北京新机场航站楼局部屋盖风压试验研究

程天徽 罗 楠 马汝为

(西南交通大学风工程试验研究中心，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，大跨屋盖越来越多地应用在火车站、机场航站楼等公共建筑中，而跨度大造成结构刚度不足，变形偏大等特点，使其控制荷载一般为风荷载[1-4]，对于铺装材料独特的结构，按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范[5]，很难确定其表面的风压分布。因此，需要进行风洞测压试验。

北京新机场航站楼由于建筑体量大，采用了特殊的直立锁边金属屋面系统，风荷载和局部围护结构的响应问题异常突出。通过风洞试验的方法，研究其局部围护结构的风压分布，可用于结构设计，也可以为类似结构风载特性提供参考[6]。本试验模型使用建筑的实际铺装系统，按照1∶1比例制作。相比大缩尺比整体屋盖模型，这种模型能够克服模型缩小比例和屋面工艺的差异造成的偏差，准确反映局部风压的分布情况，更适于研究屋盖的局部风压问题以及规范中局部风压系数对新屋面技术的适用性。

1 风洞试验

1.1 试验模型及设备

试验模型采用局部屋面原型，屋盖表面无天沟，模型主体尺寸为5.4 m(长)×4.9 m(宽)，模型最上层为6块装饰板，各板之间有约10 cm的空隙。在模型表面的中轴线附近布置测压点，测试屋盖表面风压沿屋面坡度的变化情况。现场试验模型如图1所示。

在西南交通大学风工程试验研究中心XNJD-3工业风洞中进行此次试验，该风洞的主要技术指标已达到世界先进水平。采用美国Scanvalve电子扫描阀测量结构表面风压，皮托管连接扫描阀测量脉动风速。

1.2 试验工况及测点布置

试验风速8 m/s，风向角0°,10°,170°,180°(坡面正对来流风向为0度)。由于装饰板与下一层的屋面板间有一定空间，因此在中部两块装饰板上表面及下表面对应位置布置测点，沿中轴线布置。为准确测量边缘流动分离处的风压，前后边缘各并排设置3个测点。测点总数共48个,点位和风向角如图2所示。

1.3 大气边界层的模拟

试验在紊流场中进行，风场的模拟采用被动模拟大气边界层技术(尖劈+挡板+粗糙元)[7-9]。由于本次试验采用的是局部模型，试验最关心的是屋盖高度处的风荷载情况。因此本试验将保证屋盖高度处的来流紊流度与实际屋盖在该高度处的紊流度一致，其他位置可适当放松。

1.4 数据处理

对风压数据处理，获得各测压点的风压系数，计算公式如式(1)：

(1)

2 试验结果与分析

2.1 风压系数分布

将上下表面风压加总，边缘并排的3个测点取平均值处理，各测点按照顺风向排列，得到的总风压系数图如图3所示。

根据以上风压系数变化曲线可以发现：

1)各风向角下，由于气流流动的分离，屋面前缘都出现了较大的负压，与170°,180°工况相比，0°,10°工况负压区较小，宽度在0.2 m左右，170°,180°工况负压区较大，宽约1 m，但是各工况负压最大值基本相同，风压系数在-0.8左右。

2)在所有工况中，负压区后出现了明显的正压区。0°,10°工况正压区集中在0.2 m～0.6 m范围，之后的风压基本趋近于0；170°,180°工况正压区延伸至模型尾端，正压值与0°,10°工况持平，风压系数为0.1左右。

3)由于模型局部转折拐点的存在，在0°,10°工况中出现了风压系数突变点，正压值陡然升高后回落，在设计中应特别予以注意。

4)排除突变点，10°工况与0°相比，最大负压值增大19%，最大正压值减小35%。因此若考虑坡面正对来风的情况下风向微小的转动，屋面负压值应在0°工况的基础上适当放大。而170°和180°工况之间差别不大。

2.2 试验与规范方法比较

15°倾斜角下，规范规定的封闭式矩形平面房屋的双坡屋面风荷载局部体型系数最大负压如表1所示。

当参考点与各测点处于同一高度时，平均风压系数与现行国家标准GB 50009建筑结构荷载规范中规定的体型系数基本一致(此时体型系数等于同一受风面上所有测点平均风压系数的加权平均)[10]。本试验选取的参考点与各测点处于同一高度，因此可直接对比试验得到的风压系数与《建筑结构荷载规范》中的局部体型系数，得出两种方法的差异之处。

表1 局部体型系数表

将试验结果与规范体型系数值比较发现，对于屋面坡度迎风的情况，前缘和中后部负压小于规范局部体型系数值，整体风压变化趋势与规范基本吻合，局部出现了正压但是同样小于规范值；对于屋面坡度背风的情况，前端负压小于规范值，中后段风压以正压为主，规范并未考虑正压。因此规范方法应用在装饰板与下一层的屋面板间有一定空隙的屋盖时，总体偏于保守，但在背风坡度应考虑正压的影响，否则会偏于不安全。

3 结语

1)0°,10°工况的前端负压区面积小，正压区较小，正压区后风压基本趋近于0，170°,180°工况前端负压区面积大，正压区分布广泛，延伸到模型尾端。个别屋盖表面转折处局部出现风压系数突变，应予以注意。

2)对于坡度背风的屋盖,10°的风向改变对风压的影响不大。而对于坡度迎风的屋盖，考虑风向轻微转动应将负压适当放大。

3)规范未考虑坡度背风时的正压，若与迎风面采用相同的正压局部体型系数，则试验结果得到的风压系数总体小于局部体型系数。因此试验方法得出的风压整体上小于规范方法，采用修改后的局部体型系数值总体将得到偏于保守的结果。

参考文献:

[1] 彭留留,黄国庆,李明水,等.某机场新航站楼风压分布特征及风振系数研究[J].空气动力学学报,2015,33(4):572-579.

[2] 苏 益,李明水,曾加东,等.某对称超大跨度火车站屋盖风洞试验研究[J].四川建筑科学研究,2017,43(2):23-28.

[3] 黄本才,汪丛军.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2008.

[4] 张相庭.结构风压和风振计算[M].上海:同济大学出版社,1985.

[5] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[6] 李忠湧,汪大绥,黄 鹏,等.上海东方艺术中心风荷载试验[J].同济大学学报(自然科学版),2003,31(7):819-822.

[7] 李明水,廖海黎,陈 淳.西南交通大学大型大气边界层风洞[D].成都：西南交通大学，2009:966-969.

[8] PANOFSKY H A,DUTYON J A.Atmospheric turbulence[M].John Willy & Sons,NY,1984.

[9] 庞加斌,林志兴,陆 烨.关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论[J].流体力学实验与测量,2004,18(2)：32-37.

[10] JGJ/T 338—2014，建筑工程风洞试验方法标准[S].