大跨度屋盖结构在实际工程中的百富策略白菜网非常广泛, 由于其质量轻、频率低、阻尼小等特点, 大跨屋盖极易在风荷载的作用下产生较大的变形。但由于形状各异, 在规范中对大跨屋盖的风荷载进行统一的描述还很困难[1]。因此, 只有在进行风洞试验的基础上, 才能对大跨屋盖结构的风荷载进行详细的描述。

目前, 我国规范中对风荷载的规定主要反映在两个方面[1]:用于承重结构设计的风荷载和用于围护结构设计的风荷载, 分别采用风振系数和阵风系数来考虑脉动风荷载的影响。对于围护结构设计的风荷载, 可以仅根据局部的风荷载 (包括平均和脉动) 就可以确定。对于整体结构设计的风荷载 (亦即等效静力风荷载) , 除了要考虑脉动风荷载外, 还需要考虑结构自身的动力特性, 以及来流与结构之间的相互耦合作用 (气动弹性) 。从20世纪60年代开始, 等效静力风荷载的研究就已经开始引起人们的重视, 目前, 主要的方法有阵风荷载因子法 (GLF) [2]、荷载响应相关法 (LRC) [3]、惯性风荷载法 (GBJ) 以及LRC法和GBJ法相结合的方法[4,5]。

郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖位于城市中心, 由于周边建筑的干扰以及其自身的开敞特性, 作用在该屋盖结构上的风荷载非常复杂。以郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖为工程背景, 在湖南大学风工程试验研究中心进行了刚性模型同步测压试验, 研究了该类屋盖的平均风荷载和脉动风荷载的分布特征、上下表面对应点风压的相关性、以及围护结构设计和承重结构设计的风荷载。

试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2号风洞实验室的高速试验段进行, 试验段为5.5 m (宽) ×4.4 m (高) ×15 m (长) 。在风洞中模拟了C类地貌, 试验风速为8 m/s, 采样频率为312.5 Hz。

郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖在平面上为椭圆形, 长边76.453 m, 短边54.768 m。整个屋盖通过四个支座固定, 支座南北水平间距54.6 m, 东西水平间距33.6 m。膜结构屋盖的平面和立面图见图1。试验模型的几何缩尺比为1∶100, 采用有机玻璃 (屋盖) 和ABS板 (周边建筑) 制成, 图2为模型照片。为同时考虑屋盖上、下表面的风荷载, 在屋盖上、下表面分别对称地布置118个测点, 测点布置见图3。试验时所有测点的风压均为同步采集。

定义来流风风向垂直于东太康路向北时风向角为0°, 按逆时针方向增加, 风向角定义如图4所示。在膜结构屋盖的北面和东面, 分别有一栋80 m和50 m高的建筑 (如图2、图4) 。

定义测点i的风压系数

Cpiu(t)=2piu(t)/ρug2 Cpid(t)=2pid(t)/ρug2 (1)Cpi(t)=2(piu(t)−pid(t))/ρug2=Cpiu(t)−Cpid(t) (2)Cpiu(t)=2piu(t)/ρug2Cpid(t)=2pid(t)/ρug2(1)Cpi(t)=2(piu(t)-pid(t))/ρug2=Cpiu(t)-Cpid(t)(2)

式中, Cpiu、Cpid、Cpi分别为第i号测点的上表面、下表面和净风压系数 (参考高度为梯度风高度) ; piu (t) 和pid (t) 分别为第i号测点上、下表面的风压时程;ρ为空气密度;ug为风洞试验中梯度风速。上、下表面压力方向以指向建筑物为正, 离开建筑物为负;净压力方向与上表面压力方向相同。

以180°风向角工况研究风压分布特征 (此时80 m建筑对屋盖的风荷载影响最大) 。

图5、图6、图7分别给出了180°风向角上表面风压系数、下表面风压系数和净风压系数的平均值和根方差值。从图5中可以看出, 上表面的平均风压系数均为负值 (即向上的吸力) , 且东半部分的平均吸力更大 (最大风压系数-1.08) , 西半部分上表面的平均风压系数大部分在-0.1～-0.2之间;上表面风压系数的根方差比较大, 东半部分的值 (最大0.88) 稍大于西半部分的值 (大部分在0.4～0.5之间) 。上表面风压系数的平均值和根方差值都要大于比周边无干扰的同类屋盖 (如上海铁路南站) 的值[6]。图6给出的下表面的平均风压系数也全部为负值 (即为向下的吸力) , 相比上表面, 下表面的平均风压系数 (大部分在-0.1～-0.2之间) 的绝对值要小的多;下表面平均风压系数的根方差大部分在0.4～0.5范围内, 仅略小于上表面的值。图7净风压系数的平均值介于上表面和下表面平均风压系数之间, 其根方差也很大, 与上表面的根方差大致相当。

总的来看, 屋盖上、下表面和净风压系数的平均值都为负值, 这主要是因为180°风向角下来流处于上游一栋80 m高建筑的尾流中, 这同时也造成了较大的根方差值。屋盖东半部分风压的平均值和根方差大于西半部分的值, 这是由于膜结构屋盖结构的东面一栋50 m高的建筑的影响。

图8给出了0°、90°、180°、270°风向角下屋盖上表面和下表面对应测点风压的相关系数。从图8中可以看出, 在给出的4个工况中, 上、下表面对应测点压力的相关系数绝大部分都为正值, 表明上、下表面的脉动压力同时达到最大或同时达到最小, 这对于膜结构屋盖的受力是有利的。

设计风荷载包括用于承重结构设计的风荷载和用于围护结构设计的风荷载。

根据中国《建筑结构荷载规范》[1], 用于围护结构设计的风荷载可根据下式得到

Pki=βgzρUG2Cˉˉˉpi/2 (3)Ρki=βgzρUG2Cˉpi/2(3)

式中, CˉˉˉCˉpi为i测点处的净风压系数的平均值; UG为根据基本风压换算得到的梯度风速; βgz为阵风系数, 与地面粗糙度类别和i测点的离地高度有关。每个测点每个风向角下都有一个Pki , 在24个风向角中, 存在一个最大的 Pki和一个最小的Pki , 分别称为最大风压 Pkimax和最小风压Pkimin 。图9给出了50 a重现期各测点的最大风压 Pkimax和最小风压 Pkimin。

但是, 我国规范考虑脉动风荷载的方法时, 仅考虑了地面粗糙度和离地高度两个因素。结构自身的气动特性和周边建筑的干扰作用对脉动风荷载会有很大的影响。因此, 在刚性模型测压风洞试验的基础上, 可利用概率统计的方法得到极值风压[7]

Pimax=ρUG2(Cˉˉˉpi+gσpi)/2 (4)Pimin=ρUG2(Cˉˉˉpi−gσpi)/2 (5)Ρimax=ρUG2(Cˉpi+gσpi)/2(4)Ρimin=ρUG2(Cˉpi-gσpi)/2(5)

式中, σpi为i测点处的净风压系数的根方差值;g为峰值因子, 可取g=3.5。每个测点每个风向角下都有一个Pimax 、Pimin, 在24个风向角中, 存在一个最大的 Pimax和一个最小的 Pimin, 分别称为最大极值风压PˆΡ^imax和最小极值风压PˆΡ^imin 。图10给出了50 a重现期各测点的最大极值风压PˆΡ^imax 和最小极值风压PˆΡ^imin 。

比较图9和图10可知, 按照统计方法得到的最大极值风压和最小极值风压的绝对值, 分别比按照规范方法得到的最大风压和最小风压的绝对值大很多。在这种情况下, 根据规范方法得到的最大风压和最小风压对围护结构进行设计, 将是不安全的, 建议采用概率统计方法得到的极值风压进行围护结构设计。

用于承重结构设计的风荷载 (等效静力风荷载) , 除了需要考虑脉动风荷载的性质外, 还与结构自身的动力特性、来流与结构的耦合作用 (气动弹性) 等有关。我国规范中采用风振系数来考虑脉动风对结构的动力放大作用, 并给出了简单情况下风振系数的计算方法。但是, 对于本文所考虑的空间结构来说, 风振系数不能简单地按照规范方法获得。目前, 等效静力风荷载的研究可采用的方法有阵风荷载因子法 (GLF法) 、荷载响应相关法 (LRC法) 、惯性风荷载法 (GBJ法) 以及LRC法和GBJ法相结合 (背景响应采用LRC法、共振响应采用GBJ法) 的方法。

通过对位于城市中心的郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖进行刚性模型测压风洞试验, 研究了该屋盖的平均风荷载和脉动风荷载的分布特征、上下表面对应点风压的相关性、以及围护结构设计和承重结构设计的风荷载。结果表明: (1) 由于结构本身的形状, 周边建筑的影响, 郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖的上、下表面风压的平均值都以负值为主, 且脉动分量很大。 (2) 该屋盖上下表面对应点风压的相关系数以正值为主, 对屋盖结构的受力是有利的。 (3) 由于没有考虑膜结构屋盖自身的气动特性和周边建筑干扰的影响, 按规范方法计算得到的用于围护结构设计的风荷载小于实际的极值风压;建议围护结构设计采用按概率统计方法得到的极值风压进行。 (4) 用于承重结构设计的风荷载需要通过专门的研究才能获得。