量风环境采用了行人高度风测探头测量风环境 试验场景试验场景 19七、风环境测量试验数据处理七、风环境测量试验数据处理 本试验数据处理采用风速比评估标准，即本试验数据处理采用风速比评估标准，即用场地风速比分布图和风玫瑰图作为评估和预用场地风速比分布图和风玫瑰图作为评估和预测行人高度风环境。例：对于任一给定的区域，测行人高度风环境。例：对于任一给定的区域，试验中如果发现某一风向会在该区域行人高度试验中如果发现某一风向会在该区域行人高度处产生较大的风速比处产生较大的风速比(风速比风速比R反映了因建筑物反映了因建筑物的存在而引起风速变化的程度的存在而引起风速变化的程度)，而又这一风

14、，而又这一风向又对应风玫瑰图中频率较大的风向，那么认向又对应风玫瑰图中频率较大的风向，那么认为该区域的风环境较差。为该区域的风环境较差。 20七、风环境测量试验数据处理七、风环境测量试验数据处理（续）（续）refiVVR 2T12iwP Kv 探头由以上三式，得：由以上三式，得： 1010vHvrefrefrefHKPvR102110探头21七、风环境测量试验数据处理七、风环境测量试验数据处理（续）（续） 根据各测点各个风向角下的风速比值，绘制了各测根据各测点各个风向角下的风速比值，绘制了各测点的风速比随风向变化的分布图点的风速比随风向变化的分布图。测点测点1风速比随风向分布风速比随风向分布

15、测点测点2风速比随风向分布风速比随风向分布 22八、风环境测量试验数据分析结论八、风环境测量试验数据分析结论 经分析，在多数风向下该工程在测点处经分析，在多数风向下该工程在测点处风环境良好。根据该建筑在各方向下行人高风环境良好。根据该建筑在各方向下行人高度探头风压数据可推测出，重庆大剧院拐角度探头风压数据可推测出，重庆大剧院拐角处风速得到增大，风速比相应变大。总体而处风速得到增大，风速比相应变大。总体而言，重庆大剧院引起地面行人高度范围风速言，重庆大剧院引起地面行人高度范围风速的增加适中，但为了让其周围有更好的风环的增加适中，但为了让其周围有更好的风环境，建议在大剧院周围适当增加植被。境，建议

16、在大剧院周围适当增加植被。23九、风荷载数值模拟九、风荷载数值模拟 各个来流方向各个来流方向 计算区域截取部分网格计算区域截取部分网格 24九、风荷载数值模拟九、风荷载数值模拟（续）（续）l边界条件与风洞试验保持一致边界条件与风洞试验保持一致 l选用其中的选用其中的RSM湍流模型进行计算，并利用非平衡壁湍流模型进行计算，并利用非平衡壁面函数来修正面函数来修正RSM，以使得，以使得RSM适用于进壁面区域。适用于进壁面区域。 l离散化处理控制方程采用一阶迎风格式。离散化处理控制方程采用一阶迎风格式。 l选择选择SIMPLE算法求解有限体积积分得到的压力速度算法求解有限体积积分得到的压力速度相关控制

17、方程组。相关控制方程组。 l通过监测控制方程的迭代残余量以及各表面压力变化通过监测控制方程的迭代残余量以及各表面压力变化来判定是否收敛来判定是否收敛(当相对迭代残余量均小于当相对迭代残余量均小于510-3，且，且各表面风压系数基本不发生变化时，认为所得流场进各表面风压系数基本不发生变化时，认为所得流场进入了稳态入了稳态)。 25十、风荷载数值模拟结果十、风荷载数值模拟结果00方向来流时风压云图方向来流时风压云图 26十、风荷载数值模拟结果十、风荷载数值模拟结果（续）（续）900(2700)方向来流时风压云图方向来流时风压云图 27十一、风荷载数值模拟结果分析结论十一、风荷载数值模拟结果分析结论

18、l数据对比中，可以发现少数风压值相差较大的数据对比中，可以发现少数风压值相差较大的地方主要分布在建筑物的背面和其棱角处，其地方主要分布在建筑物的背面和其棱角处，其原因是由于这些区域脱落的漩涡使得该区域产原因是由于这些区域脱落的漩涡使得该区域产生较大的吸力，而计算模型的拐角是理想化的生较大的吸力，而计算模型的拐角是理想化的尖角，更加速了漩涡的脱落，提高了该处的分尖角，更加速了漩涡的脱落，提高了该处的分离流强度，从而导致模拟的负压值偏大。在风离流强度，从而导致模拟的负压值偏大。在风洞试验中，这些棱角边缘区域处也不便埋测压洞试验中，这些棱角边缘区域处也不便埋测压铜管，而此区域负压梯度较大，因而实际建筑铜管，而此区域负压梯度较大，因而实际建筑的风压在这些区域负值略有偏大。的风压在这些区域负值略有偏大。28十一、风荷载数值模拟结果分析结论十一、风荷载数值模拟结果分析结论l将各个风向角下模拟情况与试验情况相比，可将各个风向角下模拟情况与试验情况相比，可知在绝大多