国家海洋博物馆风洞试验与等效静风荷载研究

近年来，大跨屋盖结构得到了前所未有的发展，被广泛用于各种大型公共建筑中。大跨屋盖结构具有跨度大、自重轻、阻尼小的特点，属典型的风敏感结构。由于其风荷载和风效应的复杂性，近年来国内外学者从风荷载、结构风振响应和抗风设计理论等方面对大跨屋盖结构的抗风设计理论进行了大量研究并已体现在各国风荷载规范中[1～2]。

但上述研究成果具体到工程应用中还存在一些问题，如大跨屋盖风荷载时空特性复杂且受特征湍流影响显著，屋盖结构等效目标众多等问题，导致对于实际大型结构尚未形成成熟的抗风设计方法，一定程度上限制了该类结构的进一步发展。本文以国家海洋博物馆为研究对象，采用刚性模型动态测压试验获得建筑表面的平均及脉动风荷载信息；建立结构有限元模型，应用时程分析方法计算结构风振响应，相当于考虑了所有振型的贡献；在此基础上应用多目标等效静风荷载方法获得了针对多个目标响应的等效静力风荷载分布并将计算结果与实际动力极值响应进行了对比。

1 工程概况

国家海洋博物馆选址于天津市滨海旅游区核心区，规划占地面积15万m2，总建筑面积约8万m2，是我国首座国家级、综合性、公益性的海洋博物馆，建成后将展示海洋自然历史和人文历史，成为重塑中国国家海洋文明价值观的国家级爱国主义教育基地。外立面体型不规则，其风荷载分布依现有资料难以确定；同时，由于该结构跨度较大，风致动力效应突出，现行GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》已经不能提供其设计风荷载。因此，须通过风洞模型试验测量结构表面的风压分布；在此基础上，对结构进行风振响应分析，确定主体结构设计所需的等效静力风荷载。

2 风洞试验

风洞试验在北京交通大学风洞试验室高速试验段内进行，风洞试验模型为刚性模型，采用有机玻璃和ABS板制成，模型具有足够的强度和刚度，能够保证在试验风速下不发生明显的振动现象，以保证压力测量的精度。考虑风洞阻塞率的要求，模型几何缩尺比选为1∶200，见图1。试验模型共设计933个测点，试验风速为12 m/s，试验采样频率为312.5Hz。试验时，模型固定在试验段底壁转盘上，由0°开始逆时针旋转到345°，每隔15°测量一次，共进行24个风向角的测量。试验中通过在迎风向前沿布置尖塔、挡板和粗糙元模拟A类地貌风速剖面。

限于篇幅，图2给出了45°风向角下屋面平均风压系数分布，可以看出，屋盖风压主要表现出风吸力的作用，分布总体上具有与风的来流相垂直的特性且基本呈现平行分布，即在各垂直于来流的截面上风压系数基本接近。各馆屋盖风压存在一定的干扰效应，干扰效应总体上表现为遮挡效应，即位于下游的屋盖平均风压有减小的趋势。各屋面间风压分布相互影响但总体上也呈现出与来流相垂直的特性。

图1 风洞试验

图2 45°风向角下屋面平均风压系数分布

3 风振响应分析

风振分析采用通用有限元软件ANSYS，计算模型见图3。该结构为大跨度钢结构桁架体系，建模中采用Beam188单元模拟钢结构构件，Shel l63单元模拟下部混凝土墙体。

图3 有限元模型

采用时程分析方法进行各场馆典型工况下的风振响应分析，45°风向角下A馆所有节点最大位移分布见图4。可以看出，屋盖中部位移较大，其原因是该位置远离支撑，竖向刚度较弱。45°风向角下最大位移节点的位移时程及功率谱密度见图5。从屋盖最大位移点响应的谱密度曲线中可以看出，响应谱在0.97Hz左右出现明显的峰值，对应于结构第2阶振型。

图4 极值位移分布

图5 最大位移节点的位移时程及功率谱密度

4 多目标等效静风荷载

大跨屋盖结构抗风设计一般采用等效静风荷载，传统的等效静风荷载分析方法，如荷载-响应相关系数法、惯性力法等均是针对某一特定等效目标（如最大节点位移或最大杆件内力）进行求解。对于大跨屋盖结构，由于关心的响应类型众多，存在所谓多等效目标问题，导致传统分析方法并不适用。为解决这一问题，本文引入多目标等效静风荷载分析方法，目的是获得可同时满足多个目标等效的静力风荷载分布，其基本思路是分别建立多目标等效方程组和约束方程组，前者的目的是得到与各等效目标吻合程度最好的数值解，后者的作用是保证等效静风荷载在各节点的合力与建筑表面垂直，避免某些不合理作用模式的出现。多目标等效静风荷载的具体求解方法可参见文献[3～4]。

图6分别给出了45°风向下以结构所有上弦节点竖向位移和所有杆件最大应力为等效目标的静力荷载作用下结构的响应并与时程方法得到的结构动力极值响应进行了对比。可以看出，等效静风荷载作用下结构的位移和内力响应均与实际动力响应分析结果吻合较好，表明本文给出的等效静风荷载可以满足工程设计的要求。

图6 45°风向角等效结果验证

5 结论

1）该类大跨屋盖结构的屋面风荷载受特征湍流影响显著，屋盖风压主要表现出风吸力的作用，分布总体上具有与风的来流相垂直的特性。各馆屋盖风压存在一定的干扰效应，干扰效应总体上表现为遮挡效应，即位于下游的屋盖平均风压有减小的趋势。

2）结合大跨屋盖结构风效应特点引入多目标等效静风荷载分析方法，获得了针对多个等效目标的静力风荷载分布并对等效结果进行了验证，结果表明该方法可以实现以少量静力风荷载分布形式实现所有响应均与动力极值响应等效，从而实现了简化结构抗风设计的目的。

[1]孙 瑛,武 岳,林志兴,等.大跨度平屋盖表面的特征湍流特性研究[J].空气动力学学报,2007,25（3）：319-324.

［2］Uematsu Y,Kuribara O,Yamada M,etal.Wind-induced dynamic behavior and its load estimation of a single-layer latticed dome with a long span[J].Journal of Wind Engineering and Indust rial Aerodynamics,2001,89(14)：1671-1687.

［3］吴 迪,武 岳,张建胜.大跨屋盖结构的多目标等效静风荷载分析方法[J].建筑结构学报,2011,32（4）：17-23.

［4］吴 迪,武 岳,孙 瑛,等.大跨度铁路站房屋盖结构风洞试验与等效静风荷载研究[J].建筑结构学报,2012,33（1）：43-50.