北京南站雨棚结构平均风荷载特性试验研究

赵建华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

对于大跨屋盖结构的表面风压体型系数,现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)[1]仅给出了几种简单形状房屋的体型系数用于指导工程设计,而没有给出用于设计的大跨屋盖结构屋面风荷载。国内对大跨屋盖结构的风荷载特性已进行了一些研究[2～6],也得出了不少有用的结论,但这些结论还不能完全适用于其他大跨结构．

北京铁路南站主楼南北长350 m,东西宽190 m,最高处约40 m。主楼两侧为大跨度悬挑雨棚,内雨棚对称轴线处宽约64 m,最高处约31 m,外雨棚对称轴线处宽约56 m,最高处约26 m。雨棚南北长约330 m。对北京南站而言,风荷载是控制结构设计的主要荷载之一。为保证结构安全,对此工程的刚性模型进行了风洞试验,测量了模型表面的平均风压和脉动风压,试验结果可用于整体结构设计和围护结构设计。

1 风洞试验简介

北京南站风洞试验在同济大学风洞实验室进行,根据北京南站周围数公里范围内的建筑环境,按照C类地貌模拟大气边界层风场[4]，C类地貌定义见我国《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)。按照文献[4]的方法,以1/250的几何缩尺比模拟了C类风场(图1,其中Ug表示10 m高风速,U表示风速,α表示风速剖面指数,Iu表示湍流度)。

图1 C类地貌平均风速剖面、紊流度剖面

北京南站风洞测压试验模型为刚体模型(图2),用有机玻璃板和ABS板制成,具有足够的强度和刚度,在试验风速下不发生变形,并且不出现明显的振动现象,以保证压力测量的精度。考虑到实际建筑物和周边建筑的情况,选择模型的几何缩尺比为1/250。模型与实物在外形上保持几何相似。试验时将试验模型和周边建筑模型放置在转盘上,通过旋转转盘模拟不同风向[7]。

图2 北京南站风洞试验模型

在北京南站整个模型上总共布置了1 987个测压孔。在模型主楼屋面悬挑部分,在上下两面均单独布置了测点。在两侧雨棚部分,每个测点位置需布置1对测点,每对测点包括上、下表面两个测压孔,以同时测量该点处内外表面的压力,而该测点最终的压力为上、下表面压力之差。

试验参考点选在高度为1.0 m处,该高度对应于实际高度250 m。风洞测压试验的参考点风速为12 m/s。测压信号采样频率约为300 Hz,每个测点采样样本总长度为6 000个数据。试验中,对每个测点在每个风向角下都记录了6 000个数据的风压时域信号,加上所采集的参考点总压和静压的数据,共记录了约4.3亿个数据。

在空气动力学中,物体表面的压力通常用无量纲压力系数CPi表示为

(1)

式中，CPi为测点i处的压力系数,Pi为作用在测点i处的压力,P0和P∞分别是试验时参考高度处的总压和静压。

对结构悬挑部分,在进行结构设计时,需要用到的是悬挑部分各测点的净压差值,即各测压点上下表面风压之差,再对其进行概率统计分析。悬挑部分上下表面同步测量的各对测压点上的净压力系数由式(1)导出如下

(2)

式中，Piu为作用在测点i处的上表面压力,Pid为作用在测点i处的下表面压力。

净压力的方向由式(2)决定。

由于风压是随机变量,因此为了获得平均风压系数,必须对所记录的数据进行统计分析,以获得各测点在各个风向角下的平均风压系数CPmean,i(以梯度风压为参考风压的风压系数)。

在进行建筑结构设计时,常以10min平均风速下的风压值再考虑动力放大效应(我国规范中定义为风振系数)作为设计荷载。根据试验所得的各风向角下的平均风压系数CPmean,i以及参考风压(梯度风风压pG),则50年和100年重现期下建筑物表面上测点i处在各个风向角下的平均风压wmean,i(10min平均风速)为

(3)

2 平均风压分布

图3 北京南站西雨棚的最不利正风压(50年重现期)(单位：kPa)

按照我国《建筑结构荷载规范》计算了用于围护结构设计的风压值。作用在点支式玻璃幕墙及围护结构上的风荷载标准值应按下述公式计算

wi=βgzμsiμziw0

(4)

式中,μsi为测点i处的风荷载点体型系数(由以上风洞试验获得)；μzi为测点i处的风压高度变化系数；βgz为阵风系数,按现行国家标准《建筑结构荷载规范》采用；w0为基本风压。《建筑结构荷载规范》条文说明中指出,围护结构的重要性与主体结构相比要低些,因此用于围护结构设计的风压取为50年重现期。若设计方选用100年重现期,则将以上50年重现期结果乘以系数0.50/0.45=1.11即可。

处于紊流场中的各测点的风压系数CPi是个随机变量,因此对各个测点除了得到前述的各个风向角下的平均风压系数CPmean,i, 对所记录的数据进行概率统计分析后还可获得各测点各个风向角下的脉动均方根风压系数Cprms,i(以梯度风压为参考风压)。

根据概率统计理论可知,各测点在某一风向来流的作用下,其风压系数的极大值CPmax和极小值Cpmin可表示为

CPmax=CPmean+kCPrms

(5)

Cpmin=Cpmean-kCprms

(6)

其中k=2.5～4为峰值因子,在这里取k=3.5[6]。北京南站各测点50年重现期的最大极值风压见图3和图4,最小极值风压见图5和图6。对封闭结构部分,进行了相应的内压修正。

图5 北京南站西雨棚的最不利负风压(50年重现期)(单位：kPa)

3 结果分析

随着风向角的变化,屋盖上的平均风压主要呈现负压(即风吸力),较大的吸力主要是分布在迎风面的屋檐和屋盖角区。在最不利风向角下,气流在悬挑区域的角部分离,形成很大逆压梯度,且在分离点出现很大的吸力,此时最大负平均风压-1.07 MPa。在上风向区域负风压系数较大,且其变化梯度也大；而在下风向区域负风压较小。从试验结果也看出,当气流在钝物绕流时,先在物体边缘拐角出现分离形成很大的吸力,然后往下游发生再附着,负风压减小甚至出现正风压。因此在进行大跨结构抗风计算时,应适当考虑下风向区域正压对结构的影响。在不同来流风向下,朝着来流方向的钝物形状对尾流产生很大影响,而且其流向长度对尾流也起到了重要作用。

为了直观地观察整个屋盖各测点在所有风向下的最大吸力,将各个测点在全风向角下的最大负风压系数提取出来,得到屋面全风向角下最大平均负风压分布,可以看出较大的负风压系数分布在迎风面的屋檐及其角区附近,而屋面内部区域的负风压相对较小。

4 结论

通过对北京南站雨棚结构模型的测压试验和分析,可以得到如下主要结果。

(1)北京南站雨棚结构屋面平均风压一般以负压为主。受到钝物绕流的气流分离、再附的影响,在迎风向的屋檐及其角区附近出现很大负压且局部负压梯度变化很大,特别是迎风悬挑屋檐角区；在下风向区域屋面负压比较小,甚至出现正压力。因此,此类风压分布特征在大跨结构设计中应引起注意。

(2)结构外形在钝体绕流中起决定性作用,直接影响屋面风压的分布。

[1] 中华人民共和国建设部.GB 5009—2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2001.

[2] 程志军,楼文娟,孙炳楠,等.屋面风荷载及风致破坏机理[J].建筑结构学报,2000,21(4)：39-49.

[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)：23-28.

[4] 黄 鹏,顾 明.风洞中模拟大气边界层流场的方法研究[J].同济大学学报,1999，27(2).

[5] 点支式玻璃幕墙工程技术规程CECS 127：2001,中国工程建设标准化协会标准．

[6] Wind tunnel studies of buildings and structures, ASCE manuals and reports on engineering practice No.67, Task committee on wind tunnel testing of buildings and structures[M]. Aerodynamics committee aerospace division, American Society of Civil Engineers, 1999.

[7] 沈之容，王之宏.上海北外滩酒店中庭结构风洞试验[J].建筑科学与工程学报，2006(12).