襄阳大剧院风荷载风洞试验研究

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襄阳大剧院风荷载风洞试验研究李书进李维孙磊孔凡李正农武汉理工大学土木工程与建筑学院湖南大学土木工程学院摘要：大跨度、复杂体型、结构新颖的建筑物对于风荷载较为皱感•为了满足襄阳大剧院抗风设计安全要求，有必要对其进行风洞试验研究•详细介绍了风洞试验所采用的主要技术参数和数据处理方法•通过风洞试验研究了该建筑物在24个风向角作用下的风荷载分布规律，讨论了不同风向角下模型结构体型系数的变化规律，并对外立面幕墙和屋面的风荷载分布规律进行了分析，指出了风压作用最不利位置和薄弱之处，为该剧院的结构设计提供指导和科学依据.关键词：复杂结构;风洞试验;风荷载;风压系数;体型系数;作者简介：李书进(1967—),男，湖北仙桃人，博士，教授，主要从事工程结构抗风与抗震的研究.E-mail:sjli@whut.edu.on收稿日期：2017-01-18基金：国家自然科学基金项目(51678464)WindtunneltestforcharacteristicsofwindloadonXiangyangOperaHouseLIShu-jinLIWeiSUNLeiKONGFanLIZheng-nongSchoolofCivilEngineering&Architecture,WuhanUniversityofTechnology;SchoolofCivil Engineering,HunanUniversity;Abstract：Withlargespanandcomplexshape,novelstructuressuchasXiangyangOperaHousearesensitivetowindload,soitisnecessarytoconductawindtunneltestinordertoguaranteesafetydesignoftheoperahouse.Themaintechnicalparametersanddataprocessingmethodsusedinwindtunneltestareintroducedinthispaper.Throughthewindtunneltest,thedistributionofwindloadunder24winddirectionanglesisstudied,andthevariationlawofshapecoefficientsofthemodelstructureunderdifferentwinddirectionsisdiscussed.Inaddition,thedistributionofwindloadonthefacadecurtainwallandtheroofisanalyzed,andthemostunfavorablepositionandweakpointsofwindpressureonthisbuildingarepointedout.Resultsfromthisstuclycanprovideguidanceandscientificbasisforthestructuraldesignoftheoperahouse.Keyword：complexstructure;windtunneltest;windload;windpressurecocfficicnt;shapecoefficient;Received：2017-01-18襄阳大剧院位于襄阳市东津新区，计划占地面积8公顷，建筑面积6.5万m,剧院外观造型如盛开的六瓣莲花，结构新颖，外形复杂，如图1所示•相对于传统建筑而言，这类体型复杂、结构新颖的建筑物对于风荷载更加敏感，甚至成为此类建筑结构设计的主要控制荷载山•基于此，近年来研究者们对大跨度或者体型复杂的建筑物风荷载作用进行了深入研究止1，但仍无法给出一套可行计算方式来预估这类建筑的风压分布.我国规范中也没有给出相应的设计参考数据，只是指岀应该依据风洞试验来确定其风压分布回•因此，为保证结构的安全性，对于复杂结构体型的建筑物有必要进行风洞试验，研究其风荷载分布及承受不同角度风荷载作用时的风荷载分布规律，从而综合评价结构的抗风性能.襄阳大剧院建筑外形复杂，女儿墙悬挑较大，建筑主体相对外层幕墙呈现下凹构造，外立面幕墙大小花瓣交错，合理地给出它的风荷载分布特性对结构抗风设计具有重要的意义.本文针对襄阳大剧院的整体建筑设计方案，对其进行缩尺模型的风洞试验，以研究该建筑物风荷载的分布规律和特性，为其结构设计提供科学依据.1试验概况与数据处理方法1.1模型制作与测点布置襄阳大剧院建筑主体高度32m,女儿墙最高处52m,基底形状不规则，东西最宽 处277m,南北最长处522m・按照襄阳市东津新区的城市规划方案，模拟《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)所划分的B类地貌进行试验.考虑到实际建筑物尺寸和风洞试验阻塞率的影响，模型几何缩尺比为1：200,试验模型为刚性模型•为了使模型具有足够的强度和刚度从而在试验中不产生明显的振动和变形，模型采用有机玻璃和ABS板制作•将其安置在风洞实验段内转盘的屮央，如图2所示•风洞试验在湖南大学风洞实验室的HD-2大气边界层风洞中进行，该风洞气动轮廓全长53叭宽18m,为低速、单回流、并列双实验段的边界层风洞.模型试验区横截面宽3m,高2.5m,转盘直径1.8m,试验段风速060m/s连续可调.图1襄阳大剧院3D示意图Fig.13DdiagramofXiangyangOperaHouse下载原图图2襄阳大剧院风洞试验实景Fig.2WindtunneltestofXiangyangOperaHouse下载原图试验的重点是测量屋盖部分和幕墙部分的风压系数和体型系数，模型表面共637个测点•主体结构幕墙内外侧均布置测压孔，其中内侧集中布置在女儿墙悬挑部位;构成小花瓣的筒体结构幕墙内外侧布置数量相同及位置相近的测点；女儿墙挑檐上下侧各布置24个测点.1.2风场模拟根据规范所划分的B类地貌，除襄阳大剧院周边完整模拟外，在风洞试验段内建立了符合襄阳大剧院地形的边界层流场，地面粗糙度指数a=0.15.采用格栅、尖梯、扌肖板、粗糙元装置模拟大气边界层风场，模拟了风速剖面指数a二0.15的流场in,襄阳大剧院附近的风场变化则由实际的地形及周边建筑物的影响来产生•大气边界层屮的风速剖面幕函数为[7]式中，为参考高度，Z为测压点高度，U。为参考高度处的风速，U为距地面高度Z处的风速，a为地面粗糙度指数.在风洞试验中，选取一个适当的试验参考点，这个参考点既要离风洞洞壁边界层足够远也要不受模型影响•然后在该处设置一根皮托管来测量参考点风压，用于计算各测点上与参考点高度有关但与试验风速无关的无量纲风压系数宜•参考点选在风洞模型前方来流未扰动高度0.5m处，该高度在缩尺比1：200的情况下对应的实际高度为100m.在测压模型风洞试验中，最垂要的是模拟B类地貌场地的平均风速剖面，其次是模拟风的湍流强度•湍流强度随着粗糙度尺度的增加而增加，在近地面达到最大值，向上 逐渐衰减•图3和图4分别为试验模拟的风速剖面和湍流度剖面，从图中可以看出试验值和理论值非常'吻合，流场模拟较为理想.图3大气边界层风速剖面Fig.3Windspeedprofileofatmosphericboundarylayer下载原图图4大气边界层湍流度剖面Fig.4Turbulenceprofileofatmosphericboundarylayer下载原图1.3试验设备和试验工况整个风洞试验共釆用两套测量系统:风速测量系统和风压测量系统•在风速测量系统中，试验的流场参考风速采用托管和微压计进行测量和监测口1•大气边界层模拟风场采用眼镜蛇探头进行调试和测定，该系统可以用来测量流场的平均风速、湍流度以及脉动风功率谱等数据•压力测量采用美国PSI扫描阀公司DTCnet电子式压力扫描阀系统，对每个测点采样时间约30s,采样频率为330Hz,每个测点的采样样本总长度为10000个数据.为了研究襄阳大剧院在B类地貌中受风向角的影响，试验中B类地貌下风洞试验风向角以15°为增量，逆时针旋转，共执行了24个风向角工况的风洞测压试验，以模拟不同来流方向时大剧院各位置承受风荷载情况・0°时对应建筑模型正东方，试验时风向角变化如图5所示.图5试验模型风向角示意图Fig.5Windanglediagramoftestmodel下载原图1.4试验数据处理方法风压系数一般用来计算风对建筑物的影响•本实验研究的是垂直于建筑物表面的风压，受压力为正，受吸力为负•目前国内外风工程所惯用的风压系数计算方法如下⑻：式中，5是建筑物表面某测点i处的风压系数，Pi表示测点i处风压值，P表示试验时空气质量密度，U。表示参考点处风速.由于测点多，数据量大，测点的平均风压系数不便于使用，为了得到简单实用的数据，对大剧院外表面进行了分块，各分块的平均风压系数按下式计算：式屮，Ai为各测压点所属面积，工Ai为各测压点所属面积的总和.通过对Cpi和瑚 G的分析，可得到测点的脉动风压系数ISCLQpi.测点的峰值正压系数和峰值负压系数分别为[7]:试验得到的风压分布具有较好的高斯特性，为了得到99.95%保证率的峰值风压系数，峰值因子g取值为3.5.在我国规范中，风在建筑表面的实际压力或吸力与来流风压的比值称为风载体型系数•当不考虑阵风脉动和风振效应时，襄阳大剧院屋盖第j个分块处测点的风压值为式屮，S为第j个分块的风压系数P诫为实际100m高度处的基本风压.根据建筑结构荷载规范，当不考虑阵风脉动和风振效应时，作用在襄阳大剧院高度z处测点的平均风压值为式中，•为风载体型系数，X,j为风压高度变化系数，P.U）为10m高度处的基本风压•换算可得到大剧院各分块的体型系数：2试验结果分析2.1典型风向角下屋面平均风压系数屋盖主体部分设计较为复杂，整个屋盖的层次较多，使得各个测点的所在高度也各有不同.为了使测点的数据便于比较，将屋面划分为多个块来统计屋面的风压分布•这里选取0°、90°、180°和270°为典型风向角，绘岀屋盖平均风压系数分布图，如图6所示•总体來说，屋盖主体部分风荷载主要以负压为主，其风压分布呈一定的规律•在0°和180°风向角下，风压系数沿风向角方向从-0.55逐渐减小为-0.20,呈对称分布;而在90°和270。风向角下，风压系数风向角方向从-0.60逐渐减小为-0.10,风压分布基木一致•在风向角入口处，女儿墙顶部负压极小，风绕过女儿墙顶边缘吋发生强烈分离，女儿墙背风屋面和 小花瓣间屋面产生极大的负压，风压系数几乎由0变化为-0.5,表明风压变化剧烈•数据表明，整个屋面最薄弱点在东北方向女儿墙的背风屋面，其极值风压系数达到-1.55,此区域屋面构造复杂，导致风场变化多端且风压值较大，抗风设计时应该保证此处屋面的强度，防止发牛脱落或者局部破坏.由于椭圆形和角形屋面间高差较大，墙体间存在许多狭小间隙，气流发生强烈的分离、再附着和旋涡脱落等现彖•从图6(b)和图6(d)可以看出，这些区域风压梯度变化较大,其他平坦和规则区域则变化相对平缓•在抗风设计时，针对这些异形复杂屋面风压较大或风压剧烈变化处应当加强构造措施，增强其抗风性能，预防屋面被掀起而破坏.2.20°风向角下幕墙极值风压系数为了便于观察分析，取0。风向角下幕墙四周风压分布进行分析，计算得出幕墙极值风压系数，如图7所示•数据表明，迎风面幕墙所受风压均为正压，其他侧面及背风面幕墙风压系数则以负值为主；幕墙极值风压随高度增加而增大，极值风压在北立面主体幕墙和小花瓣幕墙交接处达到最大，其风压系数可达-1.13;东、西立面上风压沿中轴线呈对称分布•整体上来说，相较于国家规范所规定的一般建筑而言，大剧院幕墙局部所受风压偏大，结构设计时应该引起重视•在0°风向角下，气流绕过首个主体花瓣幕墙边缘时发生强烈分离，背风面产生极大的负压，此时极值风压系数最大由0.8变化为-1.15,如图7(d)所示;遇到外层的小花瓣幕墙后一部分气流分离出去，主体花瓣幕墙处极值风压骤然减小；然而气流经过第二个主体花瓣边缘吋背风面极值风压突然增幅较大，风压系数由-0・5变化为-0・8左右，随后幕墙表面风压则变化相对缓慢，如图7(a)所示.由于小花瓣幕墙的阻挡效应，小花瓣幕墙的构造在一定程度上分离出了一部分气流并且减小了风速，从而减小了主体幕墙的风压，对幕墙设计存在有利作用.主体幕墙和小花瓣幕墙交接处是气流的“泄风口”，极值风压系数由-1.13变化为-0.7&风压变化剧烈，交接处既是敏感的薄弱点，也是主体幕墙的有利点.结构设计时，对于这些主体幕墙和小花瓣幕墙交接处应该加强连接构造，防止局部破坏•结果表明，对于这种复杂绕流问题，极值风压最大值往往出现在风场内障碍物表面的阴角或者阳角处•其他类似外形建筑物绕流问题同样遵循这一规律，这类建筑的抗风设计或者幕墙设计吋应该予以重视.图6典型风向角下屋盖平均风压系数分布图Fig.6Distributionofaveragewindpressurecoefficientofroofundertypicalwinddirection下载原图图70°风向角下幕墙极值风压系数分布图Fig.7Distributionofextremewindpressurecoefficientofcurtainwallunder0°winddirection下载原图2.3女儿墙极值风压及其随风向角变化规律选取女儿墙典型测点进行分析，这些测点的风压能够准确反映女儿墙的风荷载分布特性，图8、图9分别描述了女儿墙极值风压随风向角的变化规律•图8、图9数据表明，随着风向角的增大，女儿墙风压剧烈波动，受风向角影响很大•从 图中可以看出，东面女儿墙风压呈现平稳一急剧变大一平稳的趋势；西面女儿墙风压则表现出剧烈变化一平稳一剧烈变化的趋势•整体上而言，女儿墙风压以负压为主，西面女儿墙极值风压主要分布在风向角（0。,120°）和（300。,360°）上，东而女儿墙极值风压主要分布在风向角（120°,240°）之间•可以看出女儿墙极值风压和来流的方向有关，总是出现在风向角方向对应的背风面女儿墙上.图8东面女儿墙风压随风向角的变化Fig.8Variationofwindpressureoneastparapetwithwinddirection下载原图图9西面女儿墙风压随风向角的变化Fig.9Variationofwindpressureonwestparapetwithwinddirection下载原图表1西面女儿墙各风向角下的极值风压Table1Extremewindpressureofwestparapetundervari-ouswinddirections下载原表表2东面女儿墙各风向角下的极值风压Table2Extremewindpressureofeastparapetundervari-ouswinddirections下载原表表1和表2分别给出了建筑西面女儿墙及东面女儿墙的极值风压、体形系数及对应风向角角度•可以看岀不同风向角下女儿墙挑檐均为负压，其分块体型系数在(-0.57,-1.01)之间，在风向角210。时101分块上风压达到极值，风压值为-25.62Pa,分块体型系数为-1.01.较为特殊的101分块岀现了正压的情况，设计时应该考虑这种正负压变号的问题，采取必要措施防止强风破坏.针对女儿墙悬挑较大的结构特点，经过对大剧院模型的齐测点数据处理分析，可以看出不同风向角时的最大负压均出现在女儿墙挑檐处•根据女儿墙随风向角的变化规律，负风压极值出现在315。风向角时H18测点，风压值为-29.43Pa,极值体型系数为-2.05;正压极值出现在180。风向角吋D91测点，风压值为15.41Pa,极值体型系数为1.24.女儿墙挑檐处是整个大剧院屮最薄弱的位置，女儿墙整体所受风压偏大，抗风设计时，应当着重考虑女儿墙在负压作用下的倾覆验算，防止其倒塌.3结论体型复杂、结构新颖的建筑物风场变化极大，表面风压分布十分复杂，很难通过 现有的理论或者现行的荷载规范对其进行分析•本文通过风洞试验对襄阳大剧院的风荷载分布规律和特性进行了深入研究，得到以下有助于提高其抗风性能的成果：(1)对于建筑外墙面玻璃幕墙，负风压为最不利荷载，应在设计时验算最大负压下的幕墙安全性•主体幕墙和小花瓣幕墙交接处的风压系数偏大且变化剧烈，存在一定的“泄风”作用，是敏感的薄弱点，应该加强其连接构造，防止局部破坏•极值风压最大值往往出现在风场内障碍物表面的阴角或者阳角处，对于这类外形建筑物或者分离、附着、再分离等重复出现的绕流问题有较强的借鉴意义；(2)女儿墙悬挑较大，不同风向角下剧院极值风压往往岀现在女儿墙挑檐处，极值风压和來流的方向有关，总是出现在风向角方向对应的背风面女儿墙上，应着重考虑女儿墙在风荷载作用下的倾覆验算，防止其倾覆.(3)异形屋面之间高差较大，考虑到结构的复杂性，其风压呈现岀剧烈变化的特点，抗风设计时应予以加强.同时，对于屋面风压极值处，应该验算其可靠性,防止局部破坏.参考文献[1]CERMAKJE.Wind-tunneldevelopmentandtrendsinapplicationstocivilengineering[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2003,91(3):355-370・[2]伊廷华，李宏男，顾明•典型体育馆屋盖表面平均风压特性及干扰效应风洞试验研究[J]・振动与冲击，2009,28(1):177-181.YITing-hua,LIHong-nan,GUMing.Windpressuredistributioncharacteristicsandinterferenceeffectsonlongspanroofofatypicalgymnasium[J].JournalofVibrationandShock,2009,28(1):177-181.[3]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):23-2&XIEZhuang-ning,NIZhcn-hua,SHIBi-qing.Experimentalinvestigationoncharacteristicsofwindloadonlargespanroof[J].JournalofBuildingStructures,2001,22(2):23-28.[4]楼文娟，蒋莹，薛晓勇，等•台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究[J]•建筑结构学报，2012,33(1):51-57.LOUWen-juan,JIANGYing,XUEXiao-yong,etal.Windtunneltestforwindpressuredistributiononstadiumcanopyundertyphoonwindfield[j].JournalofBuildingStructures,2012,33(1):51-57.[5]陈波，周晶，钟朋朋，等•球形屋面风压系数风洞试验研究[J].建筑结构，2014,44(10):73-78.CHENBo,ZHOUJing,ZHONGPeng-pcng,etal.Researchonwindtunneltestsofwindpressurecoefficientsondome 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