火车站建筑主要包括站房和站台雨棚两部分。火车站站房属于大跨空间结构,结构类型千差万别,其强风荷载作用效应较大,部分学者对火车站站房的风荷载特性和风致响应进行了研究[1,2,3,4,5]。而站台雨棚按结构形式不同可以划分为无站台柱雨棚和有站台柱雨棚两种。当前对于站台雨棚风荷载效应的研究主要集中两类,第一类为风荷载分布特性方面的研究,如周志勇等[6]研究了高速动车组快速通过站台时所形成的高速气流对无站台柱结构形式的雨棚风荷载的影响。杨易等[7]则采用数值模拟方法,对新广州火车站无站台柱雨棚挡雨板结构进行了方案优化设计研究,以减小结构风荷载。李敬学等[8]对铁路有站台柱雨棚风洞试验取值规律进行了探讨。孙建龙[9]对3个大型火车站有站台柱雨棚进行风洞测压试验,研究了站房对开放式雨棚的定性影响。余佳亮等[10]对火车站站台张弦桁架雨棚结构进行了抗风分析,研究了结构表面的风载体型系数,并与封闭式结构进行了对比,最后计算了雨棚的风致响应。第二类为风荷载响应研究,梁枢果等[11,12,13]以火车站无站台柱圆弧形雨棚为工程背景,通过风洞试验研究了雨棚的平均风荷载规律,主要研究了站台雨棚风致响应计算方法及响应分布规律。

火车站有站台柱雨棚形式较为简单,在中小城市广泛使用,其结构通常为立柱式悬挑,结构上、下表面均受到风荷载作用,其表面存在着分离、再附、旋涡、回流等多种复杂的三维流动现象,且受到雨棚之间的干扰,以及站房的遮挡,其表面风荷载分布较为复杂。在以往的研究中该类站台雨棚风荷载设计取值并未明确,其干扰效应和遮挡影响并未进一步定量考虑,不便于工程设计使用参考。本文基于有站台柱雨棚的风洞试验,研究雨棚的表面平均风荷载分布特性,上、下表面风荷载的相关性,表面脉动风荷载的概率分布特性,极值风荷载特性,以及雨棚间的干扰特性,给出分块体型系数及干扰因子取值,并与当前规范进行比较,为同类雨棚抗风结构设计提供参考。

本次试验在湖南科技大学的大气边界层风洞中进行。该风洞为开口直流吸入式矩形截面风洞,试验段的尺寸为4m×3m×21m(宽×高×长)。试验模拟了《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的B类地貌,风场缩尺比1∶150,平均风剖面指数为0.15,规范和试验平均风速以及湍流度剖面如图1所示。

站台雨棚足尺平面尺寸12m×450m,雨棚顶标高22.1m,站台高15.75m;试验模型缩尺比为1∶150,模型照片如图2所示。试验模型上、下表面测点布置如图3所示,上、下表面测点位置对应,共计328个测点。试验风向角θ定义以及典型测点位置见图3,风向角间隔15°,共24个测试风向角。每个风向采样时长约33s,采样频率330Hz,采集10 000个数据样本。试验参考高度为站台雨棚上表面高度。

风压系数是结构风压的无量纲表现形式,测点i的风压系数Cpi(t)定义如下:

Cpi(t)=pi(t)−p00.5ρu2h (1)Cpi(t)=pi(t)-p00.5ρuh2(1)

式中:pi(t)为风洞试验中压力扫描阀测得的风压时程;p0为风洞试验段处的静压,采用皮托管测得;ρ为空气密度,ρ=1.225kg/m3;uh为参考高度处的平均风速。

对Cpi(t)做数据统计可得测点平均风压系数Cpi,mean以及脉动风压系数Cpi,rms。测点的极大值风压系数Cpi,max和极小值风压系数Cpi,min定义如下:

Cpi,max,Cpi,min=Cpi,mean±gCpi,rms (2)Cpi,max,Cpi,min=Cpi,mean±gCpi,rms(2)

式中g为峰值因子,考虑风压非高斯分布特性,峰值因子[14]按照下式计算:

g=α{(ϕb+γϕb)+h3(ϕb2+2γ−1)+h4[ϕb3+3ϕb(γ−1)+3ϕb(π212−γ+γ22)]} (3)ϕb=2lg(1−ε2−−−−−√)N−−−−−−−−−−−−√ (4)α=(1+2h32+6h42)−1/2 (5)h3=γ36(1−0.015|γ3|+0.3γ321+0.2γ4) (6)h4=h40(1−1.43γ32γ4)1−0.1γ40.8 (7)h40=(1+1.25γ4)1/3−110 (8)g=α{(ϕb+γϕb)+h3(ϕb2+2γ-1)+h4[ϕb3+3ϕb(γ-1)+3ϕb(π212-γ+γ22)]}(3)ϕb=2lg(1-ε2)Ν(4)α=(1+2h32+6h42)-1/2(5)h3=γ36(1-0.015|γ3|+0.3γ321+0.2γ4)(6)h4=h40(1-1.43γ32γ4)1-0.1γ40.8(7)h40=(1+1.25γ4)1/3-110(8)

式中:γ为欧拉常数,γ=0.577 2;h3,h4分别为形状参数和位置参数;γ3,γ4分别为风压系数时程的偏度和峰度;ε为带宽参数;N为采样长度。

定义Cpu,i(t)和Cpd,i(t)分别为模型上、下表面测点风压系数时程,其净压测点的风压系数时程Cpn,i(t)为:

Cpn,i(t)=Cpu,i(t)−Cpd,i(t) (9)Cpn,i(t)=Cpu,i(t)-Cpd,i(t)(9)

引入相关系数,根据多维随机变量的性质,σCpn,i用下式表达:

σCpn,i=σCpu,i2+σCpd,i2+2rudσCpu,iσCpd,i−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√ (10)σCpn,i=σCpu,i2+σCpd,i2+2rudσCpu,iσCpd,i(10)

式中:σ为均方根;rud为上下表面风压信号之间的相关系数。

rud=E[Cpu,iCpd,i]−E[Cpu,i(t)]E[Cpd,i(t)]σCpu,iσCpd,i (11)rud=E[Cpu,iCpd,i]-E[Cpu,i(t)]E[Cpd,i(t)]σCpu,iσCpd,i(11)

式中E[ ]为期望值运算符号。

依据以上方法可得净压测点的平均风压系数、脉动风压系数、极大值风压系数和极小值风压系数。将净压测点平均风压系数的参考高度取为测点高度可得净压测点的体型系数μsi。

雨棚面积加权平均风压系数时程:

μs=∑inμsiAi∑inAi (12)μs=∑inμsiAi∑inAi(12)

式中:Ai为测点的从属面积;n为分区测点总数。

下文中如无特殊说明,分析结果均为测点净风压系数或测点净体型系数。

图4给出了0°和45°两个典型风向角下,南北雨棚的平均风压系数分布规律等值线图。为了图示简洁,南北站房没有在等值线图中绘出,风向角定义与图3一致。从图4可以看出,站台雨棚受到上、下表面风压合力的作用,表面以负压为主。风向角为0°时,风压系数在-1.31～-0.25范围内分布,由于风向角与结构的对称轴一致,其表面风压分布基本对称。

风向角为0°时,气流在雨棚的迎风前缘发生分离,形成小范围的分离泡区域,分离泡中的湍流运动剧烈,通常有较高的吸力特性,在其上表面形成负压区,尤其在迎风前缘处有较大的负压。而在远离来流的背风面一端,由于发生了尾流再附,上、下表面压差减小,平均风压系数较小,接近零值或出现正值。由于站房遮挡的影响,雨棚中部区域平均压力系数均较小,其值约在-0.0左右。风向角为45°时,风压系数在-1.21～-0.23范围内分布,相比雨棚其他部位,处于迎风前缘的角部往往有较大负风压系数,且梯度变化也较大,因此在工程设计时,要特别注意对角部的结构加强,以免对雨棚造成风致破坏。

风压脉冲与有组织的大尺度漩涡有关,表现为该区域的风压空间相关性较强。相关系数是考察任意测点上、下表面相关性的一个重要指标。通常认为相关性系数绝对值大于0.5时属强相关,而小于0.2则可视为弱相关。

图5给出了典型风向角下的上、下表面风压系数的相关系数等值图。从图5可以看出雨棚上、下表面风压正相关性。垂直来流0°风向角下站房对雨棚的遮挡效应十分显著,其相关性表现为强相关,相关系数在0.61～0.74之间,而迎风前缘部分主要表现为较弱相关性,尾流区测点风压系数相关性较迎风分离处测点的相关性强。从45°和90°风向角的相关性也可看出,测点离来流分离前缘越远,相关性越大。

在以往的风工程研究中,通常假设风荷载服从高斯分布,采用高斯模型来描述其概率分布。实践表明,高斯模型往往会产生较大的误差,特别是在迎风边缘区域和拐角区,风荷载会表现出明显的非高斯特性。具有非高斯特性的风压时程以风压分布不对称并带有大幅值的风压脉冲为特点,这种大幅值风压脉冲现象往往会导致雨棚围护结构破坏。

图6给出了典型测点在0°,45°和90°风向角下的风压系数概率密度曲线拟合,其中Test为试验数据拟合的经验分布,Normal为正态分布,Lognormal为对数正态分布,Gamma为Gamma分布,HM为Hermit级数分布。Hermite级数对非高斯风压测点的概率密度分布拟合效果较好。

本文根据孙瑛[15]等的非高斯特性的界定方法划分高斯与非高斯的区域。将满足斜度|Cpisk||Cpisk|>0.2或峰态Cpiku>3.7条件的测点划分在非高斯区域内,其余都属于高斯区。表1～3给出了0°,45°,90°风向角下典型测点的前四阶矩统计值,最后一栏根据上述区域划分方法给出相应测点的所属区域,G表示高斯区,NG表示非高斯区。由表1～3可以看出,处于尾流区的107测点在0°和90°风向角下均表现为高斯分布,而其余测点均表现为不同程度的非高斯特性。

依据非高斯分区方法,对非高斯区进行细分,低度非高斯区满足条件|Cpisk||Cpisk|≤0.2且3.7≤Cpiku≤5,中度非高斯区满足条件|Cpisk||Cpisk|>0.2且3.7≤Cpiku≤5,高度非高斯区满足条件|Cpisk||Cpisk|>0.2且Cpiku>5。图7给出了典型风向角下雨棚风压的高斯与非高斯所占比值图。从图7可以看出,雨棚受非高斯风压控制,非高斯区所占的比值较大,45°风向角下高斯特性占比最小,非高斯区占比高达82.9%。对于雨棚结构,采用高斯模型求取极值风压,可能会产生较大的误差。

考虑测点风压非高斯特性,图8给出了采用改进Hermite峰值因子方法统计的0°风向角下测点的极值风压系数。由图8可以看出,极大值风压系数在0.33～2.29范围内分布,由于风向角与结构的对称轴一致,其表面极值风压分布基本对称,最不利极大值风压出现在尾流区角部区域。极小值风压系数在-4.04～-0.67范围内分布,最不利极小值风压出现在迎风角部区域,受站房遮挡区域的极值风压系数较小。

依据平均风压系数分布规律,考虑站台遮挡和风流动特征,对各测点进行分块统计,雨棚沿铁路走向分为3个区域,考虑结构对称性,本文仅取雨棚西侧及长向中部进行分析,分为8个分块,如图9所示。

图10给出了各分块体型系数随风向角变化的曲线图。由图10可以看出,南北雨棚两者的分块体型系数随风向角变化明显,当风向角与结构对称轴一致时,其体型系数基本对称。最不利体型系数出现在迎风风向的迎风分块,最小体型系数出现在站房遮挡区域。

根据风洞试验数据,对雨棚之间的干扰效应进行研究,各风向下雨棚平均荷载干扰因子IF1定义为[15]:

IF1=尾流区雨棚块体型系数来流区雨棚块体型系数ΙF1=尾流区雨棚块体型系数来流区雨棚块体型系数

考虑雨棚结构对称性,本文仅取0°～90°风向角下北雨棚西侧端部块1和块3与南雨棚的分块进行比较研究。图11给出了北雨棚迎风侧块3与背风侧块1干扰因子随风向变化曲线。对于迎风侧块3,由于其风荷载主要受来流的影响,其干扰因子小于1,在0.5附近变化,风荷载小于南雨棚来流前缘区分块。对于背风侧块1,其受到来流和特征分离湍流的双重影响,受到的干扰严重,干扰因子变化明显,但由图11可以看出其风荷载总体上来说较小。

表4给出了南雨棚在全风向角下最不利正体型系数、最不利负体型系数结果。由表4可以看出,最不利正体型系数(0.13)出现在南雨棚的长向中部块7区域,最不利负体型系数(-1.16)出现在南雨棚的迎风侧的端部块7区域。

将表4与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中局部体型系数对比研究可以发现:1)规范取值仅给出了吸力设计值,没有考虑到不利风向下的风压作用,对于尾流区的四面敞开式雨棚结构,风荷载正体型系数试验值为0.13;2)迎风侧区域的雨棚负体型系数(-1.16)与规范值接近; 3)由于站房遮挡作用,块6,8区域的分块体型系数较小,试验值低于规范值,规范取值过于安全。

本文基于一典型的有站台柱高铁站台雨棚的刚性模型测压试验,对雨棚表面风压分布特性以及风压概率密度特性进行了系统的研究,得出结论如下:

(1)雨棚的迎风前缘发生气流分离,有较高的吸力特性,测点风压相关系数小于0.5,气流尾流区域和站房遮挡区域风压较小,测点风压为强相关(相关系数大于0.5)。

(2)斜风向45°时雨棚测点风压非高斯区占比高达82.9%,Hermite级数对非高斯风压测点的概率密度分布拟合效果较好。

(3)最不利负体型系数出现在迎风风向的迎风分块,最小体型系数出现在站房遮挡区域,后方受干扰雨棚的迎风侧块平均风压干扰因子在0.5附近变化,背风侧块干扰因子较大且变化明显,但其风荷载总体上较小。

(4)对于四面敞开式雨棚结构,风荷载正体型系数在《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中没有明确,正体型系数风洞试验值为0.13,雨棚负体型系数试验值(-1.16)与规范值接近。