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

（1.浙江大学 土木工程学系，浙江 杭州 310027；2.中国汉嘉设计集团，浙江 杭州 310005；

3.宁波市北仑区建筑工务局，浙江 宁波 315800；4.中联筑境建筑设计有限公司，浙江 杭州 310014）

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]的风压分布有差别，不同于一般意义的凸型建筑[5]和凹型建筑[6].风帆周围的流动风往往表现得紊乱不规则，从而导致建筑物的表面风压复杂多变、难以预测[7]，且我国荷载规范[8]所包含的风荷载体型系数对于风帆体型建筑缺乏相应的规定，因此宜采用风洞试验方法获得风帆体型建筑的风荷载.

查询相关文献可知，风帆建筑大跨度屋盖结构的风荷载报道很少，只有卢占斌等[9]采用天平测力方法研究“龙脊风帆”的阻力系数，由于天平测力风洞试验不能给出各个位置的平均风压和脉动风压，因此设计人员难以得到很好的参考.

本文以某风帆体型建筑为例，采用风洞试验方法获得该建筑的表面风压，给出典型风向角下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征，探讨风帆体型建筑产生该类分布的原因，并讨论围护结构设计时该体型建筑的最不利受风区域，对于类似建筑的风荷载取值具有重要的参考价值.

1 风帆体型建筑的风洞试验概况

本文的工程实例为某博物馆，长约240m，宽约135m，高58.3m，如图1所示.该建筑包含两个体型相似、大小有差异的悬空风帆，本文称为大风帆和小风帆.大风帆顶点离地高度为58.3m，风帆底部长约55m，宽约35m.由于大风帆和小风帆体形相似，风洞试验获得的风压分布特征也比较类似，因此本文将大风帆作为典型的风帆体型建筑，分析其平均风压和脉动风压的分布特征.

图1 某风帆体型建筑的效果图Fig.1 Picture of a sail－shaped building

风洞试验模型由玻璃钢、有机玻璃和ABS塑料等制作而成，模型缩尺比为1∶150，模型及其在风洞试验时的照片如图2所示.在该建筑的屋面和墙面上布置了400多个风压测点.在大风帆上布置的测点有141个，其中在风帆外表面布置69个，在风帆内表面布置54个，在缓坡边缘和陡坡边缘各布置9个，具体测点布置见图3，图中对表面进行展开处理以方便测点的表达.风洞试验时，每个风向角为一个工况，各风向角间的间隔为15°，测压风向角从0°～360°共24个工况，具体如图4所示.

图2 试验模型和风洞风场Fig.2 Layout of test model and wind tunnel simulation

图3 大风帆建筑测点布置Fig.3 Layout of measuring points of the sail

图4 风向角示意图Fig.4 Layout of wind azimuth

在浙江大学的ZD－1边界层风洞中进行风洞试验，试验段长18m，宽4m、高3m.风压测量系统采用DSM340电子扫描阀，测压信号采样频率约为313Hz，对所有测点进行同步测压.

风洞试验模拟A类边界层地貌，其中平均风速剖面采用指数规律[8]，如下所示：

式中：U10为基本风速；Uz为离地面高Z处的平均风速；z为离地高度；α是地貌粗糙度系数.湍流度剖面参考日本规范[10]，如公式（2）所示.在风洞中，由风洞口的尖塔和风洞底壁的粗糙元来实现风场的模拟，试验测得的风速、湍流度剖面与要求比较接近，符合试验的要求.

风洞试验各测点的风压系数Cpi按下式计算：

式中：Pi为测点i的风压值；P∞为参考点静压力值；V∞为参考点的风速.

各测点风压系数的极大值和极小值按照式（4）和式（5）计算.

式中：g为保证因子，本文取2.5.

2 典型风向下风帆建筑的平均风压

以大风帆为例研究典型风帆建筑的平均风压，图5给出45°，135°，225°和315°共4个典型风向角下的风压系数，图中左侧的风向角示意图为相应风向角下该风帆建筑的迎风面.45°和225°为内表面和外表面处于正迎风的风向，135°和315°为风帆侧面处于迎风的风向.图中的风压系数按照公式（3）计算，以大风帆顶点高度（58.3m）作为参考高度，本文中的风压系数均为定义.

图5 典型风帆建筑各风向角下平均风压系数Fig.5 Mean wind pressure coefficients of the sail in different wind directions

由图5可知：

1）在45°风向角下，风帆内表面正迎风，风帆建筑的“圆弧形凹面”使得内表面产生明显的兜风效应[4]，整个内表面均为正压区域，最大的风压系数为0.8；来流风在风帆建筑的缓坡边缘及陡坡边缘处产生分离，使得在背风面（风帆建筑外表面）形成一整块负压区；此类“前压后吸”的风压分布特性对于迎风面积大、厚度比较薄的风帆建筑的整体受风较为不利，即风帆建筑承受较大的阻力，为风帆建筑总体抗风不利的一个风向；风压系数范围在－0.8～＋0.8之间，负风压系数并不是很大.

2）在135°风向角下，陡坡边缘呈正迎风位置，在陡坡边缘和外表面近陡坡边缘侧出现最大值为0.5的正风压系数；在内表面近陡坡边缘侧和缓坡边缘侧出现很大的负风压系数（最大达－1.5），这主要是由于来流风在锋利边缘处产生强烈的流动分离所致；在风帆建筑的外表面形成明显的风压梯度，由＋0.5变为－1.0.

3）在225°风向角下，风帆建筑的外表面（圆弧凸面）处于正迎风，约2／3区域的外表面呈正压，最大风压系数约为0.55，然后向周边呈递减趋势；处于背风面的内表面区域则形成一整片的负压区，该区的风压系数约为－0.5；此风向角与45°风向角类似，也为“前压后吸”工况，风帆整体受力比较大，为整体结构抗风不利的一个风向.

4）在315°风向角下，风帆外表面的中下部迎风，由于迎风区域较小，正压区的数值大小及范围均不大；外表面的中上部为侧风区域，形成了较大的负风压系数（－1.2）；在外表面的正迎风区和侧迎风区形成了明显的风压梯度，风压系数由＋0.4变为－1.2；处于背风面的内表面为负压区，负压数据并不大.

5）对比四个典型风向角的风压系数图可知：风帆建筑的最大正压区出现在45°风向的内表面，最大风压系数约为0.8，此时的内表面处于兜风状态；风帆建筑的最大负压出现在135°的内表面近陡坡边缘侧，此时在该位置（锋利边缘）发生了强烈的流动分离，最大负风压系数约为－1.5；风帆建筑在45°和225°风向角下受到“前压后吸”的风压作用，整体结构受风较大，为抗风不利的风向，相比而言，45°风向角比225°风向角更为不利.

3 典型风向下风帆建筑的脉动风压

图6 典型风帆建筑各风向角下风压系数的脉动均方根Fig.6 Fluctuating wind pressure coefficients of the sail in different wind directions

图6给出了45°，135°，225°和315°风向角下风帆建筑风压系数的均方根.由图可知，侧风区的风压脉动较大，主要是由于该位置发生显著的流动分离；背风区的风压脉动较小，主要是由于背风区为尾流区域.对比图5和图6可以发现：风压系数脉动均方根的分布规律与平均风压系数的分布规律比较接近，通常平均风压系数较大的位置，脉动均方根也较大.

4 风帆建筑表面各测点的极值风压

极值风压是围护结构设计时的重要参考依据，风帆建筑的极值正风压系数如图7所示.由图可知，风帆建筑的极值正风压系数并不大，正风压区主要出现在内表面，该区域为风帆建筑的“圆弧形凹面”，在45°风向附近产生明显的兜风效应.

图7 风帆建筑各测点的极值正风压系数Fig.7 Peak positive wind pressure coefficients of the sail

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.

图8 风帆建筑各测点的极值负风压系数Fig.8 Peak negative wind pressure coefficients of the sail

表1 最不利抗风区域的极值负风压系数Tab.1 Negative peak wind pressure coefficients on most unfavorable wind－resistant zone

图9 风帆建筑最不利风向角Fig.9 Most unfavorable wind direction of the sail

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.

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