风帆体型建筑表面风压的分布特征研究

沈国辉 钱涛 何国军 王富林 黄建林

摘要：针对典型风帆体型建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究，给出典型风向下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征，探讨该体型建筑产生此类分布的原因，并分析围护结构设计时风帆体型建筑的最不利受风区域.研究表明：风帆容易形成“前压后吸”的风压分布，对于迎风面积大、厚度却相对较小的风帆建筑整体抗风较为不利；脉动风压系数与平均风压系数分布规律较为相似，背风区的风压脉动小于侧风区；当风帆建筑锋利边缘处于侧迎风时，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，使得该区域出现极大的负压.

关键词：风压；风帆建筑；风洞；极值风压；兜风效应

中图分类号：TU312.1 文献标识码：A

随着时代的发展，建筑结构形式日益新颖，风帆类建筑也随之不断出现，例如世界闻名的迪拜帆船酒店和悉尼歌剧院.此类风帆建筑有着外凸内凹的特点，其风荷载分布规律与常规体型屋盖结构[1-4]

3典型风向下风帆建筑的脉动风压

风帆建筑的极值负风压系数如图8所示，可以发现极值负风压主要出现在陡坡边缘、外表面近陡坡边缘及内表面近陡坡边缘.这些部位测点的极值负风压系数及相应角度见表1，可以发现陡坡边缘和内表面近陡坡边缘极值负风压对应的角度基本上为150°，而外表面近陡坡边缘极值负风压对应的角度基本上为105°，将这两个风向角下风帆建筑的迎风情况列于图9.

由表1和图9可以发现：1）在150°风向角下，风帆建筑的陡坡边缘和内表面近陡坡边缘处于侧风位置，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，从而导致这两个位置出现很大的负风压.2）在105°风向角下，外表面近陡坡边缘区处于侧风位置，也是由于来流风在锋利边缘发生显著的气动分离而导致该部位出现很大的负风压.

5结论

本文采用风洞试验方法研究某风帆体型建筑的风荷载，得到以下结论：

1） 风帆建筑容易形成“前压后吸”的风压分布，对于迎风面积大、厚度相对较小的风帆建筑的抗风设计需引起足够重视.

2） 风帆建筑脉动风压系数的分布规律与平均风压系数的分布规律基本相同，其脉动风压系数大小与平均风压系数大小成正比关系，一般而言背风区的脉动风压系数小于迎风区.

3） 风帆建筑的极值负压明显大于其极值正压，当风帆建筑的陡坡边缘和外表面近陡坡边缘处于侧迎风时，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，从而使得这两块区域出现极大的负压，在工程设计时应重视这两块区域的维护结构抗风设计.

参考文献

[1]顾明，赵雅丽，黄强，等.低层房屋屋面平均风压的风洞试验和数值模拟[J].空气动力学学报，2010，28（1）：82-87.

[2]李秋胜， 陈伏彬， 傅继阳， 等. 大跨屋盖结构风荷载特性的试验研究[J].湖南大学学报：自然科学版， 2009，36（8）：12-17.

[3]聂少锋，周绪红，石宇，等.低层坡屋面房屋风荷载特性风洞试验研究[J].建筑结构学报， 2012， 33（3）： 118-125.

[4]沈国辉， 孙炳楠， 楼文娟. 复杂体型大跨屋盖结构的风荷载分布[J]. 土木工程学报， 2005，30（10）：39-43.

[5]顾明， 黄鹏， 杨伟， 等.上海铁路南站平均风荷载的风洞试验和数值模拟[J]. 建筑结构学报， 2004， 25（5）：43-47.

[6]李寿英， 陈政清， 黄磊， 等. 义乌游泳馆屋盖风荷载的试验研究[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2007，34（5）：10-14.

[7]DAVENPORT A G. Past， present and future of wind engineering[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002， 90：1371-1380.

[8]GB 50009-2001 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2002.

[9]卢占斌， 魏庆鼎， 王安武. 龙脊风帆模型气动特性风洞实验[J]. 流体力学实验与测量， 2001，15（4）：46-52.

[10]AIJ recommendations for loads on buildings[S]. AIJ， Tokyo： Architectural Institute of Japan， 2004.