考虑风向角和周边建筑影响的大跨气膜煤棚风荷载特性试验研究

王 浩, 李宇青, 姜会民, 刘小兵,2,3, 杨 群,2,3

(1. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2. 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；3. 石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043)

煤棚是一种广泛应用于储煤的大跨空间曲面结构[1]，跨度大，结构轻柔，对风荷载十分敏感。准确掌握大跨煤棚的风荷载特性，对抗风设计具有重要意义。在实际工程中，来流风有很大的不确定性，大跨煤棚的风荷载会随着风向角的变化表现出明显差异[2]；同时，大跨煤棚的周边环境往往不是空旷的，周边建筑对大跨煤棚所受风荷载有显著影响[3]。因此，风向角和周边建筑干扰对大跨煤棚所受风荷载特性的影响规律受到了广大学者的关注。

张渊等[4]研究了高低不同的两柱面煤棚在相互干扰下风荷载的变化规律。梁晓佩[5]和孙高健等[6]对大跨柱面煤棚进行风荷载特性研究，发现体型系数的取值对煤棚外形十分敏感。张金龙等[7]研究了大跨柱面煤棚在不同干扰情况下整体力系数随风向角的变化规律。叶孟洋等[8]、周晅毅等[9]研究了有无干扰条件下大跨柱面网壳煤棚的风致响应，发现各种干扰条件下相同区域的最大响应尽管在数值大小上有所不同，但随风向的变化规律却类似。黄鹏等[10]研究了柱面网壳煤棚在多种参数下体型系数的分布规律，给出了可供参考的规范化分块体型系数结果。王鑫[11]研究了大跨网壳煤棚平均风压分布与沿横轴方向的位移响应，发现存在干扰的煤棚由于受到遮挡效应的影响，其风荷载与横轴向位移响应有所减小。可以看到，目前关于煤棚风荷载特性的研究其研究对象一般为网壳煤棚。

近年来，由于气膜煤棚具有施工周期短、安全性高等优势，开始广泛应用到实际工程当中[12]。气膜煤棚靠对内充气来使用，外部主要呈拱形，顶部较为平缓，两侧山墙呈球状；常规的网壳煤棚顶部较为陡峭，两侧山墙常为竖直布置。气模煤棚和网壳煤棚在外形方面存在很大的不同，以致风荷载特性也存在较大差异。因此，十分有必要对气模煤棚的风荷载特性展开研究。基于此，以某发电厂气膜煤棚为研究对象，通过刚性模型测压风洞试验，研究了有无周边建筑2种情况下，气膜煤棚在不同风向角下的体型系数和整体力系数的分布规律，研究可为大跨气模煤棚的抗风设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验模型与测点布置

图1 气膜煤棚平面图和立面图(单位：m)

图2 试验照片

图3所示为试验模型的测点布置图。由于气膜煤棚的封闭特性，只在模型外表面设置测压孔，共布置了609个测点。测点布置方式采用非均匀布置，在模型两端形状变化剧烈处进行加密布置。

图3 试验模型的测点布置

1.2 试验工况

试验在石家庄铁道大学风工程研究中心风洞试验室的低速试验段内进行。低速段尺寸为长24 m，宽4 m，高3 m，最大风速约30 m/s。在进行试验时，将模型安装在低速段内的转盘上，通过转动转盘来改变风向角。依据文献[13]规定，确定本项目气膜煤棚所在地为A类地貌粗糙度类别风场，试验中采用粗糙元和尖劈被动模拟方法来模拟大气边界层风场。图4为试验模拟的平均风剖面和湍流度剖面与规范值的对比，可以看到，两者吻合较好。试验参考风速取15 m/s。模型表面不同位置处测压孔的风压通过电子压力扫描阀测得，电子压力扫描阀的采样频率为330 Hz，采样时间为30 s，采样点数为9 900 个。图5为试验风向角示意图。试验来流风顺着模型展向从右往左侧吹来时定义为0°风向角，风向角按逆时针方向旋转，以15°为间隔，旋转360°。

图4 试验模拟的平均风剖面和湍流度剖面与规范值对比

图5 试验风向角示意图

1.3 参数定义

采用无量纲的体型系数描述煤棚表面风荷载分布

(1)

式中,Cpi(t)为测点i处的体型系数；pi(t)为测点i处的风压；ps为测点静压平均值；pt为测点总压；ρ为空气质量密度；v为测点高度处远前方风速。

将作用在煤棚上的风压在各风向角下进行积分，得到煤棚的整体力系数，此处的整体力系数指煤棚受到的平均力，定义X、Y、Z轴方向的整体力系数分别为CFX、CFY、CFZ，X、Y、Z轴的正方向见图1。

(2)

(3)

(4)

式中,pi为i测点处的压力值；Ai为测点i所处位置的从属面积；Cpdi为测点高度处的风压系数；θi为测点法线方向与水平方向的夹角；D为模型的宽；L为模型的长；H为模型的矢高。

2 试验结果分析

2.1 风向角对大跨气膜煤棚风荷载特性的影响

2.1.1 风向角对体型系数分布规律的影响

图6(a)所示为0°风向角下无周边建筑煤棚体型系数云图。气膜煤棚右侧为迎风面，在煤棚迎风面底部所受体型系数是正值，最大值为1.01。由于煤棚的封闭性，当风吹来时，阻挡风吹进煤棚的内部，在达到煤棚顶部高度之前发生气流的分离，体型系数由正值变为负值。在煤棚顶部受到较小的风吸力，体型系数在0值附近。随着高度的降低，体型系数先增加后减小，直到煤棚背风面底部时受到的体型系数仍为负值，体型系数在-0.1～-0.6之间。在煤棚迎风面左右两侧拐角处受到较大的负体型系数，取值范围在-1.1～-1.39之间。这是因为气流发生分离以后产生较大的旋涡，从而受到较大的负体型系数。

洞庭湖是我国第二大淡水湖，天然湖约2740平方公里，内湖1200平方公里。主要分为东、西、南三部分，东洞庭湖是湿地系统的核心，现均为自然保护区，生物物种丰富。还有许多名胜古迹，流传着一些神话故事，文化底蕴较浓。

图6(b)所示为90°风向角下无周边建筑煤棚体型系数云图。气膜煤棚上方为迎风面，在煤棚迎风面底部所受体型系数是正值，最大值为0.99。随着高度的增加，体型系数逐渐减小直到由正值变为负值。与0°风向角不同的是90°风向角下，煤棚顶部区域受到较大的风吸力，体型系数在-1～-1.4之间。在煤棚迎风面左右两侧拐角处受到较大的负体型系数，取值范围分别在1.15～-1.45和-1～-2.18之间。当风从煤棚顶部吹到背风面底部时，负体型系数先增加后减小，在背风面底部煤棚所受体型系数仍为负值。

图6 无周边建筑干扰时气膜煤棚的体型系数云图

2.1.2 风向角对整体力系数分布规律的影响

图7所示为X、Y、Z轴方向上整体力系数随风向角变化图。在X和Z轴方向上，整体力系数以180°风向角为对称轴呈对称分布；在Y轴方向上，整体力系数以180°风向角为中心呈中心对称分布。

图7 整体力系数随风向角变化规律

在X轴方向上，当风向角在0°～30°和105°～135°之间时，煤棚所受整体力系数为负值，受水平向左的力；当风向角在45°～90°和150°～180°之间时，煤棚所受整体力系数为正值，受水平向右的力；在30°～45°和135°～150°风向角之间时，煤棚所受整体力系数正负发生改变，受力方向发生改变。煤棚在0°、60°、180° 3个风向角下受到水平方向上的力较大，所受整体力系数分别为-0.42、0.39、0.44。在Y轴方向上，当风向角在0°～180°之间时，煤棚所受整体力系数均为负值，受竖直向下的力；其余风向角下煤棚受到的整体力系数均为正值，受竖直向上的力；在180°风向角下煤棚受力方向发生改变。煤棚在75°和285°风向角下受到竖直方向上的力较大，整体力系数大小为0.63。在Z轴方向上，煤棚受到的整体力系数一直大于0，因此煤棚始终受Z轴正方向上的力。煤棚受到Z轴正方向上的风吸力从0°风向角开始，先增加，增加到90°风向角达到最大整体力系数，数值为1.26；后减小到180°风向角，数值为0.1。在180°风向角之后煤棚受到的整体力系数变化规律与180°风向角之前相同。从X、Y、Z轴方向上整体力系数随风向角的变化规律来看，在75°～90°和270°～285°风向角之间时，煤棚受力较大。在进行抗风要求设计时应以该风向角范围内的风荷载作为依据。

2.2 周边建筑对大跨气膜煤棚风荷载特性的影响

2.2.1 周边建筑对体型系数分布规律的影响

为便于对比，选择周边建筑较多的90°风向角和周边建筑较少的270°风向角进行分析。

图8(a)所示为90°风向角下有周边建筑煤棚体型系数云图。气膜煤棚右侧为迎风面，迎风面底部右侧所受体型系数是正值，取值范围在0.2～0.56之间，左侧所受体型系数却是负值，取值范围在-0.3～-0.58之间；在煤棚迎风面左右两侧拐角处所受负体型系数较小，取值范围在-0.3～-0.5之间；在煤棚顶部受到较大的负体型系数，其数值在-0.8～-1.5之间。与无周边建筑煤棚所受体型系数相比，煤棚迎风面底部所受体型系数降低，左右两侧拐角处所受负体型系数减小，表现为减小效应。相同的是，在煤棚顶部和背风面受到的体型系数相差不大。

图8(b)所示为270°风向角下有周边建筑煤棚体型系数云图。气膜煤棚下方为迎风面，迎风面底部受到的体型系数在0.2～0.95之间；在煤棚迎风面右侧发生气流分离以后受到较大的负体型系数，取值范围在-1～-1.45之间，左侧受到的体型系数相对较小，取值范围在-0.1～-0.8之间；在煤棚顶部受到较大的负体型系数，取值范围在-1～-1.38之间。与无周边建筑煤棚所受体型系数相比，在煤棚迎风面左右两侧拐角处受到的负体型系数减小，表现为减小效应。相同的是，在煤棚的迎风面底部和煤棚的顶部受到的体型系数相差不大。通过对比，发现建筑物的遮挡对煤棚迎风面底部和迎风面左右两侧拐角处所受体型系数的影响较大，对煤棚顶部和背风面的影响较小。

图8 有周边建筑干扰时气膜煤棚的体型系数云图

2.2.2 周边建筑对整体力系数分布规律的影响

图9为有无周边建筑干扰煤棚受到的整体力系数随风向角的变化规律。

图9 整体力系数随风向角变化规律

X轴方向上，在0°～180°风向角下，有无周边建筑2种情况煤棚受到的整体力系数变化规律相同。在180°风向角后，随着风向角的增加有周边建筑煤棚受水平向右的力呈先增加后减小的变化规律，在300°～315°风向角之间时，煤棚所受整体力系数正负发生改变，煤棚受力方向发生改变。在180°～285°风向角下，有周边建筑比无周边建筑煤棚受到的整体力系数大，表现为增大效应。当风向角为225°时，有无周边建筑煤棚受到的整体力系数分别为1.06、0.01，整体力系数相差最大，差值为1.05。

Y轴方向上，在30°～165°和225°～345°风向角下有周边建筑比无周边建筑煤棚受到的整体力系数小，表现为减小效应。在0°～180°风向角时，煤棚所受整体力系数为负值，受竖直向下的力；180°风向角以后煤棚所受整体力系数为正值，受竖直向上的力。当风向角为105°时，有无周边建筑煤棚所受整体力系数分别为-0.57、0.02，整体力系数相差最大，差值为0.59。

Z轴方向上，有无周边建筑煤棚受到的整体力系数均为正值，煤棚受到Z轴正方向上的力。从0°～60°和150°～225°风向角有周边建筑比无周边建筑煤棚受到的整体力系数大，表现为增大效应；其余风向角下受到的整体力系数小，表现为减小效应。当风向角为105°时，有无周边建筑煤棚所受整体力系数分别为0.56和1.22，整体力系数相差最大，差值为0.66。

由于周边建筑的影响，导致在X、Y、Z轴方向上煤棚受到的整体力系数随风向角的变化并不呈现出规律性的变化。针对本项目大跨气膜煤棚而言，最不利风向角在225°～240°之间。

3 结论

对有无周边建筑2种情况下气膜煤棚在不同风向角下的体型系数和整体力系数的变化规律进行对比研究，得到了如下结论：

(1)无周边建筑情况下，气膜煤棚最大正体型系数出现在迎风面底部，最大负体型系数出现在迎风面两侧的拐角处。当风顺着煤棚长度方向吹来时，煤棚顶部受到较小的风吸力，体型系数在0附近；当风垂直于煤棚长度方向吹来时，煤棚顶部受到较大的风吸力，体型系数在-1～-1.4之间。煤棚的最不利风向角在75°～90°和270°～285°之间，长度、跨度、竖直方向上受到的最大整体力系数分别为0.44、0.63、1.26。

(2)周边建筑的存在使煤棚迎风面底部所受体型系数减小，对顶部和背风面体型系数的影响较小。周边建筑对煤棚所受整体力系数的影响在一些风向角下甚至表现出显著的放大效应，使长度方向上受到的最大整体力系数放大了2.39倍。因此，对于周边建筑复杂的大跨气膜煤棚，宜通过专门的风洞试验或数值模拟的方法进行单独研究。