高低双干煤棚风荷载特性试验研究

张 渊， 刘小兵， 吴晓龙

(1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043;2.石家庄铁道大学 风工程研究中心，河北 石家庄 050043;3.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，河北 石家庄 050043)

干煤棚在煤料场应用广泛，因其跨度大、净空高、结构轻柔，所以对风荷载较为敏感[1]。对于干煤棚的风荷载特性，已有很多学者进行了研究。叶孟洋等[2]通过风洞试验的方法得到了不同风向角下单个干煤棚的分块体型系数以及不同风场下典型测点的体型系数随风向角的变化规律。齐月芹等[3]针对单个干煤棚通过风洞试验的方法研究了不同测点体型系数的变化规律，并给出了设计建议。李玉学等[4]通过风洞试验的方法研究了不同风向角单个干煤棚的平均、脉动风压特性、脉动风荷载谱以及测点间脉动风荷载的相关性。对于2个煤棚相互干扰方面，也有一些学者进行了研究，王鑫[5]研究了2个相邻等高干煤棚的风荷载，发现干扰结构的遮挡效应能减小试验结构受到的风荷载作用与结构沿横轴方向的位移响应。黄鹏等[6]针对2个等高干煤棚的风荷载进行研究，结果表明，150°风向角是有干扰情况下最不利风向。周晅毅等[7]研究了不同风向角时，2个等高干煤棚在外界干扰及不同风场影响下干扰效应的变化规律。 从以上文献可以看到，对于干煤棚的研究，目前主要是针对单个干煤棚的风荷载特性进行的。对于2个干煤棚的研究主要集中在2个等高干煤棚风荷载特性相互干扰方面。然而，高低不同双干煤棚的结构形式在实际工程中时有出现，因两煤棚高度不同，从而导致风荷载更加复杂。但对于2个高低不同的干煤棚风荷载特性鲜有研究，为了确保结构抗风安全，十分有必要研究高低双干煤棚的风荷载特性。本文以某实际高低双干煤棚为研究对象，通过刚性模型测压风洞试验的方法研究了不同风向角下风荷载的变化规律。

1 风洞试验设计

1.1 工程概况

如图1所示，某实际工程中2个煤棚采用两连跨方案，跨度分别为170 m和136 m，纵向长度均为820 m，高度分别为54.078 m和44.060 m，高煤棚采用预应力管桁架结构，低煤棚采用双层网壳结构，中间连接采用6 m钢筋混凝土的排架柱结构。高煤棚一侧存在一些附属干扰结构。高煤棚的顶部设有4个通风天窗，低煤棚的顶部设有12个通风天窗。

图1 双煤棚的剖面图和平面图(单位：mm)

1.2 试验简介

本试验是在石家庄铁道大学风洞试验室的低速试验段进行，低速段长24 m，宽4 m，高3 m，存在转盘，通过转动转盘改变来流的风向角，低速试验段最大风速约30 m/s。

根据实际工程所在位置，依据《建筑结构荷载规范》[8]，采用A类地貌粗糙度类别风场。用尖劈、粗糙元和格栅被动模拟方法模拟了项目所在地的地表粗糙度特性。地面粗糙度模拟装置照片如图2所示。图3为采用图2地面粗糙度模拟装置得到的平均风速剖面和顺风向湍流度剖面。可以看出，试验模拟得到的风速剖面与我国《建筑结构荷载规范》规定的理论风剖面吻合较好。

图2 地面粗糙度模拟装置照片

图3 试验平均风速剖面和湍流度剖面

模型采用ABS板制作而成，模型缩尺比为1∶250。2个干煤棚共在1 221个位置布置了测压点，由于模型内外表面均存在风压，所以在模型内外表面均设置测压孔，测点总数共2 442个。干煤棚顶部两端风压变化复杂，在顶部两端测点进行了加密。为简明了解体型系数的变化，将模型体型系数进行分块，2个干煤棚共分为72块，每个干煤棚36块。测点布置及分块情况如图4所示。

图4 测点布置及分块

模型布置在低速试验段转盘的中间位置，0°风向角为来流垂直于干煤棚的纵轴线，0°风向角时，高干煤棚在上游，低干煤棚在下游。模型布置照片如图5所示。风向角定义如图6所示。试验共测试了13个风向角，从0°到180°每15°一个风向角。由于模型基本对称，以下重点讨论和对比0°和180°风向角，以及45°和135°风向角时高低双煤棚的风荷载特性。

图5 风洞试验照片

图6 模型布置及风向角定义

图7 0°风向角下结构净压体型系数云图

2 试验结果与分析

2.1 0°和180°风向角时体型系数

图7为0°风向角下结构净压体型系数云图。高干煤棚和低干煤棚从整体来看体型系数沿纵轴方向变化规律基本一致。

高干煤棚迎风面底部区域，体型系数为正值，且随着高度增加体型系数的值减小。到达一定高度时，气流发生分离形成漩涡，在顶部形成负压，体型系数为负值。这与文献[4]中单个干煤棚迎风面平均风压系数的变化规律相似。由于天窗的存在，体型系数在靠近天窗迎风部分为较小的正值，靠近天窗背风部分为绝对值较大的负值。高干煤棚背风面体型系数为负值且随着高度的降低，体型系数的绝对值逐渐减小，并且在靠近钢筋混凝土排架柱附近出现正压。

低干煤棚由于受到高干煤棚的干扰，迎风面体型系数仅在垂直高干煤棚两天窗中间位置出现正值，这可能是由于高干煤棚两天窗之间产生间隙流，风速增大引起的。低干煤棚天窗迎风面附近体型系数为正值，天窗背风面附近体型系数为负值。低干煤棚背风面顶部体型系数为负值，且随高度的降低，体型系数的绝对值减小。背风面底部由于气流的再附着，体型系数为正值。

图8 180°风向角下结构净压体型系数云图

图8为180°风向角下结构净压体型系数云图。高干煤棚和低干煤棚从整体来看体型系数沿纵轴方向变化规律基本一致。

低干煤棚迎风面底部区域体型系数为正值，随高度的增加体型系数逐渐减小，到达一定高度体型系数为负值。体型系数在天窗迎风面附近出现正值，天窗背风面附近出现绝对值很大的负值。在背风面体型系数为负值，且随高度的降低，体型系数的绝对值逐渐减小，在靠近混凝土排架柱附近体型系数为正值。

高煤棚除垂直于低煤棚两天窗间隙位置和靠近混凝土排架柱附近的区域外体型系数均为负值。在干煤棚天窗背风面附近区域体型系数绝对值最大，且沿高度降低，体型系数绝对值逐渐减小。

图9、图10为0°风向角和180°风向角时结构分块体型系数。分块体型系数的定义为

(1)

式中,Ai为测点i对应的面积；A为分块的总面积；μsi为测点体型系数。

图9 0°风向角下结构分块体型系数

图10 180°风向角下结构分块体型系数

对比两图可以发现，无论是0°风向角还是180°风向角，高干煤棚和低干煤棚体型系数极值均出现在顶部天窗背风面附近，且均为负值。最大正压出现在迎风面。

0°风向角时，高干煤棚处于上游，由于遮挡作用，低干煤棚较180°风向角时最大负体型系数的绝对值减小，并且在低干煤棚背风面的底部附近出现正体型系数。180°风向角时，低干煤棚处于上游，高干煤棚迎风面的下部受到遮挡作用，较0°风向角时负体型系数的绝对值减小，背风面的体型系数绝对值增加且均为负值。干煤棚处于下游时，无论是高干煤棚还是低干煤棚均会受到上游干煤棚的遮挡，使迎风面下部风荷载降低，这与文献[5]和[6]类似。但当高干煤棚处于下游时，高干煤棚迎风面上部体型系数的绝对值较处于上游时略有增加，这与文献[6]不同。

2.2 45°和135°风向角时体型系数

图11 45°风向角下结构净压体型系数云图

图11为45°风向角时结构净压体型系数云图。高干煤棚北侧底部区域体型系数为正值，靠近西侧角部的体型系数的值较大，其余等高线呈水平分布，且随高度的增加体型系数逐渐减小。可以看出在西侧山墙与干煤棚顶部交接处气流发生分离，干煤棚顶部西侧区域出现很大的负压，体型系数为负，且沿纵轴线方向，顶部其他区域体型系数变化不大。由于受到顶部天窗的影响，天窗北侧区域体型系数的绝对值减小，天窗南侧区域体型系数的绝对值增大。高干煤棚靠近钢筋混凝土排架柱区域的体型系数为正值，在气流分离点附近体型系数为负值，后由西向东出现一个较大的正值区域，之后体型系数为较小的正值。

低干煤棚由于受到高干煤棚天窗部分的影响，西北侧区域出现部分很大的正体型系数，但东北侧区域影响不明显。低干煤棚南侧区域，靠近西侧山墙部分发生气流的分离，体型系数为绝对值较大的负值，由西向东体型系数的绝对值逐渐减小，后体型系数出现正值。低干煤棚天窗位置处体型系数绝对值出现增大的情况，且由西向东天窗的干扰影响逐渐不明显。

图12 135°风向角下结构净压体型系数云图

图12为135°风向角时结构净压体型系数云图。低干煤棚南侧底部区域为迎风面，体型系数为正值，且西南角体型系数最大，沿纵轴方向体型系数逐渐减小。南侧底部区域随着高度的增加体型系数逐渐减小，到达一定高度时，气流发生分离，体型系数为负值。低干煤棚气流在西侧山墙与干煤棚顶部交接处发生分离，顶部西侧体型系数为绝对值较大的负值，其余区域体型系数绝对值较小。低干煤棚天窗西南侧出现体型系数较小的正值，天窗东北侧负体型系数的绝对值明显增大。靠近钢筋混凝土排架柱附近西侧底部区域，由西向东先出现负的体型系数，后出现正的体型系数。

高干煤棚靠近钢筋混凝土排架柱附近西侧的体型系数由西向东先出现负的体型系数，后出现正的体型系数，这与低干煤棚的变化规律相似。高干煤棚顶部西侧区域气流发生分离，体型系数为绝对值较大的负值，其余区域体型系数的绝对值较小。由于受到低干煤棚的影响，高干煤棚天窗南侧区域负体型系数的绝对值虽稍有降低但仍为负值，天窗北侧区域为绝对值较大的负体型系数。高干煤棚北侧底部区域体型系数均为负值，且由西向东体型系数的绝对值逐渐减小。

图13和图14分别为45°和135°风向角时结构分块体型系数。对比两图可以发现，无论是45°还是135°风向角，高干煤棚和低干煤棚负体型系数的最大值均出现在顶部西侧。高干煤棚和低干煤棚靠近钢筋混凝土排架柱的区域，体型系数均在两端为负值中间位置为正值。

图13 45°风向角下结构分块体型系数

图14 135°风向角下结构分块体型系数

45°风向角时，高干煤棚处于上游，低干煤棚由于受到高干煤棚的影响，体型系数的绝对值较135°风向角时减小。135°风向角时，低干煤棚处于上游，高干煤棚最大负体型系数的绝对值较45°风向角时增大，且高干煤棚天窗附近的体型系数绝对值也增大。

3 结论

(1)无论来流风与干煤棚跨度方向平行还是45°斜交，高干煤棚处于上游时顶部风吸力均比处于下游时顶部风吸力小。低干煤棚处于上游时顶部风吸力均比处于下游时顶部风吸力大。

(2)当来流风与干煤棚跨度方向平行时，无论是高干煤棚还是低干煤棚，顶部风吸力沿纵轴线方向基本不变。当来流风与干煤棚跨度方向45°斜交时，高干煤棚无论处于上游还是下游，顶部风吸力除端部外沿纵轴线方向变化均不明显；低干煤棚处于上游时，顶部风吸力除端部外沿纵轴线方向变化不明显，但低干煤棚处于下游时，顶部风吸力沿纵轴线方向由西向东逐渐减小。