封闭煤场屋面风荷载体型系数物理模型试验研究

张江霖，范振中，周丽琼，马春雷

(1.中国电力工程顾问集团科技开发有限公司，北京 100120；2. 中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

封闭煤场屋面风荷载体型系数物理模型试验研究

张江霖1，范振中2，周丽琼2，马春雷2

(1.中国电力工程顾问集团科技开发有限公司，北京 100120；2. 中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

本文通过介绍封闭式圆形煤场网壳风荷载体型系数的物理模型试验研究情况，给出相应的研究结论，供封闭式圆形煤场网壳屋面结构的合理和优化设计参考。

封闭式圆形煤场；球形网壳；风荷载体型系数；物理模型试验.

1 概述

封闭式圆形煤场是燃煤火力发电厂煤储存设施的统称，包括煤场机械设备和土建两部分。近年来，随着环保要求的不断提高以及资源节约重要性的日益突出，作为煤储存设施的封闭煤场开始在火力发电厂中推广应用。封闭煤场结构设计主要包括钢筋混凝土环形挡煤墙以及屋盖结构，其屋盖均采用跨度100 m以上的大跨度螺栓球节点空间球面网壳结构。单个直径为120 m的封闭煤场正常贮量达20万t，可满足2 MW×600 MW电厂运行15天～20天的要求,其典型断面如图1所示。

图1 直径120m封闭式圆形煤场典型横断面图

2 风荷载设计参数的确定

风荷载是大跨度空间结构的主要荷载之一，目前大跨度空间结构均采用轻型维护结构恒、活荷载相应较小，风荷载成为此类结构设计的控制荷载，因此合理确定风荷载对于大跨度屋面球面网壳设计的安全和经济具有重要意义。对于封闭煤场屋面结构设计中基本风压、风压高度变化系数等设计参数可以根据现行规程规范确定，而风荷载体型系数需要进行研究确定，现行国标《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)、欧洲钢结构协会(ECCS)风效应技术委员会及前苏联CHNII2.01.07-85《荷载和作用》规范都作的相关规定见图2、图3、图4。不难发现三个规范关于风荷载体型系数的差异较大，同时根据有关文献的风洞试验结果同现行国标规范相比也存在一定的不同，考虑到封闭煤场屋面结构的特殊性，有必要进行深入研究；另外从工程设计实际需要考虑，有必要对封闭煤场的直径、挡煤墙高度、场地土类别、屋面结构全封闭和局部开启等对风荷载体型系数影响等问题进行研究，以确定合适的风荷载设计参数保证结构安全。综上考虑，《封闭式圆形煤场优化设计研究》课题组开展了封闭煤场屋面风荷载体型系数的物理模型试验。

图2 国标《建筑结构荷载规范》风荷载体形系数μs

图3 ECCS球面风荷载体型系数

图4 前苏联CHNII2.01.07-85《荷载和作用》中球体表面外压空气动力系数Ce

3 物理模型试验研究

3.1 模型试验研究

120m直径模型的刚性物理模型试验在北京大学环境科学与工程学院的环境风洞进行，模型缩尺比例为1∶129。北京大学环境风洞结构图、试验段中的模型和尖塔见图5、图6。

图5 北京大学环境风洞结构图

图6 试验段中的模型和尖塔－粗糙元

试验分析对照了不同的挡煤墙高度(9 m和18 m两种)、场地土类别(A类和B类两种)、封闭煤场屋面结构全封闭及局部开启对风荷载体型系数的影响，其中局部开敞时试验模型为屋面网壳和挡煤墙顶部2 m高度范围(即网壳支承混凝土短柱高度范围)开敞，其他部分网壳封闭。网壳结构上布置内外测压孔分布图见图7，模型测压孔开在模型四分之一内外球冠上，布置在球冠经线和纬线的交点上。纬线B围成的球冠对应的球心角为25°，从纬线B开始每增加12°画一条纬线，分别标记为C、D、E、F、G。

图7 模型测压孔布置(左图：俯视图，右图：中心剖面图)

3.2 试验结果分析

3.2.1 试验结果与国标规范的分析对照

对于典型物理模型煤场直径120 m，挡煤墙高度9 m，A类地貌的试验结果和GB50009/ECCS规范进行对照分析见表1。

表1 试验结果与GB50009/ECCS规范对照分析(直径120m，挡煤墙高度9m，A类地貌)

从试验结果和国标GB50009的对照分析可知：两者正压区和负压区的分布范围基本一致；负压区风荷载体型系数，试验结果要小于规范值；正压区的风荷载体型系数，试验结果要大于规范值，规范值是否存在不安全的

因素有待检验。从试验结果和欧洲钢结构协会(ECCS)规范的对照分析可知：两者正压区和负压区的分布范围基本一致；正压区及负压区的风荷载体型系数，ECCS规范数值均要大于风洞试验结果，可见ECCS规范是偏于保守的。

3.2.2 挡煤墙高度对风荷载体型系数的影响

120 m直径，不同挡煤墙高度条件下(9 m/18 m)的封闭煤场试验结果统计见表2。

表2 不同挡煤墙高度条件下的试验结果

分析1轴线A、B、…G各点的风荷载体型系数值可以看出，正压区最大值点1G在挡煤墙高度从9 m变为18 m时，风荷载体型系数从0.57增大到0.59，增幅为3.7 %；负压区最大值点1A在挡煤墙高度从9 m变为18 m时，风荷载体型系数从-0.87增大到-0.89，增幅为2.6 %。对照ECCS可知挡煤墙高度从9 m增大18 m时，h/d值从0.075增大为0.15，f/d值保持0.44不变，则A点处外部压力系数Cpe(正压力)从0.67降低为0.64，降幅为4.7 %；B点处的外部压力系数Cpe(负压力)从-1.11增大为-1.14，增幅为2.7 %。两者结果比较可知，挡煤墙高度从9 m增大到18 m时，负压区风荷载体型系数的变化规律是相似的，增幅为3 %；对于正压区的风荷载体型系数变化，ECCS规范是呈降低趋势，而试验结果刚好相反，增大了3.7 %。

3.2.3 场地类别对风荷载体型系数的影响

对于120 m直径，挡煤墙高度9 m，不同场地类别(A类／B类)的封闭煤场试验结果统计见表3。

表3 不同场地的封闭煤场试验结果

试验结果表明：A、B不同地貌条件下，负压区最大点的风荷载体型系数从-0.871变化为-0.837，变化的幅度为4 %，正压区最大点的风荷载体型系数从0.569变化为0.552，变化的幅度为3 %。

3.2.4 封闭煤场全封闭及局部开敞对风荷载体型系数的影响

对于120 m直径，挡煤墙高度为18 m的封闭煤场全封闭及局部开敞时的试验结果统计见表4。

表4 封闭煤场全封闭及局部开敞时试验结果

续表4

试验结果分析表明：模型从全封闭变为局部开敞时，模型正压区和负压区的分布区域范围规律基本上保持不变；开敞模型内侧基本为恒定的负压；封闭煤场屋面内部的负压分布导致整个屋面迎风面正压区风压增大，而对分离区的负压有所缓解；风荷载体型系数的变化趋势为负压区体型系数最大值从-0.82减少为-0.66，而正压区体型系数最大值从0.59增大为0.96。

4 结论与建议

通过封闭煤场的物理模型试验结果进行研究与分析，有如下结论：

⑴从试验结果和GB50009规范对照分析来看，两者正压区和负压区的分布范围基本一致，但试验结果负压区和正压区的风荷载体型系数要大于GB50009规范值，GB50009规范值是否存在不安全的因素有待检验；欧洲钢结构协会(ECCS)规范考虑了封闭煤场挡煤墙高度和煤场直径变化对风荷载体型系数的影响，从与试验结果对照分析可知两者一致性较好，正压区和负压区的分布范围基本一致，且ECCS规范中正压区及负压区的风荷载体型系数数值均大于试验结果(偏于安全)，因此实际工程设计中建议采用ECCS规范。

⑵试验表明挡煤围墙高度变化、场地类别不同、封闭煤场全封闭与局部开敞等因素均对对球状网壳风荷载体型系数均产生一定的影响：挡煤墙高度在9 m～18m之间变化时体型系数对应的变化范围为5 %～10 %；煤场直径从90 m增大12 0m时迎风面风荷载体型系数呈增大趋势，增大幅度约为6 %；场地类别变化(A类/B类)和挡煤墙加设扶壁柱时风荷载体型系数变化不大，实际结构设计建议可以不予考虑其影响；煤场屋面侧窗开启后对球状屋面外表面负压分布区减压有利，但同时导致迎风面正压大幅度增大，实际工程应用中不建议采用侧窗开启的局部开敞屋面围护结构。

⑶工程实际需要和时，封闭煤场屋面结构风荷载体型系数的确定应优先考虑物模试验。

[1]GB50009—2001建筑结构荷载规范[S]．

[2]CHИП2.01.07-85荷载和作用[S]．

[3]中南电力设计院，广东河源电厂封闭煤场新型结构方案研究[R]．2006．

[4]中南电力设计院．封闭式圆形煤场优化设计研究(土建部分)[R]．2008．

Physical Model Test of Roof 's Wind Load form Coef fi cient in Enclosed Circular Coal Yard

ZHANG Jiang-lin1, FAN Zhen-zhong2, ZHOU Li-qiong2, MA Chun-lei2
(1.China Power Engineering Consulting(Group)Technology Development Co., LTD., Beijing 100120, China;
2. Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

This paper is focused on the physical model test for the enclosed circular coal yard roof’s wind load form coefficient,and supply the study result, which can provide the essential reference for enclosed circular coal yard roof’s rational and optimized design.

the enclosed circular coal yard; spherical shed; wind load form coef fi cient; physical model test.

TM621

B

1671-9913(2011)01-0040-05

2010-12-27

张江霖(1973-)，男，高级工程师，一级注册结构工程师。