周边干扰对煤气柜表面风压的影响

李正农，范涛，康建彬，程杰，吴涛，谢俊军

(1.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点试验室，长沙 410082;2.华阳国际设计集团长沙分公司，长沙 410082；3.重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司，重庆 401122;4.湖北省建筑设计院，武汉 430212)



周边干扰对煤气柜表面风压的影响

李正农1，范涛1，康建彬2，程杰3，吴涛3，谢俊军4

(1.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点试验室，长沙 410082;2.华阳国际设计集团长沙分公司，长沙 410082；3.重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司，重庆 401122;4.湖北省建筑设计院，武汉 430212)

摘要：根据刚性模型风洞测压试验所得数据,研究了不同的周边干扰条件下柜体表面平均风压系数的变化规律，对比分析了不同柜体间距时干扰效应的变化情况。研究结果表明：干扰煤气柜位于柜体的正前方时，柜体迎风面平均风压系数显著减小；干扰煤气柜位于柜体的正后方时，柜体背风面平均风压系数会增大；两煤气柜相互平行时，柜体背风面平均风压系数会减小；柜体间距会对干扰效应产生影响，干扰效应随着柜体间距的变化而发生变化；在迎风面与侧风面，规范值有较高的安全储备;而在背风面，其安全储备略有不足。

关键词：煤气柜；干扰；风洞试验；平均风压；柜体间距

大型煤气柜属于特种钢结构，由于有较大的储气量要求，往往设计成外壁薄且尺寸巨大的悬臂圆筒型结构，其风荷载作用的效应非常明显，可能成为煤气柜设计的控制荷载。中国现行《建筑结构荷载规范》中的风荷载条文以及传统的抗风设计方法均不适用于大型煤气柜这类特种钢结构[1-3],风洞试验是确定煤气柜抗风设计所需风荷载参数的主要手段。

近年来，许多学者对煤气柜的抗风问题进行了研究。陈寅等[4]通过风洞试验分析煤气柜表面风压分布状况，并将不同高度处的平均风压系数值与规范值进行对比，得出把荷载规范所规定值直接用于此类特殊结构将偏于保守的结论。郑史雄等[5]通过比较分析不同国家规范中动力风荷载的算法, 获得了煤气柜风振及动力风荷载的影响系数，并得出煤气柜设计时阵风影响系数可偏于安全地取1.8的结论。邹良浩等[6]通过有限元方法计算并分析了柜体内、外气体压力差对结构风致响应的影响，得出在不考虑柜体内、外压力差时煤气柜的各阶振型频率会减小的结论。这些研究为煤气柜的抗风设计提供了参考。

周边的干扰效应是结构抗风研究的重点之一[7-11]。近年来，干扰研究多集中在大跨与高层结构[12-15]，而对煤气柜结构的干扰效应研究较少。以某大型煤气柜为工程背景, 根据刚性模型的风洞测压试验数据, 研究了不同的周边干扰条件下柜体表面平均风压系数的变化规律，并对比分析了不同柜体间距时干扰效应的变化情况。

1试验概况及数据处理

本文所研究的煤气柜为干式煤气柜，其容量为30万m3，其直径在65 m左右,柜体高度超过120 m，柜体壁厚仅约为7 mm。柜体为圆筒型全钢结构，柜体环向等距分布着32根工字型钢立柱，在柜体等高度间隔设有8层检修走廊，柜顶为球面顶盖，在顶盖中心处有通风气楼。

1.1试验模型和测量仪器

综合考虑该大型煤气柜的各种因素后确定其刚性测压模型的几何缩尺比为1∶200。缩尺后模型的特征高度和特征宽度分别为600 mm和323 mm，缩尺后模型主体由有机玻璃和ABS板组成。

大气边界层内来流通过构筑物所产生的三维流动作用及风速随高度的变化,构筑物不同高度处的平均风压系数是不同的,因此，风洞试验需要测量在大型煤气柜主柜体不同的高度处、球形柜体顶盖及通风气楼的平均风压系数[5]。试验时，柜顶球形顶盖布置5圈共89个测点；气楼中间高度处布置1圈共4个测点；柜体在竖向8个不同的高度布置测点，每一高度沿环向等距离布置32个测点，共256个测点；整个模型共349个测点。煤气柜的测点布置如图1所示。

图1　测点布置图Fig.1　The testing point

风速测量仪器为TFI公司生产的三维脉动风速探头，其量程在2～100 m/s，测量精度达到±0.5 m/s；风压测量系统则由测压管、压力导管、压力传感器、A/D板、信号采集程序、PC机和数据处理软件组成，模型可通过垂直于其表面的测压孔与测压管相连接。

1.2风洞试验和分析工况

本试验是在湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室的HD-3大气边界层风洞中进行的。该风洞气动轮廓全长18 m，宽3.0 m，高2.5 m,为低速、直流的边界层风洞，试验段风速0.5～20 m/s连续可调。试验时风速为10 m/s，采用电子扫描阀测量风压，测压信号采样频率为333.33 Hz，每个测点采集10 000个数据。

图2　风洞试验模型图Fig.2　The wind tunnel tests

试验对主煤气柜进行B类风场下有周边和无周边两种工况的模拟(有周边工况包括柜体中心间距108 m和233.15 m两种情况)，两种工况下均以1号轴为正北方向。每种工况测量32个风向角下主煤气柜模型的风压分布，定义风从正北方向吹来时为0°风向角，风向角间隔为11.25°，按逆时针方向逐步增加。

1.3风场调试

依据《建筑结构荷载规范》[16]，采用格栅、尖劈、挡板、粗糙元装置在风洞中模拟了B类风场，其风剖面及湍流度如图3所示。

图3　B类风场风剖面及湍流度Fig.3　The wind profile and turbulence intensity of terrain categories

1.4数据处理

此次风洞试验中所涉及到的风压均是垂直于煤气柜表面的，风压值的符号约定为煤气柜的表面受压力为正，受吸力为负。试验取模型高度处参考风压对各测点的平均风压进行无量纲化[17]，将风压系数定义为

(1)

式中:Cpi(t) 为测点i在t时刻的风压系数；Pi(t) 为通过试验测得的某测点i在t时刻的风压值；PH为参考点高度(一般取模型顶端高度处，本次风洞试验参考高度为0.6m)的参考静压值；ρ为空气密度；vH为模型前方来流未扰动区(相当于模型顶端高度处)的平均风速。

模型处在湍流中，各个测点的风压系数都可以看成是随机变量，为了描述煤气柜表面风压的分布特性，需要对所测得的数据进行统计分析，以获得各测点在32个风向角下以模型顶部风压为参考风压的平均风压系数。通常情况下将模型表面各个测点的平均风压系数定义为

(2)

式中:Cpi,mean为i测点的平均风压系数；Cpij为i测点第j次采样时的风压系数；N为测点风压数据的采样数目；对于本次试验N=10 000。

2周边干扰煤气柜对柜体表面平均风压的影响

2.1无周边干扰煤气柜时柜体表面平均风压系数的分布规律

选取了B类风场下无周边时B、D、F、H四层测点在0°,90°,180°,270°的4个风向角下的平均风压系数来进行分析，如图4所示。

由图4可以看出，4个风向角下各层测点的平均风压系数分布规律大致相同，基本上呈对称分布。B、D、F层在迎风面测点平均风压系数都为正值，在侧风面及背风面为负值；每层正迎风面测点平均风压系数都达到最大的正值，然后向两侧逐渐减小至零；而在侧风面，测点的平均风压系数绝对值先逐渐增大到最大值，然后逐渐减小；在背风面时，各层测点的平均风压系数变化比较平缓，基本上维持在一个负压常值。H层测点位于煤气柜顶层边缘，边界层中的气流会在此处分离，因而其平均风压系数也会产生变化，迎风面测点的平均风压系数全部变为负值，侧风面的平均风压系数明显减小，背风面平均风压系数分布规律与其他各层基本一致。

综上所述，煤气柜表面风压以负压为主，无周边煤气柜时水平方向上各层测点的平均风压系数基本上是对称分布，且柜体顶层会存在比较强烈的气流分离现象，这些结论与陈寅等[4]的研究结果基本一致。

图4　无周边干扰煤气柜时B、D、F、H 4层测点平均风压系数分布Fig.4　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of B.D.F.H layer without interferential gas tank

2.2双柜体间距L=108 m时的干扰效应分析

周边煤气柜在主煤气柜1号轴北偏西90度方向，与主煤气柜的实际距离为108 m，缩尺后的距离为540 mm，风向角示意图见图5。为分析其干扰效应，选取有周边和无周边两种工况下B、D、F、H四层测点在0°、90°、270°三个风向角时的平均风压系数来进行对比，具体如图6、7、8所示。

图5　风向角示意图Fig.5　Wind direction

图6　0°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.6　The mean wind pressure coefficientdistribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and withoutinterferential gasholder at 0°wind direction

图7　90°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.7　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 90°wind

图8　270°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.8　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 270°wind

从图中可以看出，B类风场下，当存在周边干扰煤气柜时，各个风向角下测点的平均风压系数变化规律如下：

0°风向角时，周边干扰煤气柜与柜体相互平行，由于柜体间距较小，主要表现为对来流的阻挡作用，来流大多沿两柜体外侧绕流，狭缝作用要弱一些。两柜体内侧迎风面测点和侧风面部分测点的平均风压系数会增大,但平均风压系数最小值会降低且沿逆时针方向移动了11.25°，背风面平均风压系数减小约3%～7%；两柜体外侧迎风面和侧风面测点的平均风压系数会减小，平均风压系数最小值会降低但没有移动，背风面平均风压系数减小约2%～5%。柜顶边缘位置的H层测点的平均风压系数会减小，内侧迎风面与侧风面这种趋势更加明显，其中32号测点平均风压系数的差值可达28%。综上所述，狭缝作用和阻挡作用会使内侧和外侧气流分离的速度增大，导致背风面平均风压系数降低。

90°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正后方，主要表现为尾流的扰动效应。迎风面及侧风面几乎未受干扰柜体的影响，两种工况下平均风压系数变化很小；背风面受到柜体后方尾流旋涡的影响，在有周边干扰煤气柜时测点的平均风压系数值增大，其中24号测点的平均风压系数最大增幅可达10%。综上所述，周边干扰煤气柜在柜体的正后方时，其阻挡作用一定程度上减缓了尾流风速，使柜体背风面的平均风压系数变大。

270°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正前方，遮挡效应明显，干扰柜体后方产生不规则的尾流漩涡，平均风压系数出现不对称的情况。迎风面干扰效应十分显著，在有周边煤气柜时测点的平均风压系数明显减小甚至变为负值，D层24号测点变化最明显，平均风压系数由0.57减小为-0.12；侧风面与背风面的变化规律相似，在有周边煤气柜时测点平均风压系数绝对值减小，其中，背风面测点平均风压系数差值基本稳定在7%～12%之间，侧风面平均风压系数差值稳定在20%～53%之间。位于柜顶边缘位置的H层受到尾流旋涡的影响，在有周边煤气柜时测点的平均风压系数值增大，其迎风面变化最明显，平均风压系数基本上变为正值且最大达到0.39。综上所述，当周边干扰煤气柜在柜体的正前方时，其阻挡作用在一定程度上减弱了来流风速，可减小柜体的平均风压系数的绝对值。

此外，需要特别说明的是，由于H层位于球形悬挑顶盖与主柜体的交界处，来流在此处产生比较强烈的分离现象，而B、D、F层位于主柜体上，不会产生H层那样强烈的气流分离现象，因此H层的风压分布会与B、D、F层不同。

2.3双柜体间距L=233.15 m时的干扰效应分析

周边煤气柜与主煤气柜的实际距离为233.15 m，缩尺后的距离为1 165.75 mm，风向角示意图见图4。为分析其干扰效应，选取有周边和无周边两种工况下B、D、F、H层测点在0°、90°、270°三个风向角时的平均风压系数来进行对比，如图9～11所示。

图9　0°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.9　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 0°wind

图10　90°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.10　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 90°wind

图11　270°风向角下各层测点在有、无周边干扰煤气柜时平均风压系数分布Fig.11　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with interferential gasholder and without interferential gasholder at 270°wind

从图中可以看出，B类风场下，当存在周边干扰煤气柜时，各个风向角下测点的平均风压系数变化规律如下：

0°风向角时，周边干扰煤气柜与柜体相互平行，由于柜体间距变大，阻挡作用与狭缝作用减弱。柜体迎风面测点几乎未受干扰煤气柜的影响，两种工况下平均风压系数的差值在8%以内。侧风面与背风面的平均风压系数会减小，但最小值未移动，两种工况下平均风压系数的差值在4%～10%之间。柜顶边缘位置的H层干扰效应明显一些，在有周边干扰煤气柜时测点的平均风压系数会减小，两种工况下其迎风面与侧风面平均风压系数的差值在15%～25%之间，背风面平均风压系数的差值稳定在4%～10%之间。综上所述，狭缝作用和阻挡作用会使内侧和外侧气流分离区的风速增大，导致侧风面与背风面平均风压系数减小。

90°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正后方，主要表现为尾流的扰动效应。柜体迎风面与侧风面测点几乎未受干扰煤气柜的影响，两种工况下平均风压系数变化很小；背风面受到柜体后方尾流旋涡的影响，在有周边干扰煤气柜时测点的平均风压系数值增大，两种工况下平均风压系数的差值基本在2%～10%之间。综上所述，周边干扰煤气柜在柜体的正后方时，其阻挡作用一定程度上减缓了尾流风速，使柜体背风面的平均风压系数变大。

270°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正前方，相对于前述工况遮挡效应减弱，尾流效应增强。在有周边干扰煤气柜时迎风面测点的平均风压系数会变小但仍为正值，20号测点变化最明显，平均风压系数的差值达到12%；侧风面与背风面的平均风压系数绝对值减小，其中，背风面平均风压系数差值基本稳定在3%～7%之间，侧风面平均风压系数差值基本稳定在5%～14%之间。位于柜顶边缘位置的H层测点受到尾流旋涡的影响，在有周边干扰时测点的平均风压系数值增大，其迎风面变化最明显，平均风压系数差值稳定在20%～50%之间。综上所述，当周边干扰煤气柜在柜体的正前方时，其阻挡作用在一定程度上减弱了来流风速，可减小柜体的平均风压系数的绝对值。

2.4不同双柜体间距干扰效应的对比分析

为了比较108 m间距和233.15 m间距的干扰效应，将无周边、108 m周边和233.15 m周边3种工况下B、D、F、H4层测点在0°、90°、270°三个风向角时的平均风压系数来进行对比，如图12～14所示。

图12　0°风向角下各层测点在不同工况时的平均风压系数分布Fig.12　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 0°wind

图13　90°风向角下各层测点在不同工况时的平均风压系数分布Fig.13　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 90°wind

图14　270°风向角下各层测点在不同工况时的平均风压系数分布Fig.14　The mean wind pressure coefficient distribution chart of testing points of each layer with different surrounding conditions at 270°wind

从图14中可以看出，柜体间距会对干扰效应产生影响，干扰效应随着柜体间距的变化而变化。0°风向角时，周边干扰煤气柜与柜体相互平行,干扰效应的差异主要体现在迎风面与侧风面。柜体间距为233.15 m时，主煤气柜迎风面与侧风面平均风压系数变化不大；柜体间距为108 m时，阻挡作用与狭缝作用更强，主煤气柜迎风面与侧风面平均风压系数变化的趋势更加明显。90°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正后方，干扰效应的差异主要体现在背风面。柜体间距为108 m时，主煤气柜背风面平均风压系数会增大；柜体间距为233.15 m时，干扰煤气柜对尾流的扰动效应更强，主煤气柜背风面平均风压系数增大的趋势更加明显。270°风向角时，周边干扰煤气柜在柜体的正前方，干扰效应的差异主要体现在迎风面与侧风面。柜体间距为233.15 m时，主煤气柜迎风面平均风压系数虽变小但仍为正值，侧风面平均风压系数略有增大，顶层迎风面与侧风面的平均风压系数虽增大但仍为负值；柜体间距为108 m时，干扰煤气柜对来流的阻挡作用更强，主煤气柜迎风面平均风压系数明显减小甚至变为负值，侧风面平均风压系数增大的趋势更加明显，顶层迎风面与侧风面的平均风压系数明显增大甚至变为正值。

2.5与荷载规范的对比分析

由《建筑结构荷载规范》可知，圆截面构筑物(图15)的体型系数如表1所示。

图15　圆截面构筑物Fig.15　Structures of circular

0°+1.015°+0.830°+0.145°-0.71760°-1.28375°-1.61790°-1.783105°-1.283120°-0.717135°-0.517150°-0.417165°-0.417180°-0.417

煤气柜的高宽比，以1号测点为基准点，取为0°、45°、90°、135°、180°时的规范值与风洞值(无周边、108 m 周边以及233.15 m 周边3种情况下B、D、F、H四层的体型系数)对比，见图16。

图16　体型系数对比图Fig.16　Comparison diagram of profile

由图16可知，风洞值与规范值的变化规律基本一致，但数值大小有一定差别。在迎风面与侧风面，规范值有较高的安全储备，其绝对值远大于风洞实验得到的结果；而在背风面，规范值安全储备不足，其绝对值要略小于风洞实验得到的结果,这一点需要引起结构设计人员的注意。

3结论

以某大型煤气柜为工程背景, 根据刚性模型风洞测压试验所得数据,研究了不同的周边干扰条件下柜体表面平均风压系数的变化规律，对比分析了不同柜体间距时干扰效应的变化情况。

1)柜体间距为108 m时，若干扰煤气柜在柜体正前方，柜体迎风面平均风压系数明显减小甚至变为负值，侧风面与背风面平均风压系数则会增大；顶层迎风面与侧风面平均风压系数明显增大。干扰煤气柜在柜体正后方时，柜体迎风面及侧风面几乎不受影响，背风面平均风压系数绝对值减小。若两煤气柜平行，两柜体内侧迎风面测点和侧风面部分测点的平均风压系数会增大, 两柜体外侧迎风面和侧风面平均风压系数会减小，背风面平均风压系数绝对值会增大；顶层平均风压系数绝对值会增大。

2)与108 m间距相比，柜体间距为233.15 m时，平均风压系数变化规律变化较大。干扰煤气柜在柜体正前方时，柜体迎风面平均风压系数虽变小但仍为正值，侧风面与背风面平均风压系数增大趋势减弱；顶层迎风面与侧风面平均风压系数虽增大但仍为负值。干扰煤气柜在柜体正后方时，柜体迎风面及侧风面平均风压系数变化很小，背风面平均风压系数绝对值减小的趋势更明显。两煤气柜平行时，柜体迎风面与侧风面平均风压系数变化很小，背风面平均风压系数绝对值会增大；顶层平均风压系数绝对值增大趋势减弱。

3)柜体间距会对干扰效应产生影响，干扰效应随着柜体间距的变化而发生变化。干扰煤气柜在主煤气柜的正前方时，干扰效应的差异主要体现在迎风面与侧风面，迎风面与侧风面在108 m间距时干扰效应更明显。干扰煤气柜在主煤气柜的正后方时，干扰效应的差异主要表现在背风面，背风面在233.15 m间距时平均风压系数增大趋势更明显。两柜体相互平行时，干扰效应的差异主要表现在迎风面与侧风面，迎风面与侧风面在108 m间距时干扰效应更加明显。

4)实验值与规范值的变化规律基本一致，但数值大小有一定差别。在迎风面与侧风面，规范值有较高的安全储备，其绝对值远大于风洞实验得到的结果；而在背风面，规范值安全储备不足，其绝对值要略小于风洞实验得到的结果,这一点要引起结构设计人员的注意。

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(编辑胡玲)

Interference effect of mean wind pressure of gasholder

Li Zhengnong1，Fan Tao1,Kang Jianbin2,Cheng Jie3, Wu Tao3,Xie Junjun4

(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Education, Hunan University, Changsha 410082,P.R. China;2. Changsha Branch of Huayang International Design Group, Changsha 410082,P.R. China;3. Chongqing CISDI Engineering Co, Ltd., Chongqing 401122,P.R. China;4. Hubei Architectural Design Institute, Wuhan 401122,P.R. China)

Abstract:In order to study the variation regularity of mean wind pressure coefficients on gasholder with interference and the transformation of different distance of interference effect , pressure measurements were conducted in wind tunnel on a rigid structural model . Results showed that in the case the interferential gasholder was located in the front, the mean wind pressure coefficients of windward side would dramatically decrease; the interferential gasholder was located in the rear, the mean wind pressure coefficients of lee side would increase; two gasholder were parallel to each other, the mean wind pressure coefficients of windward side would decrease; distance had a influence on the interference effect, interference effect varid with changes of distance; the safety reserve of code values was sufficient on windward and crosswind side but slightly insufficient in windward side.

Keywords:gasholder;interference; wind tunnels; mean wind pressure; distance between gasholder

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.001

收稿日期：2016-01-10

基金项目：国家自然科学基金(91215302、51478179、51278190)

作者简介：李正农(1962-)，男，教授，主要从事建筑及水工结构的抗风、抗震研究,(E-mail) zhn88@263.net。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.91215302, 51478179, 51278190)

中图分类号：TU973

文献标志码：A

文章编号：1674-4764(2016)03-0001-11

Received:2016-01-10

Author brief：Li Zhengnong(1962-), professor, main research interests: wind and earthquake resistance of construction and hydraulic structure, (E-mail)zhn88@263.net.