不同外部平台宽度对大跨建筑屋盖风荷载的影响

李正农，陈 策

( 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082)



不同外部平台宽度对大跨建筑屋盖风荷载的影响

李正农†，陈 策

( 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082)

为了研究外部平台宽度对大跨屋盖风荷载的影响，在B类地貌中对无平台和5个典型平台宽度下的刚性模型进行风洞测压试验，得到了各工况下的屋盖表面平均风压系数和脉动风压系数.研究表明：外部平台增大了大跨结构屋盖的平均风荷载.随着平台宽度的增大，屋盖的平均风荷载先增大后减小.平台宽度12 m时最不利，其最大增幅达到33%.平台宽度20 m时增幅达到20%；外部平台增大了大跨结构屋盖的脉动风荷载，平台宽度12 m时最不利，其增幅达到11%.平台宽度20 m时，增幅为8%，其余平台宽度下的增幅基本在5%以内.屋盖背风面边缘的脉动风荷载随着平台宽度的增加而减小，平台宽度20 m时可达19%.

大跨建筑；外部平台；刚性模型；脉动风荷载；风洞试验

随着社会经济和技术的发展，大跨结构被广泛应用于展览馆、体育馆和机场候机厅等大型公共建筑.这些大跨结构大都具有自重轻、柔度大、自振频率低的特点, 风荷载是其结构设计的主要控制荷载.

在以往的研究当中，文献[1-3]对某些具有特定外形的屋面进行了研究，分析了屋面几何形状对屋面风压分布的影响.文献[4-6]对大跨建筑的悬挑结构这一特殊结构形式进行了风荷载研究，得到了一些有意义的结论.文献[7]分析了周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应.文献[8]应用风洞模拟方法研究了透风性女儿墙对尖屋顶风荷载的影响，得出了各种透风性女儿墙都能不同程度地降低尖屋顶的平均风压和负压峰值的结论.文献[9]采用有限元时程分析方法对大跨网架进行了动力计算，探讨了立墙开孔对屋盖风振响应的影响，结果表明墙面开孔会大幅增加屋盖的静动力风荷载.文献[10]则通过对一个开合屋盖体育场的刚性模型进行风洞试验研究，结果表明活动屋盖的开启，可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载.文献[11]对7种长宽比矩形截面高层建筑的风荷载进行研究，对比分析了不同情况下高层建筑的层体型系数与建筑长宽比的相关规律．文献[12-13]通过风洞测压实验，研究了风场类型及周边干扰对高层建筑风荷载的影响，研究结果表明：周边干扰对高层建筑风荷载的影响不仅与周边建筑的相对位置有关，还与建筑所处的风场类型有关．

近几年来，外部平台被越来越多地采用到大跨建筑设计中，它具有联系各主要场馆、人员分流疏散，和良好的建筑景观效果等优点.外部平台对于大跨建筑屋盖风荷载影响如何，以往的研究还鲜有这个方面的结论.本文以设置外部平台的大跨体育馆为研究对象，研究外部平台的宽度对于屋盖平均风压系数、脉动风压系数的影响，取得了一些有工程参考意义的成果.

1 风洞试验简介

1.1 试验概况

大跨建筑最大高度30 m，屋盖平面投影近视为圆形，直径136 m.外部平台为圆环形，设置在体育馆外部6 m高度处(体育馆二层楼面高度)，平台由立柱支撑.平台宽度选取4 m,8 m,12 m,16 m，20 m 5个典型宽度.试验模型按照1∶200的缩尺比制作，风洞试验模型如图1所示.在模型的屋盖表面共布置133个测点，具体测点布置见图2.定义正西方向来流为0°风向角.由于大跨建筑的对称性，本文仅对0°风向角进行分析.

1.2 风场模拟

试验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室HD-3风洞进行.HD-3风洞为闭口回流式风洞，模型试验区横截面宽3 m，高2.5 m，转盘直径1.8 m.地貌类型按照B类地貌考虑，按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009 2012)取糙度系数α=0.15，几何缩尺比为1∶200，试验风速为10 m/s.B类地貌的风剖面和湍流度剖面，如图3所示.

图1 风洞试验模型图Fig.1 The wind tunnel test model

(a) 测点布置俯视图

(b)测点布置剖面图图2 风洞试验测点布置Fig.2 The measuring point arrangement

1.3 试验数据处理

在结构风工程中，物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，测点的净风压系数CPi(t)：

(1)

风速U/(m·s-1)图3 B类风场风剖面及湍流度Fig.3 The wind profile and turbulence intensity of terrain category B

对于每个测点，均记录了10 000个Pi的数据.通过对CPi(t)的分析，可得到各测点的平均风压系数CPi,mean和脉动风压系数CPi,rms.

(2)

(3)

2 平均风压和脉动风压特性

由于结构的对称性，仅在0°风向角下取屋盖半结构进行分析.为了更好地研究外部平台宽度对大跨屋盖风压的影响，本文选取了屋盖边缘的测点F层，中部测点D层，中部测点B层的风压系数进行分析.由于屋盖边缘的特殊构造形式，本文对F层测点的奇数偶数测点分开研究.

2.1 平均风压系数

图4为无平台和3种平台宽度下屋盖F，D和B层测点的平均风压系数.表1给出了无平台和5种平台宽度下局部测点的平均风压系数.由图4和表1可知：

1) B层和D层测点的平均风压系数分别在-0.25～ -0.3，-0.3～ -0.4范围内，相对于F层测点的更为平稳.有外部平台时，B层和D层测点的平均风压系数绝对值有一定的增大，增幅基本处于10%以内.

2)0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面，平均风压系数为负.由于屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造，F1～F17奇数测点和F2～F18偶数测点的平均风压系数分布规律不一致.F1～F17奇数测点的平均风压系数绝对值在F1点最大，随着气流流动的方向逐渐减小；F2～F18偶数测点的平均风压系数绝对值在F10点突变到最大值.

表1 不同平台宽度下几个测点的平均风压系数Tab.1 Mean wind pressure coefficient of several measuring points with different width of platform

就平台而言，F1～F17奇数测点的平均风压系数绝对值随着平台宽度的增加先增大后减小，平台宽度12 m时增幅最大，达到33%，平台宽度20 m时增幅为20%；F2～F18偶数测点仅在F2～F8测点处满足平均风压系数绝对值随平台宽度增加先增后减的规律，但在F10测点的平均风压系数绝对值不仅没有增大，而且在平台宽度4 m时有7%的减小.产生这种现象的原因是外部平台使得来流向建筑物顶面的绕流增强，气流在屋盖迎风面边缘的流体分离加剧.同时，屋盖边缘的凹凸起伏造型对气流的运动也产生显著影响.

图4 不同平台宽度下屋盖平均风压系数对比Fig.4 Changes of mean wind pressure coefficient with different width of platform

3)0°风向角作用下，F19～F36测点位于背风面.F20～F36偶数测点的平均风压系数绝对值随着气流流动的方向逐渐减小；F19～F35奇数测点的变化趋势却相反.

就平台而言，奇数测点在F19～F23处的平均风压系数绝对值不同程度的增大，平台宽度12 m时增幅最大，达到29%，平台宽度20 m时增幅为24%；F29～F35测点处的平均风压系数绝对值在不同宽度平台时有增大也有减小，但增减的幅度均在10%以内.偶数测点的平均风压系数绝对值不同程度地减小了.随着平台宽度的增加，偶数测点的平均风压系数绝对值先减小后增大，平台宽度12 m时减幅最大，达到19%，平台宽度20 m时减幅为15%；产生这种现象的原因是外部平台使得建筑物背后的回旋尾流沿建筑物表面向上的流动受到阻碍，气流在屋盖背风面边缘的流体分离减弱.同时，屋盖边缘的凹凸起伏造型对气流的运动产生显著影响.

从总体上看，外部平台增大了大跨结构屋盖的平均风荷载.随着平台宽度的增大，屋盖的平均风荷载先增大后减小.平台宽度12 m时最不利，其最大增幅达到33%.平台宽度20 m时为20%.

2.2 脉动风压系数

图5为无平台和3种平台宽度下屋盖F，D和B层测点的脉动风压系数.表2给出了无平台和5种平台宽度下局部测点的脉动风压系数.由图5和表2可知：

1)B层和D层测点的脉动风压系数基本处于0.08～0.10范围内，相对平稳.有外部平台时，测点的平均风压系数绝对值不同程度地增大了.平台宽度12 m时增大最明显，增幅约10%.

表2 不同平台宽度下几个测点的脉动风压系数Tab.2 Fluctuating wind pressure coefficient of several measuring points with different width of platform

图5 不同平台宽度下屋盖脉动风压系数对比Fig.5 Changes of fluctuating wind pressure coefficient with different width of platform

2)0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面.奇数测点在F7～F17的脉动风压系数较大，在靠近来流的F1～F5反而比较小，这与平均风压的分布规律不一致.偶数测点的脉动风压分布规律与平均风压的分布规律较一致，脉动风压系数最大值和平均风压系数绝对值最大值出现位置相同.造成这种现象的主要原因是屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造.

2)0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面.奇数测点在F7～F17的脉动风压系数较大，在靠近来流的F1～F5反而比较小，这与平均风压的分布规律不一致.偶数测点的脉动风压分布规律与平均风压的分布规律较一致，脉动风压系数最大值和平均风压系数绝对值最大值出现位置相同.造成这种现象的主要原因是屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造.

就平台而言，平台宽度12 m时，奇数测点F1～F13的脉动风压系数绝对值明显增大，最大增幅为10%，偶数测点仅在F2～F8处的脉动风压系数绝对值增大，最大增幅为9%.其余平台宽度对于脉动风压系数的影响基本在5%以内.

3)0°风向角作用下，F19～F36测点位于背风面.F22～F36的奇数测点和偶数测点的脉动风压系数变化趋势较为一致，它们在数值上也比较接近，均在来流方向上逐渐减小.

外部平台对于奇偶测点脉动风压的影响相同.有外部平台时，F22～F36测点的脉动风压系数绝对值不同程度地减小.其减幅随着平台宽度的增加而增加.平台宽度4 m时减幅最小，为7%；平台宽度20 m时减幅最大，达到19%.

从总体上看，外部平台增大了大跨结构屋盖的脉动风荷载，平台宽度12 m时最不利，其增幅达到11%.平台宽度20 m时，增幅为8%，其余平台宽度下的增幅基本在5%以内.屋盖背风面边缘的脉动风荷载随着平台宽度的增加而减小，平台宽度20 m时可达19%.

3 结 论

本文详细研究了0°风向角下，不同宽度的外部平台对于大跨建筑屋盖平均风压系数和脉动风压系数的影响，得到以下结论：

1) 外部平台增大了大跨结构屋盖的平均风荷载.随着平台宽度的增大，屋盖的平均风荷载先增大后减小.平台宽度12 m时最不利，其最大增幅达到33%.平台宽度20 m时为20%.

2) 外部平台增大了大跨结构屋盖的脉动风荷载，平台宽度12 m时最不利，其增幅达到11%.平台宽度20 m时，增幅为8%，其余平台宽度下的增幅基本在5%以内.屋盖背风面边缘的脉动风荷载随着平台宽度的增加而减小，平台宽度20 m时可达19%.

3) 近几年来，外部平台被越来越多地采用到大跨建筑设计中，相对于无平台的大跨建筑而言，有平台大跨屋盖局部位置所承受的平均风荷载和脉动风荷载有显著增强，这对于结构是不利的，应当引起设计人员的注意.

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Influence of Various External Platform Widths on Wind Loads of Large-span Buildings

LI Zheng-nong†，CHEN Ce

(Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

In order to study the influence of external platform width on wind loads of large-span buildings, wind tunnel tests of six rigid models with various platform widths were carried out. In particular, the characteristics of mean wind pressure coefficient and fluctuating wind pressure coefficient were studied. The test results show that the enlargement of platform widths increases the mean wind loads. The mean wind loads change from small to large and to small again with the increase of platform width. The most unfavorable situation occurs when the platform width is 12 meters, and its growth rate reaches 33%, while its growth rate is 20% when the platform width is 20 meters. Meanwhile, the increase of platform widths increases the fluctuating wind loads. The most unfavorable situation takes place when the platform width is 12 meters, and its growth rate reaches 11%, while its growth rate is 8% when the platform width is 20 meters, and the rate is lower than 5% in other cases. The fluctuating wind loads on the leeward side decrease when the width of platform increases. The maximum decrease reaches 7% when the platform width is 20 meters.

large-span buildings; platform; rigid model; fluctuating wind loads; wind tunnel test

1674-2974(2016)11-0001-06

2015-11-28

国家自然科学基金资助项目(51278190, 51178180, 51478179)，National Natural Science Foundation of China(51278190, 51178180, 51478179)

李正农(1962-)，男，湖北武汉人，湖南大学教授，博士生导师†通讯联系人，E-mail:zhn88@263.net

TU973

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