双曲型塔柱大跨凸面悬挑结构风荷载特性研究

2015-04-26赵善博马文勇刘小兵刘庆宽

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2015年4期

陆煜，赵善博，马文勇，2，刘小兵，2，刘庆宽，2

（1.石家庄铁道大学风工程研究中心，河北石家庄 050043；2.河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，河北石家庄 050043）

0 引言

随着经济的发展和科技的进步，各种造型独特、结构新颖的大跨屋盖空间结构相继建成。这类结构大都具有跨度大、质量轻、柔性大、阻尼小等特性，属于典型的风敏感结构。学者们已对部分大跨屋盖悬挑结构、圆拱形悬挑结构及复杂外形结构等进行了研究［1－7］，但针对双曲型塔柱大跨凸面悬挑结构的研究仍十分有限。

结合某公园景观大型结构海之泉项目，对双曲型塔柱大跨凸面悬挑结构的风荷载特性进行了研究。该结构分为A、B两座钢结构，其中海之泉A高度约32.0m，平面投影轮廓直径约79.0m；海之泉B高度约42.0m，平面投影轮廓直径约85.6 m，如图1所示。相对传统景观建筑而言，该结构尺寸较大、形状特殊，悬挑部分为具有凸起的弧面，下部结构为中空塔柱形结构，结构的风荷载特性无法依据以往经验及现有规范进行准确分析。结合风洞试验结果，研究了该结构的风荷载分布规律，为类似结构的抗风设计提供了一定参考。

图1 海之泉结构示意图（单位：m）

1 试验概况

1.1 试验模型

该风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心风洞实验室低速试验段内进行。该风洞是一座串联双试验段回／直流大型多功能边界层风洞，低速试验段宽4.4 m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30.0m／s，风速连续可调，本次试验风速采用16 m／s。

试验模型（如图2）主要采用有机玻璃和ABS板两种材料制成，模型缩尺比为1∶125，模型表面共布置840个测点。其中，模型A共布置测点192对，内外表面各192个；模型B共布置测点228对，内外表面各228个。采用内外点同步测压的方式，采样频率为312.5 Hz。为研究方便，以悬挑结构外缘所在水平面为界，将结构分为上、下两部分，以海之泉A为例，剖面示意图如图3。测点布置如图4所示。

图2 风洞试验模型示意图

图3 海之泉A模型剖面示意图

图4 海之泉模型测点布置图

1.2 试验工况和风场模拟

定义风由北向南为0°风向角，风向角按逆时针方向增加，间隔10°为一个风向角，共36个风向角，图5为模型方位与试验风向角示意图。

海之泉项目所在地地貌类型为B类，试验时采用尖劈和粗糙元等用被动模拟的方法进行模拟。

图5 模型方位与试验风向角

2 数据处理方法

采用无量纲风压系数来描述结构表面的风压

式中，Cpi为i点的风压系数；Pi为测点i的压力；¯Ps为参考点静压平均值；¯Pt，h为参考高度h处总压；ρ为空气密度；¯Vh为参考高度h处的平均风速。为方便使用，参考点高度取h＝10m，下文分别采用¯Cpi和＾Cpi表示Cpi的均值和均方根值，分别称为平均风压系数和脉动风压系数。

当结构上下表面或者内外表面同步测压时，定义测点净压系数

式中，Cpni为i点位置的净压系数；Cpei和Cpii为i点位置的外部测点和内部测点的风压系数。¯Cpni和＾Cpni表示Cpni的均值和均方根值，称为平均净压系数和脉动净压系数。

体型系数可由测点的平均风压系数（或者平均净压系数）计算得到

式中，μi（μni）称为测点i处的体型系数；Zi为测点i所处的高度；α为地貌粗糙度指数，B类地貌α取0.16［5］。同理可得外压体型系数和内压体型系数。

3 试验结果分析

3.1 上部悬挑结构的风荷载分离区

两结构具有相似的外形，以海之泉A为例进行研究。为了有效地研究具有凸面外形的大跨悬挑结构的风荷载特性，在模型上表面选取0°风向角下与来流平行的轴线处的12个测点（沿来流方向分别记为1～12号）作为特征观察点，按所处位置将其分为2组，图5（a）和图5（b）分别给出了所选特征点的体型系数。

图6 特征点体型系数图

从图6（a）中可以看出，凸面悬挑结构迎风向测点1、2号的体型系数为正值，而3～6号测点的体型系数为负，可以判断结构该方向的气流分离点位于2、3号测点之间，而结构关于中心对称，因此该凸面悬挑结构的外部分离区域为如图7（a）所示的阴影区域，界限在2、3号测点所夹圆环区域内。从图6（b）中可以看出，凸面悬挑结构迎风向测点7号的体型系数为正值，而8～12号测点的体型系数为负，可以判断结构该方向的气流分离点位于7、8号测点之间，因此凸面悬挑结构的内部分离区域为如图7（b）所示的阴影区域，界限在7、8号测点所夹圆环区域内。

图7 海之泉A悬挑结构分离区范围图

以上分析表明，上部大跨悬挑结构的正压区主要集中在结构外沿以及空心处内沿部分，其余部分基本为负压区。

3.2 下部塔柱结构体型系数分布

海之泉的下部结构为中空塔柱形结构，属于典型的空间薄壁结构，其自身对风的作用十分敏感。结合上部大跨凸面悬挑结构的影响，结构整体受到风荷载的影响会更加明显，因此对海之泉下部结构的风荷载特性进行研究是十分有必要的。

结构的外压体型系数和内压体型系数可分别由布置在结构外壁和内壁上的测点得到的风压系数经公式（3）求得。图8为0°风向角下海之泉A下部结构不同高度处周向测点的体型系数分布图。图中横轴刻度表示周向测点的方位角，定义正迎风向测点角度为0°。图中C1～C4依次为由高向低交错排列的海之泉A下部结构周向测点，每一周有12个测点组成，参见图4（c）。

图8 下部结构不同高度处周向测点体型系数分布

由图8可知：（1）结构内压体型系数均为负值，即表现为吸力；（2）正迎风面测点（0°方位角）外压体型系数较大，两侧各约30°范围内外压体型系数为正，60°附近及背风侧测点体型系数为负，且趋于稳定；（3）结构迎风侧所承受的风荷载作用大于具有相似外形的封闭结构，而背风侧由于结构内侧负压的存在使得其所承受的风荷载绝对值小于具有相似外形的封闭结构。