大跨屋盖结构的风荷载的分布规律

张雪 李寿科 肖飞鹏

【摘 要】本文以1：200几何缩尺比的刚性模型进行风洞试验，基于相应的风洞试验数据处理方法，研究了大跨度平屋盖表面风压分布特征，给出了风压系数分布规律。得出，屋面的风压系数以吸力为主，气流在屋面前缘发生分离，发生分离后产生了旋涡脱落与再附。

【关键词】大跨屋盖结构;平均风压系数;脉动风压系数;极值风压系数;局部风压系数

中图分类号： TU312.1 文献标识码： A 文章編号： 2095-2457（2019）11-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.082

【Abstract】The wind tunnel test is carried out with a rigid model of 1：200 geometric scale. Based on the corresponding wind tunnel test data processing method， the wind pressure distribution characteristics of the long-span flat roof are studied， and the distribution law of wind pressure coefficient is given. . It is concluded that the wind pressure coefficient of the roof is mainly suction， and the airflow is separated at the front edge of the house. After the separation occurs， the vortex is detached and reattached.

【Key words】Large span roof structure; Mean wind pressure coefficient; Pulsating wind pressure coefficient; Extreme wind pressure coefficient; Local wind pressure coefficient

0 引言

大跨屋盖结构广泛应用于艺术馆、体育馆、 展览馆，航站楼，火车站站房等公共建筑，风荷载是该类大跨度屋盖结构设计需考虑的一个重要的荷载。在我国规范中对于大跨度屋盖结构的抗风设计，通常区分于主体承重结构设计和围护结构设计。大跨屋盖结构通常处于近地面大气湍流边界层，且其外形较为不规则，使得风在结构表面绕流特征明显，其围护结构在强风作用下容易被破坏[1]。围护结构通常由小块的屋面系统组成，其表面风荷载表现出明显的非高斯特性，易在强风作用下被掀开，被撕裂甚至发生卷曲和变形[2]。大跨屋盖围护结构受到的表面风压是千变万化的且有正负之分，正压是建筑结构阻挡到来流风而产生的，一般是迎风面，而正压受到阻塞时，会产生改变方向，造成结构表面受到的风压不均匀。而负压一般在建筑屋面和背面以及侧面产生，负压的分析比较复杂，会产生分离和漩涡[3]。

因为大跨屋盖结构大部分都是钝体结构，而绕流因惯性力减小呈现出一种减速的形式，逆压梯度使得表面气流倒流，致使气流发生分离。不同的建筑外形它的气流分离点也不同，且在分离之后会产生漩涡引起结构横风向振动，也会有再附现象发生[4]。

1 刚性模型测压风洞试验概况

本文试验在湖南科技大学风工程试验研究中心进行，该风洞为开口直流吸入式矩形截面风洞，如图1所示，试验段尺寸为：宽4.0米×高3.0米×长21.0米。风洞是有一台350kW功率的电机，试验风速范围为0m/s～30m/s。风洞有一个半径为1.5米的转盘，能够采集360度各个方向角数据。

试验模拟了《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中的B类地貌，风场缩尺比为1：200，平均风剖面指数为0.15，屋面风速大约达到10m/s。大跨平屋盖建筑的足尺尺寸为176.8m×176.8m×30m，模型缩尺比为1：200，模型照片如图2所示。在试验模型屋盖和立墙表面布置测点，屋盖表面测点共计为500个。采样时长约20s，采样频率330Hz，采集6600个数据样本。

2 表面风压分布规律分析

2.1 测点体型系数分布规律

测点平均风压系数的分布规律为（1）平均风压成对称分布，由此也证明该风洞试验的可靠性;（2）屋面的平均风压系数以吸力为主，0度方向屋面前缘吸力比较明显，等值线基本平行，气流在屋面前缘发生分离，随着向尾流区的发展，吸力逐渐减小，这是因为气流发生分离后产生了旋涡脱落与再附，等值线不再平行。45度风向角时，气流在角部分离形成双翼锥形涡，且随着向尾流区发展越来越弱;（3）0度风向角下，最大负压出现在屋面前缘屋角处。45度风向角下，最不利负压出现在屋面角部分离处。

2.2 测点脉动风压系数分布规律

脉动风压为风荷载所具有的脉动能量，由来流和建筑本身所产生的湍流能量。分布规律为：在0度和45度风向角下，脉动风压系数和平均风压系数规律大致相同。0度风向角时，最大脉动风压出现在屋面迎风前缘和锥形涡处，变化梯度大，是屋面极易破坏区域，范围为0.07～0.5。随着向尾流区域发展，脉动风压越来越小，这与平均风压系数一样。45度风向角时，最大脉动风压系数同样出现在角部分离处，这是由于风压脉冲所影响，与特征湍流相符合，范围为0.05～0.5。

2.3 测点极值风压系数分布规律

极值的研究在风工程试验中具有重要意义。图3为0度风向角下极值风压系数等高直线图，看出在屋面中间有一次风压分离，离屋面前沿越远极小值的绝对值越小，到屋面后缘风压再附，在屋面后沿绝对值又逐渐变大，极大值风压系数，旋涡脱落产生吸力到屋面后沿再附有关，使得屋面后沿绝对值急剧增大。

图4为45度风向角下极小值风压系数等高直线图，图中极值风压系数对称，可证明数据的准确性，由于锥形涡的影响，角部极值绝对值最大，随着锥形涡向屋面后缘扩散，绝对值变小，且中间部分，极值风压系数偏小，也是由于气流分离所影响。45度风向角下极大值风压系数等高直线图，图中极值风压系数对称，由于锥形涡影响极大值出现在屋面尾部。

2.4 分块体型系数分布规律

本节统计了局部体型系数，根据图5、图6的屋面分块，本节统计了局部体型系数，为0度和45度风向角的体型系数规范取值，体型系数试验统计值，可看出数据对称分布，证明了试验数据的可靠性。45度风向角下，区域1、2、4和5受到气流分离、双翼锥形涡以及旋涡脱落的影响造成风压系数变化大。

0度风向角下每块区域的测点体型系数随着向尾流区发展，体型系数越来越小。区域1体型系数范围在-1.34～-0.31，有17.6%的测点超过规范值，且靠近屋面前沿;区域2体型系数范围在-0.42～-0.15，所有值都小于规范值;区域3体型系数范围在-0.27～-0.10，且接近规范值。45度风向角下每块区域的测点体型系数统计值。在区域1体型系数为负值，12%的测点超过规范值，最大值超过规范值44%，其余小于规范值;区域2体型系数都小于规范值;区域3体型系数有一个测点超过规范值即1号测点;区域4体型系数有两个测点超过规范值，即有3.4%超过规范值;区域5体型系数有两个测点超过规范值，即有2.4%超过规范值，且超过规范值的测点大多数在边缘和双翼锥形涡处。

3 总结

采用缩尺比为1：200的大跨度平屋盖进行刚性模型风洞测压试验，研究了屋盖表面风压分布特征，得到以下结论：（1）屋面的平均风压系数以吸力为主，0度方向气流在屋面前缘发生分离，发生分离后产生了旋涡脱落与再附，最大负压出现在屋面前缘。45度风向角时，气流在角部分离形成双翼锥形涡，且随着向尾流区发展越来越弱，最大负压出现在屋面前缘。（2）脉动风压系数和平均风压系数规律大致相同。最大脉动风压出现在屋面迎风前缘和锥形涡处，变化梯度大，是屋面极易破坏区域，这是由于风压脉冲所影响，与特征湍流相符合。（3）风压系数极值离屋面前沿越远极大值和极小值的绝对值偏小。这与风压在屋面前沿产生分离，旋涡脱落产生吸力到屋面后沿再附。研究大跨屋盖结构表面风压特性为大跨屋盖结构抗风设计提供理论参考。

【参考文献】

[1]Holmes J D.Wind loading of structures[M].London，UK： Taylor & Francis Group，2015：66-67.

[2]李超.球面屋蓋围护结构风荷载特性及设计风荷载[D].北京交通大学，2015，3-4.

[3]韩淼，王绅，杜红凯，李万钧，韩蓉.大跨度刚性屋盖数值模拟及女儿墙对风压影响分析[J].工业建筑，2019（03）：104-110+131.

[4]李寿科，张雪，方湘璐，孙洪鑫，陈宁，胡金星.双坡光伏车棚屋面风荷载特性[J].太阳能学报，2019，40（02）：530-537.

※基金项目：湖南科技大学研究生创新基金资助项目（CX2017B639）。

作者简介：张雪（1992—），女，河南安阳人，汉族，硕士研究生学历。