台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 1 期 2012 年 1 月 Vol. 33No. 1Jan． 2012 007 文章编号 1000-6869 2012 01-0051-07 台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究 楼文娟 1，蒋 莹 1，薛晓勇2，陈文龙2，沈国辉1 1． 浙江大学 结构工程研究所，浙江杭州 310058; 2． 杭州奥体博览中心建设投资有限公司，浙江杭州 310052 摘要 通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、 强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场 罩棚为原型制作 1∶ 300 刚性模型， 进行了常规 B 类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据， 从测点风压和 总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析， 重点比较了典型测点在典型风向角下 的风压分布规律及相互关系。结果表明 两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似， 但各风向角下台风风场中的屋盖 总体升力比 B 类风场增大 8 ～25; 台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比 B 类 风场大 27 ～46， 各测点的极值风压均明显高于常规 B 类风场作用下的对应值， 比值约为 1. 13 ～1. 70， 因此对于台风多 发地区的大型体育场屋盖设计， 必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。 关键词 大跨度结构;台风风场;风洞试验;风荷载 中图分类号 TU393. 3TU312. 1TU317. 1 文献标志码 A Wind tunnel test for wind pressure distribution on stadium canopy under typhoon wind field LOU Wenjuan1，JIANG Ying1，XUE Xiaoyong2，CHEN Wenlong2，SHEN Guohui1 1． Institute of Structural Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China; 2． Hangzhou Olympic Sports Center Investment Co．，Ltd，Hangzhou 310052，China AbstractHigh turbulence and strong variability of typhoon wind field have great influence on long span structures． Rigid model wind tunnel tests under conventional terrain B wind field and typhoon wind field were pered to a 1∶ 300 scale model of a stadium canopy for investigating the wind pressure distribution． Based on test data，overall wind pressure statistical distribution and lifting force of the stadium canopy were discussed．Moreover，a detailed comparative study was conducted towards typical measured section in typical wind azimuths to present the wind pressure distribution principle and mutual relationship under two types of wind field． Essential conclusions are as follows． Under the two types of wind field，mean wind pressure distributions are similar，the lifting force on the whole roof in all wind azimuths under typhoon wind field is larger than that of terrain B wind field by 8 ～25． Calculated from peak negative wind pressure，the lifting force under typhoon wind field is larger than that of terrain B wind field by 27 ～ 46． The peak wind pressure under typhoon wind field is significantly greater than the corresponding values under conventional terrain B wind field with the average ratio of about 1. 13 ～1. 70． Test results prove the high turbulence characteristic of typhoon wind field and show the necessity to consider the fluctuating wind pressure magnification effect on stadium design in typhoon- prone regions． Keywordslong span structure;typhoon wind field;wind tunnel test;wind load 基金项目 浙江省重点创新团队支持计划项目 2009R50050 。 作者简介 楼文娟 1963 ， 女， 浙江绍兴人， 工学博士， 教授。E- mail louwj zju. edu. cn 收稿日期 2011 年 1 月 15 0引言 我国东南沿海是台风多发地区， 土木工程结构 抗风设计主要针对台风作用， 但目前规范并没有给 出台风作用下建筑物风荷载的相关规定。近年来， 相关学者对沿海城市近地层台风风场特性进行了一 些探索。Xu 等 ［1 ］基于安装在深圳地王大厦的风速和 结构监测系统， 记录了 1999 年台风“约克” 登陆前后 的风特性信息， 有利于结构风洞试验的风场确定。 方平治等 ［2 ］采用三维超声风速仪对 2007 年第 9 号台 风 “圣帕” 进行了实测， 分析了不同登陆地区台风风 场特性的差异。实测研究表明， 与常规风场条件相 比， 台风风场具有高强度、 高湍流、 离散性大等特征， 且存在较复杂的风向角变化， 而目前众多的风洞试 验都是在模拟标准边界层风场进行的 ［3-4 ］， 因此有必 要进行台风风场作用下的试验研究以明确两类风场 作用下结构风效应的差异。 赵林等 ［5-6 ］以大跨度桥梁为例通过风洞试验和 数值模拟比较分析了良态和台风两类风环境中平均 风位移、 风致抖振响应等的异同， 结果表明台风条件 下抖振响应结果起控制作用， 平均超出良态风条件 结果 27. 2 。Liu 等 ［7 ］和 Li 等［8 ］分别进行了台风风 场作用下独立住宅和高层建筑风荷载实测和风洞试 验研究。但对于大跨屋盖结构在台风高湍流风场作 用下的风压分布特性及其与标准边界层风场结果的 差异等研究鲜有文献报道。 本文以某体育场罩棚结构为原型， 制作 1∶ 300 刚 性模型， 进行了常规 B 类风场和台风风场作用下的 测压对比试验， 研究了台风风场高湍流、 强变异性等 特征对大跨结构风压分布特性的影响。 1台风风场和风洞试验 1. 1台风风场 基于实测数据，Powell 等 ［9 ］指出近地200 m 内台 风边 界 层 平 均 风 速 随 高 度 变 化 符 合 对 数 率。 Choi［10- 11 ］针对香港台风观测结果的研究表明台风边 界层内的竖向风速剖面可沿用 Davenport 提出的良态 风指数变化公式， 地面粗糙度指数 α 大于良态风条 件下的取值， 而梯度风高度很小， 仅相当于季风条件 下的一半。戴益民等 ［12 ］在广东某地沿海实测台风 “达维” 等的平均风速变化规律也与指数率较吻合， 但拟合的地面粗糙度指数 α 略小于良态风条件下的 取值， 与 Choi 的研究结果存在差异。 台风风场的湍流强度和阵风因子均显著高于常 规风场， 其中主风向湍流强度可增大 2 倍以上 ［2 ］。 目前， 澳大利亚、 日本等国规范以及 Sharma［13 ］、 田浦、 石沅等学者都提出过不同的湍流强度计算表达式， 并已得到了工程应用 ［9- 10， 14 ］。关于脉动风速功率谱， von Karman 谱被认为与现有实测台风数据较为吻合， 尤其是在低频段 ［15- 16 ］。 台风风速和湍流度剖面在我国现行规范中没有 规定。根据香港城市大学李秋胜课题组基于 100 m 近海岸测风塔和 2 个移动追风房屋测试系统对我国 沿海近地台风风场特性的实测研究， 得出台风风场 的一组参考指标 在 200 m 范围内风速剖面基本符合 指数率分布， 地面粗糙度指数 α 0. 142。湍流度建 议计算式 Iu c 10/z d 1 式中 c 0. 354; d 0. 334; z 为距离地面高度。本 文风洞试验的台风风场按上述数据模拟。 1. 2风洞试验 杭州奥体博览中心主体育场平面形状近似椭 圆， 下部为混凝土看台及功能用房， 上部钢结构悬挑 罩棚由两类不同形状及大小的花瓣状结构单元交错 排列组成， 结构单元共 14 个， 如图 1 所示。 图 1杭州奥体中心主体育场西侧面效果图 Fig． 1West elevation view of the Hangzhou Olympic Sports Center Stadium 风洞试验模型采用 1∶ 300 的几何缩尺比， 模型总 高度约 0. 20 m， 长轴方向长约 1. 12 m， 短轴方向长约 0. 96 m， 模型外观如图 2 所示。模型在风洞中的最大 阻塞比小于 6， 满足风洞试验要求。 图 2杭州奥体中心主体育场风洞试验模型 Fig． 2Wind tunnel test model 为了研究台风风场作用下体育场罩棚的风压分 布特性， 并与常规 B 类风场的试验结果对比， 在风洞 25 中分别模拟了常规 B 类边界层和台风边界层，B 类 边界层的湍流度模拟参考日本荷载规范形式 Iu A z 350 －α－0. 05 2 式中 z 为距离地面高度， A 为常数， 当 z 30 m 时， 要求 Iu 0. 16。风洞中采用尖塔、 格栅和粗糙元等 实现两类风场的模拟。图 3 为风洞模拟的风速及湍 流度剖面 散点 与理论值 实线 对比。图 4 为风洞 试验参考点高度 B 类和台风风场分别取 150 m 和 90 m 的水平脉动风速谱对比。 aB 类风场 b台风风场 图 3风洞模拟风速和湍流度剖面 Fig． 3Mean wind speed and turbulence intensity profiles in wind tunnel test 风压测量采用由 DTC Initium 电子压力扫描阀、 PC 机、 自编信号采集及数据处理软件组成的风压测 量、 记录及数据处理系统。测压信号采样频率约为 330 Hz， 采样时间为 20 s。根据建筑结构特征， 在体 育场罩棚的内、 外表面各布置 514 个测点。风向角在 0 ～360范围内每隔 15选取， 如图 5 所示。 按目前国内外风工程实测惯用方法， 各测点风 压系数为 Cpi pi－ p∞ 0. 5ρU2 ∞ 3 式中 Cpi为建筑物表面某测点 i 的风压系数; pi为测 点 i 的风压值; p∞为参考点静压力值; U∞为参考点 的风速。各测点的极大和极小风压系数 Cpmax和 Cpmin 图 4风洞试验参考点高度的水平脉动风速谱 Fig． 4Horizontal fluctuating wind spectrum at height of reference point in wind tunnel test 图 5风向角示意图 Fig． 5Wind azimuth 分别按式 4 、 5 计算。 Cpmax Cpmean 3Cprms 4 Cpmin Cpmean－ 3Cprms 5 式中 Cpmean为平均风压系数， Cprms为均方根风压系数。 2试验结果与分析 2. 1风压分布总体特性 由于体育场罩棚属于敞开结构， 内 下 、 外 上 表面同时受到风荷载作用， 因此文中讨论的测点风 压均为内外表面叠加后的净风压， 标准地貌 10 m 高 度的 基 本 风 压 按 工 程 所 在 地 区 100 年 一 遇 取 0. 5 kN/m2。 图 6 为两类风场作用时全部风向角下所有测点 的风压分布统计图， 横坐标表示风压分布区间值， 纵 坐标表示所有风向角下风压位于该区间的样本数占 全部样本数 即 514 24 共 12 236 个样本 的比率。 由图 6a 可见， 在两类风场作用下， 体育场罩棚的平均 风压分布较为接近， 而台风风场作用下的平均负风 压绝对值比 B 类风场的相应数值要大一些， 尤其在 平均负风压绝对值较大的区域。B 类风场作用下平 均负风压小于 － 0. 5 kN/m2的比例累计有 12. 32， 35 a平均风压比较 b极值负风压比较 图 6全部风向角下测点平均风压与极值负风压比较 Fig． 6Comparison of mean wind pressure peak negative wind pressure under all azimuths 而模拟台风风场作用下平均负风压小于 －0. 5 kN/m2 的比例累计达到 16. 55。 由于台风风场的高湍流特性， 台风风场作用下 极值负风压绝对值较大区域的样本比率远高于 B 类 风场作用下的样本比率。如图 6b 所示， B 类风场作 用下极值负风压小于 － 1. 0 kN/m2的比例累计有 7. 11， 而模拟台风作用下极值负风压小于 － 1. 0 kN/m2的比例累计达到 15. 61。 对于屋面测点， 上表面受负压， 下表面受正压， “上吸下顶”叠加之后的屋面合力为升力。由于屋 面测点布置比较均匀， 所以可用所有屋面测点风压 的平均值来估算两类风场作用下体育场罩棚受到的 总体升力。结果表明， 基于平均风压计算的总体升 力， 各风向角下台风风场作用下的升力值比 B 类风 场作用下的升力值大 8 ～25， 平均大 15。而基 于极值负风压计算的总体升力， 各风向角下台风风 场作用下的升力值比 B 类风场作用下的升力值大 27 ～46， 平均大 35。可见台风风场作用下屋 盖总体升力大于 B 类风场作用下的升力， 且增幅较 大， 在设计中应引起注意。 2. 2典型测压区风压分布特性 为了考察两类风场作用下罩棚结构风压分布特 性的异同， 根据结构对称性， 选取图 2 中 H 花瓣的 35 对测点为典型测点， 0和 90为典型风向角进行详细 分析。 aH 花瓣侧面 bH 花瓣顶面 图 7 0风向角下各测点两类风场作用下平均风压 对比 括号内为台风风场作用的结果 Fig． 7Comparison of mean wind pressure at 0 wind azimuth under two types of wind field 2. 2. 1平均风压分布特性 平均风压直接反映结构表面的风压分布特性。 图 7 给出了 0风向角下各测点的平均风压， 括号内、 外数据分别为台风风场和 B 类风场作用下的风压值 单位 kN/m2， 以下各图同 。如图 7 所示， 侧面 迎 风面 的测点 H- 1 ～ H- 11 和 H- 33 ～ H- 35 均受正压 作用， 而屋面转角处由于发生气流分离导致测点 H- 12 ～ H- 14 承受较大的负压， 其中位于主次花瓣交接 处的测点 H- 13 的平均负压绝对值高达 2. 21 kN/m2， 远远超过规范中该高度对应的风压值 0. 86 kN/m2， 设计中应引起注意。屋面测点 H- 15 ～ H- 32 均为负 压， 且越靠近结构中心所受的吸力越小。侧面主花 瓣所受压力大于次花瓣， 屋面主花瓣所受吸力大于 次花瓣。 45 图 8 为 90风向角下各测点平均风压的分布情 况， 绝大多数测点受负压作用。0风向角下平均负风 压绝对值最大的测点 H- 13 在 90风向角下由于位置 内凹导致风压较小， 仅为 0. 02－ 0. 10kN/m2。而 位于花瓣边缘及屋面转角等气流分离区的测点 H- 9， H- 12，H- 14， H- 15 所受平均负压绝对值均较大。 aH 花瓣侧面 bH 花瓣顶面 图 890风向角下各测点两类风场下平均风压分布图 括号内为台风风场的结果 Fig． 8Comparison of mean wind pressure at 90 wind azimuth under two types of wind field 由两类风场作用下各测点平均风压对比分析表 明， 尽管存在数值差异， 但罩棚结构的平均风压分布 规律基本类似。受台风风场高湍流特性影响， 承受 负压部位 图 7 中的屋面及屋面侧面转角， 图 8 所受 的吸力多数大于 B 类风场下的对应值。但是两类风 场作用下承受正压部位 图 7 中的侧面 的压力变化 规律并不明显。 2. 2. 2极值风压分布特性 图 9 和图10 分别为 0和90风向角下 H 花瓣各 测点极值风压分布图。除极个别测点外， 台风风场 作用下的各点极值风压绝对值均明显大于常规 B 类 风场作用下的对应值。0风向角下， H- 13 测点的极 值风压为 － 3. 34－ 3. 64kN/m2， 仍是所有测点极 值风压绝对值的最大者。经统计， 对于 0和 90典型 风向角， 台风风场作用下 H 花瓣内各测点极值风压 与常规 B 类风场作用下的对应值之比平均为 1. 25 和 1. 66， 对于全部风向角， 该值在 1. 13 ～ 1. 70 之间， 因此工程设计中必须考虑台风风场高湍流特性导致 的极值风压放大效应。 aH 花瓣侧面 bH 花瓣顶面 图 90风向角下各测点两类风场下极值风压分布图 括号内为台风风场的结果 Fig． 9Comparison of peak negative wind pressure at 0 wind azimuth under two types of wind field 3结论 基于杭州奥体中心体育场罩棚在常规 B 类风场 和台风风场作用下的刚性模型测压风洞试验， 比较 结构风压分布总体特性以及典型测点在典型风向角 下的风压可以得出以下结论 1 全部风向角下所有测点的风压统计显示， 台 风风场作用下平均负风压绝对值较大区域的样本比 率比 B 类风场的数据大， 极值负风压绝对值较大区 域的样本比率远高于 B 类风场作用下的数据。台风 风场作用下基于极值负风压求得的总体升力比 B 类 风场大 27 ～46， 在设计中应引起注意。 2 罩棚屋面主要表现为负压。总体而言， 主花 55 aH 花瓣侧面 bH 花瓣顶面 图 1090风向角下各测点两类风场下极值风压分布图 括号内为台风风场的结果 Fig． 10Comparison of peak negative wind pressure at 90 wind azimuth under two types of wind field 瓣所受风压大于次花瓣所受风压。 3 对于平均风压， 两类风场作用下的分布规律 基本类似。受台风风场高湍流特性影响， 承受负压 部位所受的吸力多数大于 B 类风场作用下的对应 值。但承受正压部位的压力变化规律并不明显。0 风向角下， 侧面主次花瓣交接处测点受到正压作用 较大。 4 对于极值风压， 台风风场的高湍流特性导致 各测点风压明显大于常规 B 类风场作用下的对应 值， 两者比值为 1. 13 ～1. 70， 因此在台风多发地区的 大型体育场等大跨屋盖结构设计中必须考虑台风风 场高湍流所致的脉动风压增大效应。 本次风洞试验中台风风场的模拟基于现有我国 沿海近地台风风场特性的实测研究， 而实测资料仅 是依据个别台风所得的有限数据， 鉴于台风风场时 空分布的强变异性， 尚需进行更多的实测研究。 参考文献 ［ 1］ Xu Y L，Zhan S．Field measurements of Di Wang Tower during Typhoon York ［J］ ． Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2001， 89 1 73- 89． ［ 2］ 方平治， 赵兵科， 邵德民， 等． “圣帕” 台风登陆前后 的近地风场特征［ C］/ / 第十四届全国结构工程学术 会议论文集 57-62． ［ 3］ 李宏男， 伊廷华． 大连市贝壳博物馆表面风压分布 特性风洞试验研究［ J］ ． 建筑结构学报，2007， 28 增 刊 90- 97． LI Hongnan，YI 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