天长体育场大跨度空间结构风洞数据分析及应用

2023-08-05王荃刘毛方安徽省城市综合设计研究院有限公司安徽合肥3000安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司安徽合肥3000

安徽建筑 2023年7期

王荃，刘毛方（.安徽省城市综合设计研究院有限公司，安徽合肥 3000；.安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽合肥 3000）

0 引言

近年来随着经济的发展，在一些公共建筑的设计中，为了实现大面积的无柱空间。各种复杂外形的大跨度空间结构层出不穷。大跨度空间结构主要类型为钢结构，这类结构由于刚度小，故结构自振周期与风速的卓越周期较接近，属于风荷载敏感结构。同时由于建筑体型的复杂性，现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中根本无对应的风荷载体型系数可以选取。为了保证结构的抗风安全性，很有必要在设计阶段进行风洞实验研究，并根据实验结果对结构的风荷载和风振特性进行进一步的分析。同时采取合理的风荷载和风振系数取值进行结构设计。

1 工程概况

天长市全民健身中心项目位于天长市高铁核心区，由体育馆和体育场及配套商业组成，总建筑面积约6.3 万m2。其中体育场为12000 座，体育场主体结构采用钢筋混凝土框架结构，上部罩棚采用钢桁架结构体系，屋面采用金属屋面。钢结构罩棚外观呈几何拼接状，外形来源于天长的市花“茉莉花”。平面呈椭圆形，南北向长约243m，东西向宽约22m，径向桁架悬挑最大长度约为28m，屋盖结构最高点约为31.8m[1]。效果图见图1。

图1 天长市全民健身中心体育场

2 风洞实验介绍

为给设计阶段的风荷载和风振系数取值提供科学依据，特委托合肥工业大学土木工程学院进行了天长市全民健身中心—体育场风洞实验[1]，本次实验采用1:250 的建筑物动态测压刚性模型，模型采用ABS 树脂制作，安置在风洞实验段内转盘的中央进行数据测量，分别以15°为增量，共执行了24个风向角的模型风压试验。风洞实验模型如图2。风洞实验所使用的风洞为湖南大学HD-3 直流式矩形截面边界层风洞，根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)本试验模拟了B 类粗糙度的风场环境。为确保模型制作比例和模拟风场湍流尺度比例一致，需要对大气边界层模拟装置进行局部调整，并进行风场特性测量。流场校测试验结果表明，大气边界层风速剖面指数α 为0.15，与目标值吻合。大气边界层模拟结果如图3 所示。结合结构网格整个模型共设有220 对风压孔，屋面风压测点布置如图4 所示。每个测点均位于结构网格的形心处，考虑结构立面对风压不敏感，立面测点布置较少。试验时，对每个测点，采样时间为30s，采样频率为312.5Hz，并采用同步测压测量上下表面测点风压时程。试验风向按24 个罗盘方向设置，定义风向与中心线的夹角（风向角）β=0°，逆时针转动，每间隔15°设置一个试验风向；试验参考点高度为12.72cm，试验参考点名义风速为12.0m/s。

图2 风洞实验模型

图3 实验风场参数对比

图4 屋面风压测点布置图

3 实验数据处理及分析

模型试验中符号约定以压力向内（压）为正，向外（吸）为负。根据试验模型上每个测压孔所在位置的内外表面测出的压力相减可得到该测点的风压力值。该值与参考点的平均总压与平均静压值差的比值即为测点的风压系数。根据风压系数和参考点的风压值即可得到测点的风压值。作用在建筑物表面的局部风压可根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[4]中式（8.1.1-1）得到。其中对于大跨空间结构，其风振系数取值需特殊研究。

对于脉动风压，通过测压孔所在位置的风压差系数时程经过数据运算（本工程为双面测压孔）可得到脉动风压均方根值。依此可以求出测点的最大峰值风压系数和最小峰值风压系数（峰值因子一般取值为3.5）。

建筑物围护结构表面的设计风压，一般也可参考24 个风向中最大的极值风压系数来进行计算。而不计入阵风系数。得到风压系数后，再通过设计风速换算出参考高度处的实际风压，将风压系数乘以实际参考风压，即可知实际极值压力。此实验数据主要为立面幕墙结构设计提供依据[5]。

4 实验结果分析与对比

4.1 风压系数

为了直观比较各测点的风压大小，本次实验结果均用风压系数表示，风压系数可以根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)换算为体型系数，体型系数可以用来对比不同建筑体型的优劣。

根据实验结果，屋面测点最大平均风压系数为0.73，发生在345°风向角下的UD155 测点；屋面测点最小平均风压系数为-1.22，发生在75°风向角下的UD153 测点，立面测点最大平均风压系数为1.73，发生在195°风向角下的UD218 测点；立面测点最小平均风压系数为-0.64，发生在285°风向角下的UD216 测点。对比《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)中[4]P44-45 中的单坡及双坡顶盖体型系数可以得出以下结论：

①由于本项目体育场罩棚形状不同于常规的东西，看台为独立布置，其环形闭合的形状降低了悬挑罩棚的负风压体型系数；

②由于罩棚屋面为高低起伏状，故全风向角下其局部屋面有不可忽视的风压力，这点不同于常规的体育场悬挑罩棚；

③由于体育场中心为镂空状，故其立面在顺风向的最大风压系数远大于《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)规定的顺风向体型系数1.3；

④立面在背风面的最大风吸系数与《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)的规定基本吻合。

4.2 风振系数

现阶段频域法仍然是大跨度屋盖结构的风振响应分析的主要方法，本次实验报告[4]采用多阶模态力法给出了共180 个测点频域分析下的风振分析结果，分析报告结果可以看出测点的位移风振系数数值约为0.93～1.85。大部分都在1.5 以上。具有一定的离散性。说明由于屋盖悬挑较大，其对风荷载较为敏感，对于整体结构设计来说，无法分区域进行风振计算，设计时综合各不利因素后确定主体结构风振系数取值1.8。

5 实验数据的设计应用

研究了屋面的风压系数分布特性后，经过对比分析最终选取了0°、90°、180°、270°四个风向角参与风荷载计算，《天长体育场风洞实验报告》将屋面部分根据风压分布趋势划分区域，利用测点的面积加权平均法给出了局部区域的等效静力风荷载以供设计选用。但由于屋面为几何拼接状，相邻的结构网格有可能风压系数差距较大，故分区域加风荷载工作繁琐且不精确。设计时结合3D3S 软件的风洞实验数据接口要求编制了可生成符合软件格式要求的风压数据小程序，对于空间桁架结构，施加面荷载后，程序按照每个网格节点的从属面积进行节点导荷。由于实验模型的风压测点均布置在结构网格的形心处，为了获取每个网格节点的风压系数，需要采用插值法，故首先编制了插值生成每个桁架节点处的风压系数的小程序，插值原理为节点处的风压系数与所有与该节点相交的网格面风压系数取平均。节点加载时，根据程序要求的数据格式编制了数据命令流，具体操作如图5、图6。

图5 3d3s软件风洞实验数据接口

图6 导入的数据格式

图6 为编制的风压数据小程序生成的数据格式，前3 列为模型节点的X、Y、Z 三维坐标，最后1 列为节点的风压系数，需要指出的是程序要求输入的是体型系数，故需要修改程序里对应的风荷载参数，即基本风压改为实验参考点对应的实际风压。B 类地貌、参考高度12.72cm(相对实际为31.8m)处的100年重现期风压值为0.637kPa。由于程序输入的是风压系数，故计算时不考虑风压高度系数的修正。利用自编程序生成了一共3033 个结构节点的风压系数，0°下的节点风荷载显示如图7所示。