荷载规范中柱面屋盖围护体系风荷载取值合理性的分析

唐麒

[摘  要]：柱面网架屋盖结构的控制荷载通常为风荷载，GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》关于柱面屋盖围护体系风荷载的取值较为粗糙，使得围护体系的部分区域存在隐患，部分区域设计不经济。文章利用风洞实验获取了柱面屋盖结构的测点风压，并利用POD法（本征正交分解法）将测点风压进行扩展，使得每个极值风压其数值的代表面积为6.6 m2。在较高的精度下，研究了柱面屋盖围护体系风荷载的分布特性，并探讨了荷载规范中柱面屋盖围护体系风荷载取值合理性。

[关键词]：柱面网架屋盖; 局部风荷载; 围护体系

TU312+.1A

柱面网架屋盖结构是一种常见的跨度较大的曲面屋盖结构，被广泛用于工业厂房、飞机库、航空港、体育场馆等建筑形式中。目前对于柱面网架屋盖结构，其主体结构的风荷载特性和抗风设计方法已经有较成熟的研究，而其围护体系风荷载特性的研究还相对比较薄弱，至今尚未有一套成熟的阵风荷载描述方法被提出来。因此，该类结构围护体系的风荷载取值往往是其围护体系抗风设计的难点问题。

1 风压数据来源

结构风压风洞试验在日本东京工艺大学的边界层风洞进行。采用粗糙元和劈尖，针对柱面网架弧形屋面模型被动模拟了幂指数为0.16的风剖面。多通道风压同步测试系统的采样频率为781Hz，并修正了测压管对风压测试产生的影响[6]。模型顶部平均屋檐高度处的风速以及对应的速度压力按惯例作为参考风速及参考风压，求得各风压测点处对应的风压系数。风压符号的约定为向下或向内为正，向上或向外为负。柱面网架屋盖结构风洞模型的几何缩尺比为1/400，风洞试验的具体布置及流程可参考文献[1]。

本文利用POD法[2]将风洞试验的99个测压点获得的11个10 min的风压时程扩展到每个屋面板的中心点，共获得4 320个风压时程。然后利用“改进全涌法[3]”对这些风压时程进行极值估计，最后获得屋面上4 320个点的极值风压（以下简称极值风压），每个极值风压其数值的代表面积为6.6 m2。同时依据荷载规范也获得了屋面的风压（以下简称荷载规范风压）。

2 局部风压的对比

本文的研究对象是围护体系的风荷载特性及其效应，因此较高精度的风压数据是该研究工作的基础。利用荷载规范中进行柱面网架屋盖结构围护体系的抗风设计时，其风压值由下式获得：

wk=βgzμslμzw0（1）

式中：βgz为高度z处的阵风系数，μsl为风荷载局部体型系数。

一般地，建筑物表面的风荷载并非均匀分布，在屋面角部区域、屋檐区域以及在如阳台、雨棚等外挑构件的区域，局部风压值可能会超过依据荷载规范得到的平均风压值。

建筑物表面一定区域内的平均风压与来流的动压的比值被定义为风荷载体型系数，风荷载体型系数考虑了建筑物表面由于不均匀的风压而出现的局部风压超过平均风压的情况。其主要影响因素为建筑的外形和几何尺寸，也与周围环境和地面粗糙度有关。但是荷载规范中柱面屋盖结构围护体系的风压局部体型系数是基于柱面屋盖建筑主体结构的风压体型系数，规范中规定将柱面屋盖建筑主体结构的风压体型系数乘以1.25进行放大，从而获得柱面屋盖结构围护体系风压的局部体型系数。然而局部的风压不仅受来流的影响，还受到特征湍流的影响，而目前的研究中对于特征湍流的特性还不能很好地描述。荷载规范中直接将主体结构的体型系数乘以1.25进行放大来考虑湍流对风压分布的影响。然而在实际的情况下，建筑围护体系的部分区域，其局部体型系数可能有的大于1.25倍，有的不足1.25倍，所以这种处理方法存在不安全的隐患或不经济的设计。另一方面，荷载规范中将屋面分为3个平行的区域，每个区域内一个局部体型系数，所以整个屋面一共只取了3个局部体型系数值，且仅仅考虑了一个风向角。

阵风系数是考虑到风压的瞬间增大情况而乘的系数，一般是阵风风速与时距10 min的平均风速之间的比值。规范中关于阵风系数的取值统一按照一个经验公式进行计算，这种方法获得的阵风系数用于结构迎风面上的围护体系的抗风设计是合适的，因为迎风面上的湍流特征与大气来流特征很相似，但对于屋面上的负压区却不一定适用，因为这些区域受到漩涡的作用，其湍流特征与来流的湍流特征不同。

由图1可知，荷载规范风压的数值大致将3个平行于来流屋檐的区域分别取某一常数值，且屋盖表面风压全部为负值。最靠近来流方向的负压值较小，屋盖中部区域取较大的负压值，而尾部区域取稍小一些的负压值。

图2显示，0°风向时，屋盖表面的极值风压也存在互相平行的正压区域和负压区域，但是这些区域与迎风屋檐并不是平行的，而是具有一定角度。并且，屋盖表面大致可以分为5个正负压交替的平行区域。在靠近来流的屋檐附近，有正的风压值也有负的风压值。相关研究表明，屋盖表面的特征湍流是导致建筑物表面出现局部负压（吸）极值的主要原因，因此，屋盖表面旋涡的分离和再附使得屋盖表面的风压等值线不再是规则地平行于靠近来流的屋檐，而是具有一定夹角，同时等值线也不再是平行线，而是封闭的环线。

从极值风压和荷载规范风压数值的绝对值发现，在迎风屋檐左上角的角部区域，极值风压的正压值远大于荷载规范风压的负压值，达到了4倍之多。同时，在该区域的中部和下部，存在着较大的风洞试验负压区，比相应区域的荷载规范风压数值大2到3倍。因此，迎风屋檐附近区域应该作为围护体系抗风设计的的重点关注区域，容易出现安全隐患。

另一方面，虽然极值风压和荷载规范风压的正负值区域并没有重合，但是在屋盖的中部区域，荷载规范风压在数值上比极值风压大3到6倍之多。这说明在这些区域规范风压的取值偏于保守，会造成围护体系抗风设计不经济。

由圖2～图5可知，0°、45°、90°以及全风向角下，屋盖表面的极值风压分布具有很大的相似性，同时取值的正负以及相应的绝对值的大小也相差不大。所以风向角对屋盖表面的极值风压的分布和取值影响不大，荷载规范中只考虑了一个风向的做法也是合理的。

3 结论

综上所述，在迎风屋檐左上角的角部区域及在该区域的中部和下部，极值风压远大于荷载规范风压，同时由时程分析获得的应力明显比静力分析获得的应力大。因此，迎风屋檐附近区域应该作为围护体系抗风设计的的重点关注区域，容易出现安全隐患。另一方面，在屋盖的中部区域，荷载规范风压绝对值远大于极值风压的绝对值，同时由时程分析获得的应力明显比静力分析获得的应力小。因此在这些区域规范风压的取值偏于保守，会造成围护体系抗风设计的不经济。

参考文献

[1] Ding，Z.，Tamura，Y.Contributions of wind-induced overall and local behaviors for internal forces in cladding support components of large-span roof structure.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，115，162-172，2013

[2] 李方慧，倪振华，沈世钊，等.POD原理解析及在结构风工程中的几点应用[J].振动与冲击，2009，28（4）：29-32+201.

[3] 全涌， 顾明， 陈斌， 等. 非高斯风压的极值计算方法[J]. 力学学报， 2010， 42（3）：560-566.