不同风倾角下典型等边角钢静风力风洞试验研究

张庆华　马文勇　杨杰　张彦　周帅伟

摘要： 角钢作为格构式结构的基本组成部分，其风力系数的精度将直接影响结构整体风力系数取值的准确性。通过刚性模型高频动态天平测力风洞试验，测量了随倾角和风向角变化的典型三维等边角钢的静风力。研究表明：倾斜安装角钢的阻力系数、升力系数与垂直安装相比，随风向变化趋势类似，但在某些风向角下数值明显降低;不同风倾角（=30°～50°）时风力系数（，，）随风向变化能够较好地吻合，即风倾角的变化对风力系数值影响不明显。角钢垂直安装时，静力折算高度随风向在（0.4～0.6）倍总高附近变化，角钢对于来流前倾安装后，静力折算高度随风向的波动增大明显;此外，根据试验结果分别给出了角钢垂直安装和倾斜安装情况下角度风荷载系数、升力系数的建议公式，并对相关参数进行了拟合。

关键词： 风洞试验; 等边角钢; 高频动态测力天平; 风力系数; 角度风系数

中图分类号： TU317.1; TU392.1    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0277-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.003

引  言

中国《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中，格构式桁架结构体型系数的确定方法通常有两种：①整体法。对于形状规则的空间结构（如矩形、三角形截面等），把结构作为一个整体，直接给出总体型系数。该方法给出的体型系数考虑了构件间的相互影响，使用方便快捷。②组合法。基于单根角钢阻力系数，组合得到格构式结构整体体型系数，构件间的相互影响通过荷载降低系数（）考慮。组合法多用于多榀平行桁架和外形复杂杆塔体形系数的确定。然而，中国荷载规范GB 50009—2012中，单根角钢风力系数取值简单（+1.30），并未考虑风向等因素的影响，相比现有国内外规范和文献研究结果在多数情况下相对偏小，这将造成组合法得到的结构整体体型系数相对较小。可见，作为格构式结构的基本组成部分，获得准确可靠的单根角钢风力系数值是采用组合法得到合理的整体风力系数的基础，将直接影响桁架整体风力系数取值的准确性。

单根角钢静风力系数的研究开展较早，Wardlaw，Slater，Sachs，Modi等分别给出了单角钢静风力系数随来流风向变化情况，其研究结果被广泛的应用于国外相关荷载规范中（ISO 4354：2009，AIJ，ASCE No.74，AS/NZS1170.2：2011等）。鉴于早期研究仅关注了风向的影响，Prud'homme S等通过试验详细探讨了雷诺数、紊流度、阻塞效应等参数对钢风力系数的影响。上述研究测力试验中，角钢模型均为二维模型（角钢的倾斜角为0°），因而理论模型当中的气动力也是二维的。现实中，角钢在空间的分布是任意的，即风倾角不为零，角钢与来流之间的相对位置是三维空间关系，二维角钢模型获得的气动力并不能准确反映三维角钢的气动力特性。

针对以上问题，本文完成了三维等边角钢模型的刚性模型测力风洞试验，系统地测量了在不同风向角下倾斜角钢模型的风力系数，构建了考虑风倾角影响的单角钢角度风系数公式，对相关参数进行了拟合，计算了角钢静风力作用折算高度。所得结果不仅可为相关荷载规范的完善提供试验依据，也可为工程中L型结构抗风设计参考。