不同外部平台宽度对大跨建筑屋盖风荷载的影响

大学学报（自然科学版）2016年第11期李正农等：不同外部平台宽度对大跨建筑屋盖风荷载的影响1风洞试验简介

1.1试验概况

大跨建筑最大高度30 m，屋盖平面投影近视为圆形，直径136 m.外部平台为圆环形，设置在体育馆外部6 m高度处（体育馆二层楼面高度），平台由立柱支撑.平台宽度选取4 m，8 m，12 m，16 m，20 m 5个典型宽度.试验模型按照1∶200的缩尺比制作，风洞试验模型如图1所示.在模型的屋盖表面共布置133个测点，具体测点布置见图2.定义正西方向来流为0°风向角.由于大跨建筑的对称性，本文仅对0°风向角进行分析.

1.2风场模拟

试验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室HD3风洞进行.HD-3风洞为闭口回流式风洞，模型试验区横截面宽3 m，高2.5 m，转盘直径1.8 m.地貌类型按照B类地貌考虑，按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009 2012）取糙度系数α=0.15，几何缩尺比为1∶200，试验风速为10 m/s.B类地貌的风剖面和湍流度剖面，如图3所示.

1.3试验数据处理

在结构风工程中，物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，测点的净风压系数CPi（t）：

CPi（t）=Pi（t）-P′i（t）12ρV2H （1）

式中：Pi（t）为体育馆模型上单面测点i的风压，P′i（t）为参考高度处的静压，ρ为空气密度，VH为模型前方来流未扰动区参考高度处的平均风速，参考高度取模型顶部高度30 m，即风洞高度150 mm.

风速U/（m·s-1）

图3B类风场风剖面及湍流度

Fig.3The wind profile and turbulence

intensity of terrain category B

对于每个测点，均记录了10 000个Pi的数据.通过对CPi（t）的分析，可得到各测点的平均风压系数CPi，mean和脉动风压系数CPi，rms.

CPi，mean=∑Ni=1CPiN（2）

CPi，rms=1N-1∑Ni=1CPi（t）-C-Pi（t）2（3）

2平均风压和脉动风压特性

由于结构的对称性，仅在0°风向角下取屋盖半结构进行分析.为了更好地研究外部平台宽度对大跨屋盖风压的影响，本文选取了屋盖边缘的测点F层，中部测点D层，中部测点B层的风压系数进行分析.由于屋盖边缘的特殊构造形式，本文对F层测点的奇数偶数测点分开研究.

2.1平均风压系数

图4为无平台和3种平台宽度下屋盖F，D和B层测点的平均风压系数.表1给出了无平台和5种平台宽度下局部测点的平均风压系数.由图4和表1可知：

1） B层和D层测点的平均风压系数分别在-0.25～ -0.3，-0.3～ -0.4范围内，相对于F层测点的更为平稳.有外部平台时，B层和D层测点的平均风压系数绝对值有一定的增大，增幅基本处于10%以内.

2）0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面，平均风压系数为负.由于屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造，F1～F17奇数测点和F2～F18偶数测点的平均风压系数分布规律不一致.F1～F17奇数测点的平均风压系数绝对值在F1点最大，随着气流流动的方向逐渐减小；F2～F18偶数测点的平均风压系数绝对值在F10点突变到最大值.

就平台而言，F1～F17奇数测点的平均风压系数绝对值随着平臺宽度的增加先增大后减小，平台宽度12 m时增幅最大，达到33%，平台宽度20 m时增幅为20%；F2～F18偶数测点仅在F2～F8测点处满足平均风压系数绝对值随平台宽度增加先增后减的规律，但在F10测点的平均风压系数绝对值不仅没有增大，而且在平台宽度4 m时有7%的减小.产生这种现象的原因是外部平台使得来流向建筑物顶面的绕流增强，气流在屋盖迎风面边缘的流体分离加剧.同时，屋盖边缘的凹凸起伏造型对气流的运动也产生显著影响.

3）0°风向角作用下，F19～F36测点位于背风面.F20～F36偶数测点的平均风压系数绝对值随着气流流动的方向逐渐减小；F19～F35奇数测点的变化趋势却相反.

就平台而言，奇数测点在F19～F23处的平均风压系数绝对值不同程度的增大，平台宽度12 m时增幅最大，达到29%，平台宽度20 m时增幅为24%；F29～F35测点处的平均风压系数绝对值在不同宽度平台时有增大也有减小，但增减的幅度均在10%以内.偶数测点的平均风压系数绝对值不同程度地减小了.随着平台宽度的增加，偶数测点的平均风压系数绝对值先减小后增大，平台宽度12 m时减幅最大，达到19%，平台宽度20 m时减幅为15%；产生这种现象的原因是外部平台使得建筑物背后的回旋尾流沿建筑物表面向上的流动受到阻碍，气流在屋盖背风面边缘的流体分离减弱.同时，屋盖边缘的凹凸起伏造型对气流的运动产生显著影响.

从总体上看，外部平台增大了大跨结构屋盖的平均风荷载.随着平台宽度的增大，屋盖的平均风荷载先增大后减小.平台宽度12 m时最不利，其最大增幅达到33%.平台宽度20 m时为20%.

2.2脉动风压系数

2）0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面.奇数测点在F7～F17的脉动风压系数较大，在靠近来流的F1～F5反而比较小，这与平均风压的分布规律不一致.偶数测点的脉动风压分布规律与平均风压的分布规律较一致，脉动风压系数最大值和平均风压系数绝对值最大值出现位置相同.造成这种现象的主要原因是屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造.

2）0°风向角作用下，F1～F18测点位于迎风面.奇数测点在F7～F17的脉动风压系数较大，在靠近来流的F1～F5反而比较小，这与平均风压的分布规律不一致.偶数测点的脉动风压分布规律与平均风压的分布规律较一致，脉动风压系数最大值和平均风压系数绝对值最大值出现位置相同.造成这种现象的主要原因是屋盖边缘特殊的凹凸起伏构造.

就平台而言，平台宽度12 m时，奇数测点F1～F13的脉动风压系数绝对值明显增大，最大增幅为10%，偶数测点仅在F2～F8处的脉动风压系数绝对值增大，最大增幅为9%.其余平台宽度对于脉动风压系数的影响基本在5%以内.

3）0°风向角作用下，F19～F36测点位于背风面.F22～F36的奇数测点和偶数测点的脉动风压系数变化趋势较为一致，它们在数值上也比较接近，均在来流方向上逐渐减小.

外部平台对于奇偶测点脉动风压的影响相同.有外部平台时，F22～F36测点的脉动风压系数绝对值不同程度地减小.其减幅随着平台宽度的增加而增加.平台宽度4 m时减幅最小，为7%；平台宽度20 m时减幅最大，达到19%.

从总体上看，外部平台增大了大跨结构屋盖的脉动风荷载，平台宽度12 m时最不利，其增幅达到11%.平台宽度20 m时，增幅为8%，其余平台宽度下的增幅基本在5%以内.屋盖背风面边缘的脉动风荷载随着平台宽度的增加而减小，平台宽度20 m时可达19%.

3结论

本文详细研究了0°风向角下，不同宽度的外部平台对于大跨建筑屋盖平均风压系数和脉动风压系数的影响，得到以下结论：

1） 外部平台增大了大跨结构屋盖的平均风荷载.随着平台宽度的增大，屋盖的平均风荷载先增大后减小.平台宽度12 m时最不利，其最大增幅达到33%.平台宽度20 m时为20%.

2） 外部平台增大了大跨结构屋盖的脉动风荷载，平台宽度12 m时最不利，其增幅达到11%.平台宽度20 m时，增幅为8%，其余平台宽度下的增幅基本在5%以内.屋盖背风面边缘的脉动风荷载随着平台宽度的增加而减小，平台宽度20 m时可达19%.

3） 近几年来，外部平台被越来越多地采用到大跨建筑设计中，相对于无平台的大跨建筑而言，有平台大跨屋盖局部位置所承受的平均风荷载和脉动风荷载有显著增强，这对于结构是不利的，应当引起设计人员的注意.

参考文献

[1]PRASAD D， ULIATE T， AHMED M R. Wind loads on lowrise building models with different roof configurations[J]. International Journal of Fluid Mechanics Research， 2009， 53（3）：46-51.

[2]谢壮宁， 倪振华， 石碧青. 大跨屋盖风荷载特性的风洞试验研究[J]. 建筑结构学报， 2001， 22（2）：23-28.

XIE Zhuangning， NI Zhenhua， SHI Biqing.Experimental investigation on characteristics of wind load on large[J]. Journal of Building Structures，2001， 22（2）：23-28.（In Chinese）

[3]程志军， 楼文娟， 孙炳楠，等. 屋面风荷载及风致破坏机理[J]. 建筑结构学报， 2000， 21（4）：39-47.

CHENG Zhijun， LOU Wenjuan，SUN Bingnan， et al.Wind load on roof structures and mechanism of windinduced damages[J]. Journal of Building Structures，2000， 21（4）：39-47.（In Chinese）

[4]MARIGHETTI J， WITTWER A， BORTOLI M De， et al. Fluctuating and mean pressure measurements on a stadium covering in wind tunnel[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 2000， 84（99）：321-328.

[5]MELBOURNE W H. The response of large roofs to wind action[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 1995， 54（2）：325-335.

[6]沈国辉， 孙炳楠， 楼文娟. 大跨屋盖悬挑结构的风荷载分析[J]. 空气动力学学报， 2004， 22（1）：41-46.

SHEN Guohui， SUN Bingnan， LOU Wenjuan.Wind load on cantilevered structures of long span roofs[J]. Acta Aerodynamica Sinica，2004， 22（1）：41-46.（In Chinese）

[7]李波， 杨庆山， 冯少华，等. 周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究[J]. 实验流体力学， 2012， 26（5）：27-30.

LI Bo，YANG Qingshun，FENG Shaohua，et al. Research on the interference on the wind load effect of surrounding buildings of longspan roof[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2012， 26（5）：27-30.（In Chinese）

[8]魏庆鼎. 透风性女儿墙对尖屋顶风荷载的影响[J]. 气动实验与测量控制， 1992， 6（1）： 25-33.

WEI Qingding. The effect of parapet with opening on wind loading of an oblique roof[J]. Aerodynamic Experiment and Measurement &Control， 1992， 6（1）： 25-33. （In Chinese）

[9]余世策， 樓文娟， 孙炳楠，等. 开孔大跨屋盖结构的内部风效应研究[J]. 浙江大学学报：工学版， 2005， 39（8）：1206-1211.

YU Shice，LOU Wenjuan，SUN Bingnan，et al. Internal wind effect for long span roof structure with openings[J]. Journal of Zhejiang University： Engineering Science， 2005， 39（8）：1206-1211. （In Chinese）

[10]李寿科， 李寿英， 陈政清. 开合屋盖体育场风荷载特性试验研究[J]. 建筑结构学报， 2010， 31（10）：17-23.

LI Shouke，LI Shouying，CHEN Zhengqing . Experimental investigation on wind loading ofa stadium with a retractable roof[J]. Journal of Building Structures，2010， 31（10）：17-23. （In Chinese）

[11]沈国辉， 钱涛， 罗蒋皓， 等. 不同长宽比矩形截面高层建筑的风荷载研究[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2015， 42（3）： 77-83.

SHEN Guohui，QIAN Tao，LUO Jianghao，et al. Study of wind loading on rectangular highrise buildings with various lengthtowidth ratios[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2015，42（3）：77-83. （In Chinese）

[12]李正农， 康建彬. 风场和周边干扰对高层建筑峰值风压的影响[J]. 湖南大学学报：自然科学版， 2014， 41（4）：78-86.

LI Zhengnong，KANG Jiangbin. Influence of terrain categories and surrounding interference on the peak pressure of highrise buildings[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2014， 41（4）：78-86.（In Chinese）

[13]李正农， 郝艳峰， 刘申会. 不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版， 2013， 40（7）： 9-15.