開(kāi)孔屋蓋風(fēng)壓試驗(yàn)與風(fēng)荷載分析

開(kāi)孔屋蓋風(fēng)壓試驗(yàn)與風(fēng)荷載分析

0開(kāi)孔建筑內(nèi)壓響應(yīng)打開(kāi)大型比賽場(chǎng)可以滿(mǎn)足多種氣候和公眾的需求。當(dāng)活動(dòng)屋頂關(guān)閉時(shí)，健身房的內(nèi)部風(fēng)壓為零?；顒?dòng)屋頂?shù)拈_(kāi)放將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的大氣壓，這將對(duì)屋頂?shù)娘L(fēng)負(fù)荷產(chǎn)生很大影響。開(kāi)合屋蓋大跨度體育場(chǎng)屬于一種開(kāi)孔結(jié)構(gòu),對(duì)于開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)的研究國(guó)外開(kāi)展較早,Holmes對(duì)一立墻開(kāi)孔的雙坡低矮房屋進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),研究了內(nèi)壓脈動(dòng)響應(yīng)和風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)有的正確體積縮尺比,并推導(dǎo)了內(nèi)壓響應(yīng)可由Helmohotz共振方程表示。Liu等研究了一矩形建筑立墻迎風(fēng)面突然開(kāi)孔時(shí)內(nèi)壓的變化,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓穩(wěn)態(tài)振動(dòng)要比瞬態(tài)振動(dòng)更加地顯著。Vickery等在基于伯努利方程假設(shè)的基礎(chǔ)上研究了開(kāi)孔建筑的內(nèi)、外風(fēng)壓特性,建立了內(nèi)壓響應(yīng)的Helmohotz方程,但沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。Woods等研究了一矩形模型在多種開(kāi)孔大小情況下的內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)。Sharma等對(duì)一縮尺比為1∶50的TexasTechUniversity(TTU)建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),研究?jī)?nèi)壓響應(yīng)方程及柔度對(duì)內(nèi)壓響應(yīng)的影響。Pearce等對(duì)一多種內(nèi)部容積及多種屋蓋柔度的立墻開(kāi)孔圓柱形建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:內(nèi)壓響應(yīng)的Helmohotz頻率隨內(nèi)部容積和屋蓋柔度的增大而減小。Ginger等對(duì)全尺寸的TTU建筑在迎風(fēng)面開(kāi)孔時(shí)進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究,結(jié)果表明在屋蓋的迎風(fēng)面邊緣的凈壓值大于澳洲規(guī)范的給定值。國(guó)內(nèi)學(xué)者,盧旦等對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)瞬時(shí)內(nèi)壓響應(yīng)進(jìn)行了最大凈風(fēng)壓的估算。余世策等采用了矩形剛性模型進(jìn)行了開(kāi)孔結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn),研究了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù),其開(kāi)孔位置為立墻的迎風(fēng)面。余世策等還通過(guò)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了Helmholtz頻率對(duì)開(kāi)孔建筑屋蓋風(fēng)致響應(yīng)的影響。黃鵬等研究了大跨度屋蓋頂部開(kāi)洞后的風(fēng)荷載特性,研究表明屋蓋開(kāi)洞后屋蓋上的風(fēng)壓有一定程度的降低。已有的研究成果主要基于立墻開(kāi)孔的矩形建筑,研究建筑內(nèi)外風(fēng)壓特性和內(nèi)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律以及屋蓋柔度對(duì)建筑內(nèi)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響,得到了對(duì)于立墻開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)可由Helmohotz共振方程來(lái)表示的結(jié)論,并通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)屋蓋凈壓在立墻迎風(fēng)面開(kāi)孔時(shí)均有不同程度的增加。本文以頂部開(kāi)孔的橢圓形開(kāi)合屋蓋大跨度體育場(chǎng)為研究對(duì)象,研究活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)屋蓋風(fēng)荷載特性,分析活動(dòng)屋蓋的開(kāi)啟對(duì)固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋的總體型系數(shù)、平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)、極小值風(fēng)壓系數(shù)的影響,探討屋蓋開(kāi)孔時(shí)屋蓋的凈壓變化規(guī)律。1試驗(yàn)總結(jié)1.1活動(dòng)屋蓋及其特征以?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)為工程背景,該體育場(chǎng)屋蓋由活動(dòng)屋蓋和固定屋蓋組成,平面為橢圓形,長(zhǎng)軸270m、短軸220m,中心具有一長(zhǎng)106m、寬80m的矩形開(kāi)孔,屋蓋最高點(diǎn)標(biāo)高為60m。活動(dòng)屋蓋位于屋蓋的中心區(qū),長(zhǎng)135m、寬86m,活動(dòng)屋蓋可以關(guān)閉和開(kāi)啟。活動(dòng)屋蓋包括對(duì)稱(chēng)的兩部份,開(kāi)啟時(shí)兩部份分別向兩側(cè)滑移,與固定屋蓋重合,其開(kāi)合位置如圖1所示,且固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋之間的豎向標(biāo)高間距1.5m。整個(gè)屋蓋由周邊支座、橫跨屋蓋長(zhǎng)軸的巨拱共同支撐,屋蓋通過(guò)拉索懸吊在巨拱上。其中巨拱跨度315m,頂部最高點(diǎn)130m。另外體育場(chǎng)還包括一座裙房,其屋蓋標(biāo)高低于主屋蓋標(biāo)高。圖1給出了內(nèi)蒙古鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)平面示意圖。本文僅研究活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟對(duì)主屋蓋風(fēng)荷載的影響。1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)點(diǎn)布置試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃制作,模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)在外形上保持幾何相似,縮尺比為1∶300,試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?jiàn)圖2。在固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋上共布置408個(gè)測(cè)點(diǎn),其中上、下表面各204個(gè),上、下表面測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。試驗(yàn)中參考高度為50cm,相當(dāng)于實(shí)際高度150m。1.3立墻開(kāi)孔的影響風(fēng)洞試驗(yàn)包括活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟2個(gè)工況。需要說(shuō)明的是,鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)的立墻有16.4%的開(kāi)孔(圖2),本文不考慮立墻開(kāi)孔的影響,故試驗(yàn)時(shí)采用透明膠布將立墻開(kāi)孔密封。風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)向角定義見(jiàn)圖1,風(fēng)向角間隔10°,2個(gè)工況共72個(gè)風(fēng)向角。采樣時(shí)長(zhǎng)20s,采樣頻率330Hz。1.4湍流度剖面和主植物基本風(fēng)場(chǎng)鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)周邊地形與GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的B類(lèi)地貌類(lèi)似,在HD-2風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段模擬了B類(lèi)地貌風(fēng)場(chǎng),轉(zhuǎn)盤(pán)中心處的平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面和50cm高處的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜見(jiàn)圖4。圖4a中的實(shí)線(xiàn)為GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類(lèi)風(fēng)場(chǎng)理論平均剖面,離散點(diǎn)為試驗(yàn)得到的平均風(fēng)速和湍流度剖面,從圖4a可以看出,風(fēng)洞中模擬的平均風(fēng)速剖面與GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的B類(lèi)風(fēng)場(chǎng)基本一致,湍流度剖面也與實(shí)際大氣中的情況基本一致。圖4b給出了風(fēng)洞中50cm高處的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜,從圖4b中可以看出,風(fēng)洞中的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜與常用的理論譜(vonKarman譜,Kaimal譜,Davenport譜)基本一致。2屋蓋體型系數(shù)測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)Cpi(t)定義為:Cpi(t)=Pi(t)?P00.5ρu2h(1)Cpi(t)=Ρi(t)-Ρ00.5ρuh2(1)式中:Pi(t)為風(fēng)洞試驗(yàn)中壓力掃描閥測(cè)得的風(fēng)壓時(shí)程;P0為風(fēng)洞試驗(yàn)段的靜壓;ρ為空氣密度,取ρ=1.225kg/m3;uh為屋蓋最高點(diǎn)處的平均風(fēng)速。Cpi(t)的平均值CˉˉˉCˉpi和根方差值C?C?pi分別稱(chēng)為平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。屋蓋上表面的平均風(fēng)壓系數(shù)減下表面的平均風(fēng)壓系數(shù)稱(chēng)為凈平均風(fēng)壓系數(shù),同理可得凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。文中所有風(fēng)壓系數(shù)均以屋蓋最高點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行處理。定義屋蓋體型系數(shù)μs為:μs=∑i=1NCˉˉˉpiAiA(hhˉ)2α(2)μs=∑i=1ΝCˉpiAiA(hhˉ)2α(2)式中:N為屋蓋的測(cè)點(diǎn)總數(shù);Ai為測(cè)點(diǎn)i所代表的面積;A為屋蓋的總面積;h為屋蓋的最高點(diǎn)高度;hˉhˉ為屋蓋的平均高度;α為地面粗糙度指數(shù),對(duì)B類(lèi)風(fēng)場(chǎng),α=0.16。屋蓋上表面體型系數(shù)減下表面體型系數(shù)為凈體型系數(shù)。2.1活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)雙面質(zhì)量的特征圖5給出了活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)固定屋蓋上表面、下表面和凈體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化的規(guī)律。從圖中可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟和關(guān)閉兩種工況下固定屋蓋上表面體型系數(shù)變化趨勢(shì)一致,大小基本相等,且均在-0.39～-0.50之間變化,這說(shuō)明活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟對(duì)固定屋蓋上表面的風(fēng)荷載影響較小。當(dāng)活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí),由于基本密封,固定屋蓋下表面體型系數(shù)為零;但當(dāng)活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí),固定屋蓋下表面出現(xiàn)了-0.40～-0.55的負(fù)體型系數(shù)(圖5),說(shuō)明當(dāng)活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí),固定屋蓋下表面受到了向下的平均風(fēng)吸力。從圖5可以看出,由于活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟使得固定屋蓋下表面受到較大的向下風(fēng)荷載,導(dǎo)致活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)固定屋蓋的凈體型系數(shù)基本接近與零,為-0.01～0.05?；顒?dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí),固定屋蓋的凈體型系數(shù)在-0.39～-0.50之間。因此,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)固定屋蓋上表面的平均風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)的平均風(fēng)荷載。圖6給出了活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)活動(dòng)屋蓋上表面、下表面和凈體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。從圖6可以看出,活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)活動(dòng)屋蓋上表面體型系數(shù)的大小在-0.58～-0.71范圍內(nèi),活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)其值在-0.37～-0.62范圍內(nèi)。在所有風(fēng)向角下,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)活動(dòng)屋蓋上表面的體型系數(shù)均大于活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)的值,這主要是因?yàn)榛顒?dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)活動(dòng)屋蓋所處的空間位置不同造成的?；顒?dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí),其下表面的體型系數(shù)也為零。當(dāng)活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí),活動(dòng)屋蓋與部分固定屋蓋重合,間距為1.5m(模型間距為5mm),可以透風(fēng),從而造成活動(dòng)屋蓋下表面較大的負(fù)體型系數(shù)(-0.27～-0.49),表現(xiàn)為向下的風(fēng)吸力。活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)其凈體型系數(shù)分別在-0.58～-0.71和-0.07～-0.21范圍內(nèi),這說(shuō)明活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)活動(dòng)屋蓋向上的平均風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)的值。2.2活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟對(duì)平均風(fēng)壓系數(shù)的影響從圖5和圖6中可以看出,屋蓋最大平均風(fēng)荷載出現(xiàn)在180°風(fēng)向角附近,為此本文僅研究180°風(fēng)向角下屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。圖7給出了活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下固定屋蓋上表面、下表面和凈平均風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖7a可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下,固定屋蓋上表面迎風(fēng)側(cè)平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.6左右,在左右兩側(cè)出現(xiàn)-0.9平均風(fēng)壓系數(shù),說(shuō)明此處氣流分離較為強(qiáng)烈,尾流區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.3～-0.8之間?；顒?dòng)屋蓋開(kāi)啟對(duì)固定屋蓋下表面平均風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生較大影響。從圖7b可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)固定屋蓋下表面平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.42～-0.48范圍內(nèi),分布較為均勻,最小值-0.48出現(xiàn)在屋頂口的氣流分離處。正是由于下表面負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù),與上表面的負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)相互抵消,使得屋蓋大部分區(qū)域的凈平均風(fēng)壓系數(shù)接近于零,如圖7c所示。因此,從平均風(fēng)壓系數(shù)分布的研究可以得到與2.1小節(jié)相同的結(jié)論:活動(dòng)屋蓋的開(kāi)啟,可有效減小固定屋蓋上的平均風(fēng)荷載。圖8給出了活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下活動(dòng)屋蓋上表面、下表面和凈平均風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖8a可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下,活動(dòng)屋蓋上表面平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.20～-0.80范圍內(nèi),在左右兩側(cè)出現(xiàn)由-0.20變?yōu)?0.80的突變區(qū)域,說(shuō)明此處的氣流分離較為強(qiáng)烈,尾流區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.5～-0.8之間?；顒?dòng)屋蓋開(kāi)啟對(duì)活動(dòng)屋蓋下表面平均風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生較大影響。從圖8b可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)活動(dòng)屋蓋的下表面平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.3～-0.6范圍內(nèi)。正是由于活動(dòng)屋蓋下表面的負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù),與上表面的負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)相互抵消,使得開(kāi)啟狀態(tài)下活動(dòng)屋蓋大部分區(qū)域的凈平均風(fēng)壓系數(shù)(0.2～-0.4)較活動(dòng)屋蓋關(guān)閉狀態(tài)小,如圖8c所示。2.3活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟和關(guān)閉情況圖9給出了活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下固定屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖9a可以看出,活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)180°風(fēng)向角下固定屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.04～0.24范圍內(nèi),最大值0.24出現(xiàn)在固定屋蓋左側(cè)。由圖9b可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下固定屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.04～0.34范圍內(nèi)分布,最大值0.34出現(xiàn)在固定屋蓋屋頂口處,此處的來(lái)流分離最為強(qiáng)烈。從總體上看,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟增大了固定屋蓋的凈脈動(dòng)風(fēng)荷載。圖10給出了活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下活動(dòng)屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖10a可以看出,活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)180°風(fēng)向角下活動(dòng)屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.06～0.20范圍內(nèi),最大值0.20出現(xiàn)在活動(dòng)屋蓋的迎風(fēng)側(cè),此處來(lái)流分離較為強(qiáng)烈,在尾流區(qū)主要以0.06～0.08范圍分布。由圖10b可以看出,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下活動(dòng)屋蓋凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.08～0.22范圍內(nèi)分布,且其值的變化梯度大,最大值0.22出現(xiàn)在活動(dòng)屋蓋的迎風(fēng)側(cè),此處的來(lái)流分離較為強(qiáng)烈。從總體上看,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟增大了活動(dòng)屋蓋的凈脈動(dòng)風(fēng)荷載。2.4極小值風(fēng)壓分析測(cè)點(diǎn)i的極大值風(fēng)壓系數(shù)Cpi,max和極小值風(fēng)壓系數(shù)Cpi,min分別定義為:Cpi,max=Cˉˉˉpi+gC?pi(3a)Cpi,min=Cˉˉˉpi?gC?pi(3b)Cpi,max=Cˉpi+gC?pi(3a)Cpi,min=Cˉpi-gC?pi(3b)式中:g為峰值因子,取g=3.5。文中體育場(chǎng)屋蓋風(fēng)荷載以向上的吸力為主,所以本文僅研究極小值風(fēng)壓系數(shù)。圖11給出了活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下固定屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖11a可以看出,活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)固定屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)在-0.4～-1.6范圍內(nèi)分布,在左右兩側(cè)出現(xiàn)-1.6的極小值風(fēng)壓系數(shù),說(shuō)明此處氣流分離較為強(qiáng)烈,尾流區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.4～-0.8之間。活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí),固定屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)在0～-1.6范圍內(nèi)分布(圖11b),風(fēng)壓系數(shù)-1.6分布在固定屋蓋背風(fēng)側(cè)的屋頂口處,此處的來(lái)流分離較為強(qiáng)烈,從總體上看,活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟減小了固定屋蓋的極小值風(fēng)荷載,且固定屋蓋背風(fēng)側(cè)的屋頂開(kāi)口處會(huì)出現(xiàn)較大的極小值風(fēng)荷載。圖12給出了活動(dòng)屋蓋關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)180°風(fēng)向角下活動(dòng)屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)等值線(xiàn)圖。由圖12a可以看出,活動(dòng)屋蓋關(guān)閉時(shí)活動(dòng)屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)在-0.80～-1.40范圍內(nèi)分布,在活動(dòng)屋蓋的迎風(fēng)前緣出現(xiàn)-1.40的極小值風(fēng)壓系數(shù),說(shuō)明此處氣流分離較為強(qiáng)烈,尾流區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.80～-1.0之間較均勻的分布?；顒?dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí),活動(dòng)屋蓋極小值風(fēng)壓系數(shù)在-0.2～-1.0范圍內(nèi)分布(圖1