基于风洞试验的杭州西站风致干扰效应研究

李 庆

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

随着我国高速铁路网的建设与不断完善，各地对火车站的建设需求也越来越大，全国各地已建、在建和规划建设的现代化大型火车站越来越多。由于该结构对空间需求较大，往往采用大跨度屋盖结构形式，风荷载为该类结构设计的控制性荷载。考虑到大跨度火车站结构形式特殊，风洞试验方法是进行结构抗风设计的必要手段［1－5］。一般来说，考虑城市布局与发展，火车站往往建设在远离大城市中心的地方，其周边环境较为空旷，高层、超高层建筑较少。在进行该类结构抗风设计时，往往较少考虑周边高层建筑对其的干扰效应。然而，由于火车站建设带来的辐射效应，可显著提高当地的经济发展水平，周边高层与超高层建筑的规划与建设越来越多，也越来越高。这些新建的高层、超高层建筑出现，改变了火车站周围的风环境，带来一些不确定因素，因此在项目建设阶段，有必要考虑周边高层建筑对其风荷载的影响。由于结构干扰效应十分复杂，目前，往往研究简单的单个或者两个高层建筑对大跨度屋盖结构的干扰效应［6］，这些并不能完全反映其实际干扰情况。程红秋［7］、方江生［8］等通过风洞试验分析高层建筑对科技交流中心与体育场馆等大跨度屋盖结构风荷载的干扰效应，并得到一些有用的结论，但这些项目的周边高层建筑亦不复杂。近年来，考虑到大型火车站建设对当地经济的辐射效应，采用综合交通枢纽形式，集铁路运输、城市综合交通、商业于一体进行统一规划建设。

杭州西站交通枢纽工程是国家铁路网中重要的综合性枢纽工程，其总建筑面积为513 420 m2，其中站房综合楼499 920 m2（包括站房99 970 m2、客运服务设施99 650 m2、城市配套设施300 300 m2），铁路配套房屋（动力机房、柴油发电机房）3 200 m2，城市配套房屋10 300 m2，铁路桥梁站台外侧共40.5 m2（不计入建筑面积），公路桥梁20 548 m2（不计入建筑面积），如图1所示，杭州西站周边存在大量的高层建筑群。这种综合交通枢纽的整体规划使得高层、超高层建筑与火车站的距离更为接近，其干扰效应更为显著，更应引起结构设计人员的重视。

图1 杭州西站综合交通枢纽效果图

本文通过考虑和不考虑周边高层建筑工况下的杭州西站刚性测压模型风洞试验得到了屋盖表面风压时程，在此基础上进行结构静力与动力响应评估。通过比较有无周边建筑工况结果，分析了高层建筑群对杭州西站大跨度屋盖的风荷载分布与风致响应的干扰效应，并得到一些有用的结论［9］。

2 项目简介与风洞试验

杭州西站高架站房主体结构采用混合型钢筋混凝土框架结构体系，屋盖采用桁网结合钢结构体系，柱采用钢管混凝土柱；高架旅服夹层采用钢筋混凝土框架结构，其中与上部屋面支承柱对应的框架柱采用钢管混凝土柱，其余柱采用梁上立钢筋混凝土柱。站房钢屋盖垂轨方向结构单元总长约302 m，柱网尺寸：中间跨度72 m，典型跨度22 m、23.5 m；顺轨方向结构单元总长约272 m，柱网尺寸：中间跨度78 m，典型跨度19 m、38 m。屋盖主体结构采光顶区域采用正交双向平面桁架，有吊顶区域采用斜放四角锥网架，采光顶桁架延伸至支承柱头，形成网架内“暗桁架”连接。

该项目风洞试验在长沙理工大学风工程与风环境研究中心大型边界层风洞实验室直流低风速试验段进行。该试验段宽10 m、高3 m、长21 m，模型几何缩尺比为1∶200，试验分不考虑和考虑周边高层建筑两种工况，如图2所示。试验模拟B类地貌，采样频率331 Hz，采样时长60 s，试验参考点平均风速约8 m／s，参考点高度0.3 m。火车站站房屋盖共设置510个测点，试验时模型固定在转盘上，每隔15°测量一次，一共24个风向角，如图3～图4所示。

图2 刚性测压模型在风洞中照片

图3 平均风剖面与紊流度剖面

图4 测点布置与风向角

3 屋盖风压系数干扰效应分析

各测点平均风压系数和均方根风压系数分别由式（1）、式（2）计算得出：

由于该火车站风洞试验风向角较多，本文以90°和180°两个风向角为例分析屋盖风压系数的干扰效应。图5和图6分别为在有无周边高层建筑情况下屋盖平均风压系数分布图，图7和图8分别为均方根风压系数分布图。

图5 90°风向角屋盖平均风压系数分布

图6 180°风向角屋盖平均风压系数分布

图7 90°风向角屋盖均方根风压系数分布

图8 180°风向角屋盖均方根风压系数分布

由图5～图8可知：（1）不管是有无高层建筑干扰，屋盖的平均风荷载以负压为主，周边群体高层建筑对杭州西站屋盖表面平均风荷载与均方根风荷载的影响显著，不仅改变其风荷载分布特性，也可能增加了局部平均风压值。（2）在90°风向角情况下，周边建筑改变了屋盖表面平均风压分布规律，与无周边建筑情况相比，在有周边建筑情况下，屋盖风压更为离散；其次，不管是在有周边建筑还是无周边建筑情况，其屋盖风荷载在屋盖中轴线上最大（负压绝对值最大），在有周边建筑情况下，其平均风压系数大幅增加，这是由于周边高层建筑形成狭管效应所引起的。（3）在180°风向角情况下，在有无周边建筑情况下，其风荷载分布较为相似；而与无周边建筑情况相比，有周边建筑情况下，屋盖平均风压系数更大（负压绝对值最大）。（4）不管是90°还是180°风向角，周边高层建筑对屋盖均方根风压系数的影响都较大，改变了屋盖上均方根风压分布。总体上，屋盖均方根风压系数增加，在邻近周边高层建筑附近，屋盖均方根风压系数增加值更为显著，这主要是因为周边高层建筑尾流等对脉动风荷载影响较大所致。

4 屋盖风致响应干扰效应分析

在得到结构风荷载信息后，结构风致响应计算方法参考文献［10］。本文分析屋盖结构极值位移响应。对于结构位移风致响应，可分为由平均风作用得到的平均位移响应和由脉动风作用的均方根位移部分，其极值响应计算公式：

式中：Dp、和σ分别为极值位移、平均位移和均方根位移响应；μ为峰因子。

在得到各节点X、Y和Z轴向的平均位移、均方根位移和极值位移后，其合位移计算公式：

在有无周边建筑情况下，各风向角下屋盖各节点平均、均方根和极值合位移的统计最大值如图9～图11所示。

图9 平均合位移比较

图10 均方根合位移比较

图11 极值合位移比较

由图9～图11可知：（1）在有无周边建筑情况下，屋盖平均合位移响应随着风向角变化较为显著，其位移最大值出现在210°风向角情况；在不同风向角情况下，周边高层建筑对屋盖位移响应的干扰不同，可能使得其结构变大或者变小，这说明，不同风向角，周边高层建筑的干扰效应不同，可能使得屋盖表面平均风荷载增大，也可能变小。（2）屋盖均方根合位移随着风向角变化其变化幅度不大，且考虑周边高层建筑对屋盖均方根合位移的干扰，会使得结构响应显著增加，这说明周边高层建筑使得屋盖在各风向角下的动力风荷载显著增加，由于均方根位移响应的增加，结构合位移也由于干扰效应而显著增加［11－12］。

5 结论与分析

本文通过采用刚性测压模型风洞试验方法得到考虑和不考虑杭州西站周边高层建筑群对杭州西站屋盖表面风荷载时程，在此基础上，得到了结构平均风压系数和均方根风压系数的分布规律，并计算得出屋盖平均、均方根和极值合位移响应。与此同时，分析了周边高层建筑群对屋盖平均与动力风荷载分布以及屋盖位移响应的干扰效应，得到一些有用的结论：

（1）杭州西站周边高层建筑群对屋盖平均风荷载的干扰效应十分显著，其可改变平均风荷载分布，在不同风向角情况下，可能增大结构的平均风荷载也可能减小屋盖的平均风荷载；周边高层建筑群对屋盖均方根风荷载的干扰效应亦十分显著，在各个风向角情况下，都增大了屋盖的均方根风荷载，周边建筑也改变了屋盖的动力风荷载分布，特别是在高层建筑附近，其动力风荷载改变较大。

（2）在不同风向角情况下，杭州西站周边高层建筑对屋盖位移响应的干扰不同，可能使得其结构变大或者变小，而周边高层建筑对屋盖均方根合位移的干扰会使得结构响应显著增加，这说明在进行大跨度屋盖抗风设计时，应考虑周边高层建筑的干扰效应，特别是对于当前没有周边高层建筑情况，应注意规划中的高层建筑，在进行抗风设计时，考虑此工况下的风荷载。