体育场罩棚结构平均风荷载分布特点研究

王贤亮 阚建忠 丁子文

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

体育场罩棚结构平均风荷载分布特点研究

王贤亮 阚建忠 丁子文

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

以灌南体育场、浦江体育场、金华体育场的罩棚结构为工程背景，基于刚性模型表面测压风洞试验结果，得到了罩棚结构表面各测点的风压时程,并总结了挑棚结构风压分布的一般共性特点及由于结构形式的不同对风压场分布的影响，得出悬挑屋盖挑蓬前缘拱可以明显改善屋盖结构抗风性能的结论。

风洞试验，体育场罩棚，风荷载特性，抗风性能

现代体育场的上部罩棚结构的形状往往采用大悬挑，轻材质，柔结构等形式，形成了典型的对风敏感的结构，从而作用在悬挑罩棚上的风荷载和由此诱发的罩棚风致振动常常是控制结构安全性的主要因素[1]。体育场罩棚从广义上说主要分为环状罩棚和主看台罩棚两种形式。其中主看台罩棚又可根据其前沿状态大体分为有拱无拱两种情况。由于跨度问题，一般采用巨型钢结构拱作为前沿拱。我国规范对这种造型独特体育场的风荷载计算缺乏相应的体型系数规定。因此，需要基于风洞试验刚性模型风压测试数据，分析比较环状挑棚，前沿有拱，前沿无拱主看台挑棚形式的风压分布形式，得出挑棚结构风压分布的一般共性与特性，并根据其风压分布特点，对罩棚结构设计的抗风设计提出有效的建议。

1 工程概况

灌南体育场的罩棚属于环状罩棚，其水平投影为贝壳形，效果图如图1a)所示。罩棚结构长度为234 m，最大悬挑29.5 m。罩棚采用径向悬挑桁架与环向联系桁架相结合的结构形式，钢桁架通过“V”形钢支撑与支座相连。

浦江体育场的罩棚属于前沿无拱的主看台罩棚，上表面呈竹节状起伏，其效果图如图1b)所示。罩棚结构的纵向跨度达到209.5 m，最大悬挑28 m，罩棚采用改进悬臂型预应力张弦结构，上覆张拉膜形式。金华体育场的罩棚属于前沿有拱的主看台罩棚，其水平投影为月牙形，其效果图见图1c)。罩棚长方向跨度263.8 m，短方向跨度44.5 m，结构最高点为43.4 m。采用桁架拱与网壳相结合的结构形式，前端大拱采用管桁架，多点支撑与下部混凝土V形柱相连，两侧落地处设置大体积混凝土墩与网壳结构连接。

2 三个体育场的风洞试验概况

灌南体育场的风洞试验模型几何缩尺比为1∶200。在体育场屋盖模型上内外表面共布置了494个测点。试验在广东省建筑科学研究院的CGB-1建筑风洞中进行。灌南体育场处于B类地貌，地貌粗糙度指数α=0.16，基本风压为0.65 kN/m2(100年一遇)。试验风速参考点选在风洞高度0.15 m处，对应于实际高度30 m。浦江体育场的风洞试验模型缩尺比为1∶150。在体育场屋盖模型上内外表面共布置了740个测点。试验在浙江大学的ZD-1边界层风洞中进行。浦江体育场处于B类地貌，地貌粗糙度指数α=0.16，基本风压为0.40 kN/m2(100年一遇)。试验风速参考点选在风洞高度0.2 m处，对应于实际高度30 m。

金华体育场的风洞试验模型缩尺比为1∶250。由于金华体育场为轴对称结构，所以在东南侧1/4屋盖置186个测点。试验在广东建筑科学研究院的CGB-1建筑风洞中进行，金华体育场所处于B类地貌，地貌粗糙度指数α=0.16，基本风压为0.40 kN/m2(100年一遇)，试验直接测得的各点风压系数均是以43.475 m高度处的风压为参考风压。

3 试验结果与数据处理

根据目前国内外风工程惯用的方法，风压系数可按式(1)计算：

(1)

为了使这几个结构具有可比性，可把风压系数转换成局部体型系数。根据GB 50009-2012建筑结构荷载规范的规定，某一点“i”的风压Wi计算公式为[4]：

Wi=μsiμziW0

(2)

式中：W0——标准地貌的基本风压； μsi——i点的风载体型系数； μzi——i点的风压高度变化系数。

由风洞试验得出的风压计算公式为：

Wi=CpiμzrW0

(3)

其中，μzr为参考点zr处的风压高度变化系数，对比式(1)与式(3)便可得到μsi与Cpi的关系为：

μsi=Cpiμzr/μzi

(4)

4 罩棚面典型测点的平均风压分布特性

这三个风洞试验均每隔15°共24个风向角进行风压测试，为了便于比较，定义相同的试验风向角如图2所示。由于体育场结构具有对称性，典型测点A，B，C，D分别代表看台罩棚的前、中、后缘和侧部。

图3为罩棚上典型测点的综合体型系数随风向角的变化曲线。综合体型系数由罩棚各测点上下表面的风压差经式(4)计算得到。对于罩棚的上下表面来说，风压正值为指向某个表面的方向(压力)，负值为离开某个表面的方向(吸力)并定义综合风压方向同上表面方向，即向上的升力为负，向下的压力为正，由图3可以得到平均风在各类罩棚上分布的以下特征：1)在三种类型的罩棚上的风荷载均以向上的吸力为主，在迎风的边缘位置，分布了较高的吸力，这一特性与风向角无关。这是由于分离流引起的，从正面吹向罩棚的气流，在上表面形成分离泡，从而产生了一个大的负压区域，而在罩棚下表面，由于结构杆件以及主看台的影响，对罩棚下表面的分离产生了抑制作用，这样，联合形成一个向上的升力。2)在90°及270°风向角即侧面吹向A，B，C测点部分时，由于侧风面罩棚体型无突变，且未直接承受来流方向风荷载，因此前缘后缘中部测点部分其上、下表面风压主要为较小数值负压，叠加后互相抵消，导致侧风面净风压较小。对于侧部测点D来说，在90°风向角时，其上表面则是正面直接承受来流风荷载，而在下表面则产生较大负压，故综合产生较大正压；而在270°风向角时，D测点部分由于其上游罩棚影响在下表面产生较大正压，故综合产生较大的向上吸力。3)在90°～270°风向角即正面吹向后缘B测点部分时，对于浦江体育场和金华体育场模型来说，由于正后方无遮挡，所以当180°风向角时，其产生最大负风压。对于灌南体育场来说，由于其风洞试验模型考虑了旁边体育馆及游泳馆的影响，当135°及225°风向角附近即体育馆或游泳馆位于后缘区上风向时，使得迎风面部分体育场罩棚处于体育馆的尾流区，因为尾流区的湍流性更强，从而其上表面部分本应是由于分离而产生负压的区域形成了由于正面受风而产生的明显正压，产生了综合正压。

5 整个罩棚面的平均风压分布特征

由图3还可发现前缘有拱的金华体育场罩棚，比前缘无拱的浦江体育场罩棚在各个风向角下，其综合体型系数均要小些，为了进一步分析这一情况，取典型的0°风向角，即悬挑罩棚正面迎风时的风向角下来讨论平均风压的分布情况。图4为该风向角下有无拱罩棚的体型系数分布图。

通过局部体型系数的比较可以发现，平均风压的分布存在一些区别。两者的区别明显表现在下表面：当罩棚处于迎风时，无拱罩棚下表面大部分形成正压，而有拱罩棚则在罩棚的下表面大部分形成负压，这是由于其前部存在产生阻挡作用的刚性拱，从而使来风在罩棚的上下表面均发生了分离，进而在罩棚的上下表面均产生了负压。

通过比较图4中两个体育场罩棚的综合参数可以发现由于拱的阻挡作用，使得有拱罩棚上下两个面上均产生背离表面的负压，相互抵消之后，虽然总的效果仍然是产生向上的升力，但是相比无拱悬挑罩棚来说，这种升力的作用已经减小了将近40%。

6 结语

通过风洞试验的方法，得到模型表面各测点处的风压时程。通过数据换算处理，把三个基于不同风速参考点，不同缩尺比的风洞试验测压数据换算成可以比较的局部体型系数，从而对这三种典型罩棚结构的平均风压分布情况进行了比较分析，得出以下结论：1)负压风荷载是这种敞开式大悬挑体育场罩棚结构的控制风荷载。罩棚结构的前缘、中部和后缘测点的平均风压随风向角的变化规律相似。即当风正面吹向悬挑罩棚结构前缘时，前缘风压力较大；当风正面吹向悬挑罩棚结构后缘时，后缘风压力较大。故在悬挑罩棚结构设计时，需注意下部抗拉杆件的设置，如在浦江体育场的每榀张弦索桁架下部均施加了预应力抗风索。2)前缘平均风压最大值并不是发生在0°风向角，而是在45°或330°风向角。这是由于上风向主看台和罩棚的影响，使处于尾流区的流场的湍流性更大，从而减小了下游罩棚0°风向角时的平均风压。故在罩棚结构设计时，需考虑起控制作用的不同的风向角下的风荷载作为不同的工况参与组合。3)不能忽略体育场周边相近的体育馆或游泳馆的影响。当体育馆或游泳馆位于体育场后缘区上风向时，使得迎风面部分体育场罩棚位于体育馆尾流区，使其上表面部分本应是由于分离而产生负压的区域形成了由于正面受风而产生的明显正压，而使得综合负压减少，产生了综合正压。故在进行风洞测压试验或数值风洞模拟计算确定体育场的风荷载时，需正确模拟周边临近大型建筑物对风场的干扰作用。4)悬挑前缘的刚性拱可以改善一般大跨悬挑罩棚结构的抗风性能，故在设计基本风压较大地区或悬挑长度较大的体育场罩棚结构，在罩棚前沿设置刚性拱可以作为提高其抗风性能的一种有效手段。

[1] 黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社，2001.

[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.

[3] 黄 鹏，全 涌，顾 明.TJ-2风洞大气边界层被动模拟方法的研究[J].同济大学学报(自然科学版)，1999，27(2)：136.

[4] GB 50009-2012,建筑结构荷载规范[S].

[5] Barnard R H．Predicting dynamic wind loading on cantilevered canopy roof structures[J]．J wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000(85)：47.

Research on mean wind load distribution characteristics of stadium awning structure

WANG Xian-liang KAN Jian-zhong DING Zi-wen

(ArchitecturalDesignInstituteLimitedCompany,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)

Taking the awning structure of Guannan stadium, Pujiang stadium, Jinhua stadium as the engineering background, based on wind pressure tunnel experimental results of rigid surface model, obtained the wind pressure time history of surface each measuring point of awning structure, and summarized the general common characteristics of wind pressure distribution of overhanging roof structure, and because of the influence of different structure to wind pressure distribution, drew the conclusion of cantilevered roof awning front arch could significantly improve the wind resistance performance of roof structure.

wind tunnel test, stadium awning, wind load characteristic, wind resistance performance

1009-6825(2014)34-0051-03

2014-09-26

王贤亮(1982- )，男，工程师,一级注册结构工程师； 阚建忠(1968- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师； 丁子文(1980- )，男，工程师，一级注册结构工程师

TU311.2

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