并列双煤棚风荷载干扰效应试验研究

陈 娟， 马密雪， 崔会敏， 韩智铭,2,3， 刘庆宽,2,3

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043；3. 河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，河北 石家庄 050043；4. 石家庄铁道大学 数理系，河北 石家庄 050043)

干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房。干煤棚结构要求跨度大、净空高，满足存储和作业空间，对风荷载较为敏感，其形态结构有很多种，比如圆形煤棚、三心圆柱面煤棚、气膜煤棚等。沙蔚博等[1]通过对比分析有、无考虑周边球壳屋盖，从结构基底力和风荷载体型系数分布规律等方面研究群体球壳屋盖间的干扰效应，研究结果表明，周边球壳屋盖的存在可显著减弱结构的基底竖向力，而在部分风向角下增加了结构的基底水平力。张渊等[2]通过刚性测压风洞试验研究了高低不同的两干煤棚在不同风向角下相互干扰的风荷载特性变化规律，发现高干煤棚处于上游时顶部风吸力较处于下游时降低，低干煤棚处于上游时顶部风吸力较处于下游时增大。王鑫[3]以某两端半敞口干煤棚工程为背景，对干煤棚结构表面的平均风压分布与沿横轴方向的位移响应特征进行了研究。黄鹏等[4]针对固定间距的煤棚干扰进行研究发现，由于遮挡效应，单边干扰和双边干扰均能有效减小受扰结构的平均风压系数。周晅毅等[5]考虑了2种干扰条件，邻近煤棚及内部煤堆，加上风场共3种因素的影响，对干煤棚结构的风致干扰效应进行了较全面的分析。张金龙等[6]研究了不同干扰条件下结构力系数随风向角的变化规律，发现相邻煤棚间干扰效应主要表现为遮挡效应和狭管效应，其遮挡效应在40°风向角下最为显著。

由上述文献可知，对于双煤棚间干扰效应的研究主要集中在施扰形式，包括单边施扰和双边施扰，但所研究干扰与目标煤棚间距因素单一，实际工程中常出现2个煤棚并排摆放，间距受场地等因素影响多变，因此对煤棚间干扰风荷载的研究很有必要。现以并列双煤棚为研究对象，研究不同间距下结构表面的风荷载体型系数分布规律。

1 风洞试验介绍

1.1 试验概况及工况设计

风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心STU-1风洞实验室低速试验段内进行，该试验段宽4.38 m，高3.0 m，长24.0 m，速度不稳定性不大于0.6%，速度场不均匀性不大于0.4%，湍流度不大于0.4%，通过转盘改变来流风向角，模型布置在低速试验段转盘中间位置。为了模拟实际工程所在位置的风环境，风洞试验模拟风场为文献[7]中的B类地貌风场。研究的煤棚缩尺比为1∶200，实际跨度为102 m，纵向长度为195 m，高度为39 m，煤棚密闭，因此只在外面布置测点，数目共计483个。模型采用ABS板制作，试验模型如图1，右侧煤棚为目标研究煤棚，左侧为干扰煤棚。

图1 试验模型示意图

为了研究并列双煤棚间距对煤棚结构外表面风压分布的干扰效应，定义参数间距比L，L为两煤棚的间距与煤棚跨度D的比值。采用刚性模型测压试验，共设置3个间距比工况(L=0.125、0.250、0.500)和1个对照工况(单煤棚工况)，考虑到结构的对称性，以10°为间隔，共测试了90°风向角范围内的10个风向角工况，试验风向角示意图见图2。

图2 风向角示意图

1.2 参数定义

物体表面的压力利用无量纲压力系数来表示

(1)

式中,Cp,i为测点i的风压系数；pi为测点i的压力值；p0、p∞分别为参考点处的总压、静压；ρ为空气密度；Ur为参考点的风速。结构内、外表面风压符号的约定为压力作用向测量表面为正，而背离测量表面(吸力)为负[8]。

体型系数μs,i与风压系数的换算关系

(2)

式中,z为参考点高度，取10 m；h为测点高度；α为风场的粗糙度指数，取0.16。风荷载体型系数正负号定义与表面风压相同。

2 风荷载体型系数及干扰分析

2.1 间距比对体型系数分布影响分析

图3为不同间距下0°及90°风向角的体型系数云图。0°风向角下，无干扰煤棚时，迎风端体型系数偏大，其体型系数最大值为0.92，气流沿着屋脊上升发生漩涡脱落，在煤棚迎风端顶部风荷载体型系数为负值，煤棚迎风前缘角部受到屋脊导流的影响，体型系数也为负值，受到风吸力。煤棚两侧体型系数接近于0，随着高度的增加，体型系数的绝对值稍大一些，最大为0.15。通过有无干扰煤棚的对比可知，并列煤棚对目标煤棚的影响主要在邻近干扰煤棚一侧。当干扰煤棚并列于目标煤棚左侧时，目标煤棚左侧体型系数呈现负值，且随着煤棚间距的增大，受影响的范围减小，体型系数的绝对值也减小。这是因为气流在没碰见的通道中受狭管效应的影响，产生较大风速，狭管两侧都受到风吸力。

图3 不同间距下0°及90°风向角的体型系数云图

90°风向角单煤棚工况下体型系数沿来流方向对称分布，迎风侧受到较大风压力，体型系数等值线大致平行，体型系数最大值为0.91，煤棚顶部受较大风吸力，体型系数为负值，其绝对值最大为1.24。当干扰煤棚与目标煤棚并列放置时，目标煤棚位于干扰煤棚下游，此时目标煤棚临近干扰煤棚一侧呈现负压，体型系数为负，且随着煤棚的间距增大，干扰煤棚对目标煤棚的遮挡效应减小。当目标煤棚上游有相同体型煤棚遮挡时，屋面顶部的负压明显减小，无干扰煤棚时顶部负体型系数最大为-1.21，L=0.125时顶部负体型系数为-0.63，减小了47.9%。迎风侧角部由负压变为正压，且一直延伸到屋面顶部，说明气流在迎风面发生分离，在角部处再附，产生的最大正体型系数为0.42。

2.2 风荷载干扰效应分析

模型表面布置了大量的测点，为了便于分析，以文献[7]中对封闭式拱形屋面分区的要求为依据，将煤棚表面划分为49个区域用于分析其所受风荷载的情况，双煤棚并列放置时受影响区域较为明确，因此只对这些区域的干扰因子进行研究，区域划分如图4。结合煤棚结构及气流对煤棚表面风压系数的影响，选取图2中A309和A240 2个测点，测点A309和测点A240分别位于煤棚顶面纵轴线和角部前缘纵轴线上，随着风向角有较为明显的变化。因此绘制L=0.125时2个测点的体型系数随风向角变化的折线图如图5，发现30°及60°风向角能够反映煤棚体型系数随风向角变化的规律，选取0°、30°、60°、90°这4个典型风向角下的分区体型系数及干扰因子进行分析。

图4 煤棚表面分区

图5 L=0.125时测点随风向角的变化

分区体型系数

(3)

式中,μs,i为测点i的体型系数；μz,i为测点i的高度变化系数；Ai为测点i代表的面积；μz,b为分区中心位置处的高度变化系数；A为分区的面积。

为了更好地量化干扰效应，可将干扰因子K作为干扰效应的衡量指标

(4)

图6为0°风向角下各间距比的煤棚分区体型系数，无干扰煤棚时，A～E区的体型系数接近0，而有了干扰煤棚之后，分区的负压都有不同程度增大，A、B和C区的体型系数并没有太大区别，间距对煤棚体型系数的影响主要集中在煤棚中心区域(D、E区)及迎风区域(F、G区)，在迎风区域产生较大的负压，气流在两煤棚间形成的狭长通道内产生“狭管效应”。煤棚的不利风压区域为E、F、G区。图7为0°风向角下煤棚的最不利分区干扰因子与间距比的关系情况，G区的干扰因子随着间距比的增大，干扰因子逐渐增大，说明此区域受干扰煤棚影响随着间距的增大而减小，间距比L=0.500时K小于1.15，所以此区域受干扰煤棚影响较弱。

图6 0°风向角下煤棚分区体型系数

图7 0°风向角下煤棚最不利分区干扰因子与间距比的关系

图8为30°风向角下不同煤棚间距各区的体型系数，可以看出在煤棚中间区域(E、F区)体型系数在干扰煤棚的影响下有正负的改变，此时受到干扰煤棚的遮挡效应，使得本来位于迎风面的区域呈现负压。在F区间距对分区体型系数的影响较为明显，随着间距的增大，遮挡效应逐渐减小，间距比L=0.500时，F区受到正压，但仍小于单煤棚，说明此时的遮挡效应仍然存在。图9为30°风向角下煤棚最不利分区干扰因子随间距比变化情况，其中E、F、G 3个区的K值都小于1，说明干扰煤棚对目标煤棚的分区体型系数都是起减小的作用且受到较强影响。B区域所受干扰最为强烈。

图8 30°风向角下煤棚分区体型系数

图9 30°风向角下煤棚最不利分区干扰因子与间距比的关系

图10为60°风向角下煤棚分区体型系数，单煤棚工况下除A区外全部呈现正压，且整体呈现增大趋势，在F区受到较大正压，为0.8，干扰煤棚对目标煤棚所受正负压有较大影响。图11为60°风向角下煤棚的最不利分区干扰因子与间距比的关系情况，E、F、G区的干扰因子K为0.5～1，其中F区的干扰因子在0左右浮动，即该区处于强影响区域，干扰煤棚对该区域的体型系数有较强的减小作用。E、G区的K值随着煤棚间距的增大也逐渐增大，说明煤棚间距越大，E、G两区所受到的干扰效应越弱。间距比L=0.125时，B、F区域处最不利干扰因子为负，目标煤棚受到干扰，此处的压力由正压变为负压。

图10 60°风向角下煤棚分区体型系数

图11 60°风向角下煤棚最不利分区干扰因子与间距比的关系

由图12可知，90°风向角时干扰煤棚对目标煤棚的影响最明显。中间区域(C、D、E区)的体型系数在干扰煤棚的影响下由正压变为负压，这是因为干扰煤棚的遮挡，使气流沿着煤棚表面在煤棚间形成的“峡谷”中形成卷吸，产生负压，而边角区域(A、G区)在干扰煤棚的影响下由负压变为正压，这是因为气流在干扰煤棚角部分离，往后在目标煤棚角部再附，但经过干扰煤棚的阻塞，形成正压值较小。图13为90°风向角下煤棚的最不利分区干扰因子与间距比的关系情况，干扰因子K值均小于1，说明干扰使目标煤棚的体型系数较单煤棚都有一定程度减小，E区受干扰程度几乎不随间距变化，B区受干扰程度随间距的增大明显增大，说明此区域对干扰煤棚的遮挡效应反应最为敏感。

图12 90°风向角下煤棚分区体型系数

图13 90°风向角下煤棚最不利分区干扰因子与间距比的关系

2.3 抗风设计建议

为了明确煤棚表面各处受干扰效应的程度，可以对比试验得到的体型系数μs′与规范中规定的体型系数μs，提出适用于并列双煤棚的抗风设计建议。将90°风向角下单煤棚、L=0.125的并列煤棚及规范参考三者的分区体型系数进行对比，如图14所示。可以看出，单煤棚下迎风侧靠近地面的区域体型系数最大为0.8，比规范体型系数大33.33%，且在角部产生较大负体型系数。顶部区域的体型系数均为-1.1，比规范体型系数大了50%，说明顶部受到较大风吸力，这对大跨度煤棚结构是较为不利的，在实际设计中此处区域的防风措施需要加强。当并列双煤棚间距比L=0.125时，煤棚的整体分区体型系数明显减小，均小于规范规定体型系数，说明在90°风向角下干扰煤棚对目标煤棚产生有利干扰。

图14 煤棚分区体型系数

3 结论

(1)煤棚并列放置时，随着间距比的增大，目标煤棚受到干扰煤棚的影响逐渐减小，间距比L=0.125时，0°风向角时体型系数受狭管效应最大放大了2.6倍，产生的最大负体型系数为-0.52；90°风向角时煤棚顶部体型系数受遮挡效应减小47.9%。

(2)煤棚并列放置时，0°为最不利风向角，E区域干扰因子K值最大为4.07，随着间距的增大干扰因子减小；30°风向角下干扰煤棚对目标煤棚E、F、G区的体型系数都是起减小的作用；90°风向角下煤棚最不利分区干扰因子K值均小于1，说明干扰煤棚使目标煤棚的体型系数较单煤棚都有一定程度减小。

(3)气膜单煤棚顶部受到较大风吸力，规范当中所给相应区域体型系数值偏小，煤棚并列放置且间距比L=0.125时，目标煤棚的体型系数均在规范要求范围内。