上海浦东国际机场卫星厅钢屋面风压分布研究

周亚萍

（上海机场建设指挥部，上海201207）

1 引言

上海浦东国际机场卫星厅是一座超大型大跨屋盖结构，平面东西长约933m，南北宽约960m，由2座相连的卫星厅“S1”和“S2”组成，形成“工”字型的整体构型。卫星厅总建筑面积6.22×105m2，可以提供83座登机桥125个近机位，是全世界单体规模最大的卫星厅。

上海位于台风多发地区，仅2018年，就有“安比”“云雀”和“温比亚”3个台风先后正面登陆上海。而浦东国际机场卫星厅位于上海东部，周边地势开阔，东部面朝海面，受台风影响严重。而该结构高度较低（顶部标高39m），处于剪切风速较大且湍流度高的大气边界层底层，因此，风荷载为其主要控制荷载之一。而浦东国际机场卫星厅为大型异型结构，从现行规范中无法得到可供设计使用的压力系数，目前，国内外大多采用刚性模型测压试验获取相关设计数据[1～3]。

本文通过对浦东国际机场卫星厅结构开展刚性模型测压试验，获取了平均、脉动和极值风压系数，以及规范规定的体型系数。S1和S2卫星厅最上层屋盖均为钢结构屋盖，而钢结构屋面自重较轻，柔性大，阻尼小，结构更易发生大幅风致破坏。限于篇幅，本文侧重分析卫星厅钢结构屋面的风压分布特性。通过分析给出了全风向角下最不利风压发生的区域，并结合上海地区历年风速风向统计资料，给出钢屋面最可能发生风致破坏的区域，对工程设计及结构的后期检修具有一定参考意义。

2 风洞试验介绍

风洞试验在同济大学TJ-3大气边界层风洞中开展，该风洞为竖向回流式低速风洞，试验段长14m，横截面尺寸为2m×15m（高×宽），试验风速范围为 0.2～17.6m/s，连续可调，流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于2%，湍流度小于2%，平均气流偏角小于0.2°。

2.1 试验模型和风向角定义

浦东国际机场卫星厅刚性测压模型采用有机玻璃板和ABS板制成，具有足够的强度和刚度，在试验风速下不发生变形，并且不出现明显的振动现象，以保证压力测量的精度。考虑实际建筑物和周边建筑情况，选择模型的几何缩尺比为1∶250，试验模型与实际结构保持几何相似。试验时，将测试模型放置在转盘中心，通过旋转转盘模拟不同风向，图1为安装在风洞内的试验模型。

定义风从西北偏北方向吹向模型时为0°风向角，风向角按顺时针方向增加。试验风向角间隔取为15°，共24个试验工况，方位及风向角定义如图2所示。

在刚体模型上布置了1495个测点，分块编号为1～24，其中，S1、S2钢屋面挑檐上均为双面测点，其最后结果为外、内双面压力的净风压。图3给出了S1、S2钢屋面测点布置图。

图1 放置在风洞中的刚性试验模型

图2 钢屋盖位置示意 图及风向角定义

图3 钢屋面测点布置图

2.2 边界层风场模拟

根据浦东国际机场卫星厅项目数公里范围内的建筑环境，确定本试验的大气边界层流场模拟为A类地貌风场（A类风场定义见我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[4]）。试验中采用被动风场模拟技术，利用尖塔和粗糙元等产生湍流，模拟得到了A类风场。大气边界层模拟风场风速采用丹麦DANTEC公司的streamline热线/热膜风速仪测量。图4给出了平均风速和顺风向湍流剖面。由图可知，模拟边界层流场风剖面与A类规范风场（风剖面指数，α=0.12）吻合得非常好；湍流剖面整体与规范值吻合较好，150m以下湍流强度略高于规范值。图5给出了模拟边界层风场中模型顶部高度处脉动风速谱，并与常用的经验谱进行了比较，包括Davenport谱、Karman谱和Kaimal谱。由图5可知，高频部分谱值与Davenport谱吻合较好。低频部分谱能量低于3种经验谱，这主要是受风洞尺寸和现有湍流模拟技术的限制，导致大尺度湍流不足。目前，在不增大模型缩尺比的情况下，还没有比较好的办法解决。但是，一般认为在湍流积分尺度不小于实际湍流积分尺度1/2的情况下，对局部风压影响较小。

图4 风剖面和湍流剖面

图5 建筑顶部高度处脉动 风功率谱

2.3 参数设置及数据处理

风洞测压试验的参考点风速为12.0m/s，对应50年重现期基本风速的风速比为1∶1.42。压力测量和数据采集使用美国Scanivalue扫描阀公司的DSM3400电子式压力扫描阀系统。测压信号采样频率为312.5Hz，每个测压孔采样样本总长度为6000个数据，采样时长约为19.2s，根据相似比，对应于实际采样时间约为1145s（50年重现期）。为消除风压信号经过测压系统后的畸变影响，利用测压管路系统的传递函数对试验采集的风压数据进行了修正。

本文中的风压系数以梯度风高度处的动压为参考，由式（1）计算得到：

式中，Cpi为i测点处参考梯度风高度处动压的风压系数；Pi为作用在测点i处的压力；P0和P∞为试验时参考高度处的总压和静压，由放置在参考高度处的皮托管测得；S为将风洞测得的风压系数换算得到以梯度风高度处动压为参考风压的换算因子，对于 A 类风场S=（1×100/300）0.24=0.7682。

根据测得的各测点风压系数时程可得到统计量平均风压系数（Cpmean）和脉动风压系数（Cprms）。通过平均风压系数和脉动风压系数可计算得到用于围护结构设计使用的极值风压系数（极大值风压系数和极小值风压系数）：

式中，g为峰值因子，一般取2.5～4，本文取g=3.5。

GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》定义的体型系数μsi可由各测点平均风压系数转换得到：

式中，Cpmean，i为测点处平均风压系数；zG为A类风场梯度风高度；z为测点i处高度；α为风剖面指数。

3 结果分析

3.1 风压分布

图6～图8给出了全风向下体型系数、平均风压系数和极小风压系数最小值。由图可知：

1）由于卫星厅为对称结构，在不考虑周边建筑影响的情况下，S1和S2钢屋面全风向下风压系数最小值大致呈对称分布，与预想的结果一致，一定程度上说明了测量结果的可靠性；

2）S1、S2钢屋盖上表面风压及挑檐处的净风压主要呈现为负压（即升力）；钢屋盖上各测点体型系数全风向下最小值在-1.8～-0.2，平均风压系数全风向下最小值在-1.0～-0.2，极小值风压系数全风向下最小值在-1.8～-0.2；

3）虽然S1和S2钢屋面标高不同（S1钢屋面顶部标高39m，S2钢屋面顶部标高34m），但平均风压系数和极值风压系数没有明显不同，表明对该建筑而言，S1和S2钢屋面的结构高度不同对屋面风压结果没有显著影响；

4）最不利风压出现在钢屋盖挑檐区域，体型系数大部分在-1.8～-1.2，且等压线分布密集，表明风压变化梯度较大。这一方面是由于，当挑檐迎风时，钢屋面挑檐上表面迎风前缘气流分离距离，会在上表面产生较强的负压；另一方面，当挑檐迎风时，挑檐下表面为正压（升力），会与上表面吸力叠加。在结构设计及后期检修时需特别注意挑檐区域；

5）钢屋面中部区域风压同样受负压控制，但风压相对较小，体型系数为-1.0～-0.2。另外，屋面中部区域风压梯度变化不大。这主要是由于钢屋面坡度较小且走势平缓。

图6 全风向下最小体型系数

图7 全风向下最小平均风压系数

3.2 体型系数随风向变化规律

图9给出了S1钢屋面挑檐边缘区域典型测点19-1～19-18的体型系数随风向角的变化规律。由图可知，体型系数随风向的变化而变化。在所有风向下，图中所给测点体型系数几乎全部呈现负值，当风向角在90°～180°（东南风）之间时，体型系数绝对值最大。图9同时给出了上海市历年风向风速玫瑰图，图中实线为风向概率，虚线为风速大小。由图可知，东南风为流行风向，且该风向风速一般较大。而这恰好与S1钢屋面下翼缘测点19-1～19-18的最不利风向角一致。可见，S1钢屋面下翼缘挑檐区域为最易发生风致破坏的地方，检修时需特别关注。

图8 全风向下最小极值风压系数

图9 典型测点体型系数随风向角变化规律

4 结语

本文基于浦东国际机场卫星厅1∶250刚性模型测压试验，讨论了S1、S2钢结构屋面体型系数、平均风压系数和极值风压系数分布规律，发现最不利风压出现在钢结构屋面挑檐区域，需引起设计人员的注意。另外，本文还讨论了挑檐区域典型测点体型系数随风向角的变化规律。结合上海历年风速风向玫瑰图，发现S1钢屋面下翼缘南面挑檐区域为最易发生风致破坏的区域，检修时需特别注意。