体育场月牙形大跨悬挑屋盖风荷载特性

李波，冯少华，杨庆山，范重

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2.中国建筑设计研究院 范重工作室，北京 100044)

大跨悬挑屋盖具有自重轻、跨度大、结构柔等特点，风荷载是其结构设计的主要控制性荷载，属典型风敏感结构［1-2］.大跨悬挑屋盖的风荷载特性一直是风工程研究的热点，国内外研究者通过风洞试验得到了一些有价值的结论［3-5］，对认识该类结构的风荷载特性起到了重要作用.

月牙形大跨悬挑屋盖是现代体育场看台最常采用的罩棚形式，并且通常呈双侧布置用以满足建筑功能要求.平面形体的改变使得月牙形大跨悬挑屋盖的风荷载分布更为复杂，双侧布置又使得屋盖间风致干扰效应成为需要考察的内容.相对于普通大跨悬挑屋盖，专门针对月牙形大跨悬挑屋盖风荷载的研究相对缺乏.文献［6］采用数值的方法对月牙形大跨悬挑屋盖的平均风压分布进行了预测，文献［7］则研究了局部构造对月牙形悬挑屋盖平均风压分布的影响.

灵武体育中心位于宁夏回族自治区灵武市新区行政中心，距自治区首府银川市38 km，总建筑面积27 173 m2.体育场西侧设上、下两层看台，东侧设一层看台，并在东、西两侧看台上方设置大跨度悬挑屋盖.悬挑屋盖为复杂曲面，前高后低，且中间高、两侧低，平面投影为月牙形.

本文将以灵武体育中心为例，采用同步测压风洞试验的方法对双侧布置的月牙形悬挑屋盖风荷载特性进行了研究，重点分析该类悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载与极值风荷载的分布特性，为该类结构的抗风设计提供参考.

1 风洞试验概况

1.1 试验风场

本次试验在北京交通大学风洞实验室高速试验段完成，该风洞(图1)为双试验段回流式闭口风洞，风洞洞体平面尺寸为41.0 m×18.8 m，其中，高速试验段尺寸为 3.0 m ×2.0 m ×15.0 m，低速试验段尺寸为5.2 m ×2.5 m ×14.0 m.经第三方校核，风洞风场品质优秀.

图1 北京交通大学风洞试验室Fig.1 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University

在正式试验前，首先通过尖塔和立方体粗糙元的组合，按照我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定，模拟了1∶200的B类风场(地面粗糙度指数α=0.16)，试验中名义风速为15 m/s，风场平均风剖面如图 2 所示.图中 Z、Zr、U、Ur、α 分别为高度、参考点高度、风速、参考点处风速和风速剖面幂指数(试验中，参考点设置在模型顶部高度处).

图2 平均风速与湍流度剖面Mean wind speed and turbulence intensity profiles

1.2 试验模型及数据处理

试验模型为刚性模型，根据设计图纸，采用ABS材料制作，主体模型具有足够的强度和刚度，在试验过程不会发生变形和振动，以保证压力测量的精度.根据实际建筑物的大小和风洞试验阻塞率的要求，模型几何缩尺比选为1∶200，如图3所示.

图3 风洞试验模型Fig.3 Wind tunnel test model

该体育中心月牙形大跨悬挑屋盖分东、西两部分，其中，东悬挑屋盖面积较小，且高度较西悬挑屋盖低.采用双面测压技术［8］，在西悬挑屋盖内外表面共布置352个测压点，在东悬挑屋盖内外表面共布置312个测压点，如图3所示.测点处设置测压管，用来测量各点的瞬时风压.试验采用美国PSI公司生产的电子扫描阀测压系统，采样频率311.74 Hz，每个通道采样点数为 9 000，采样时间28.8 s.在 0°～360°范围内每转动 10°测试一次，主要风向角如图4所示.

在结构风工程中，物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，该系数可按下式确定［9］:

图4 测点布置图及风向角示意Fig.4 Tap distribution and wind angle

本文风压符号约定为:压力向上或向外为负，压力向下或向内为正.

2 平均风荷载

压力系数的均值反映了平均风荷载.本节将基于风洞试验结果给出月牙形大跨悬挑屋盖压力系数均值分布，用以揭示该类结构的平均风荷载分布特性.

2.1 平均风荷载分布

图5给出了灵武体育中心0°、270°风向角，屋盖上、下表面合成后的压力系数均值分布云图.

尽管投资条约和自由贸易协定很少引入文化影响评估，但是在东道国和外国投资者之间的投资合同中引入这种具体的机制可能有助于调和不同的利益，这将会是解决涉及文化遗产问题纠纷的有效机制。[注]参见Valentina Sara Vadi, Cultural Heritage in International Investment Law and Arbitration, p.287.

0°风向角时平均风荷载分布如图5(a)所示.该风向角东、西悬挑屋盖沿来流方向对称布置，由于两片屋盖形状相似，平均风荷载分布规律基本相同;受屋盖倾角变化的影响，平均风荷载沿屋盖由正压逐渐变化为负压;其中，屋盖正压区与负压区的分界线大致在屋盖三分之一处，该处屋盖倾角约为10°;由平均压力分布图还可以看出，来流在屋盖正压区、负压区的角部产生了明显的锥形涡［10-11］，正压区涡心处压力系数均值为0.6，负压区涡心处压力系数均值为 -0.5.

270°风向角时平均风荷载分布如图5(b)所示.该风向角东悬挑屋盖位于来流上游，作用于屋盖的风荷载均为负压，并且风压分布对称性较好.来流在东屋盖根部形成了明显的柱状涡［12］，涡心处压力系数均值达到-0.6，但是柱状涡作用范围较小，衰减很快;来流流过东屋盖后，在西屋盖悬挑端再次形成柱状涡，由于来流受东屋盖阻碍，流速减缓，湍流成分增加，该柱状涡的作用范围较大，但强度小，涡心处压力系数均值仅为-0.35.

图5 压力系数均值分布Fig.5 Distribution of the mean of pressure coefficient

2.2 平均风荷载随方向角变化

为了更好地说明平均风压分布规律，图6给出了月牙形大跨悬挑屋盖整体平均压力系数随风向角的变化曲线.其中，屋盖整体平均压力系数定义为:

图6 屋盖整体平均压力系数Fig.6 The mean of pressure coefficient of the whole roof

可以看出，东、西悬挑屋盖整体平均压力系数随风向角变化的规律性较好.处于来流上游的悬挑屋盖整体风压值较小，而处于下游的悬挑屋盖风压值较大;50°和140°风向角时，东屋盖整体风压值较大，其值达到 -0.4;230°与310°风向角时，西屋盖整体风压值较大，其值达到-0.54.

3 脉动风荷载

压力系数的根方差是用来衡量脉动风压大小的重要指标.图7给出了0°、270°风向角，月牙形大跨悬挑屋盖上、下表面合成后的压力系数根方差分布云图.

图7 压力系数根方差分布Fig.7 Distribution of the RMS of pressure coefficient

由图7可以看出，压力系数根方差的分布规律与压力系数均值分布规律相似.90°风向角时，东、西屋盖压力系数根方差分布基本相同，但是西屋盖涡心处压力系数根方差的值较东屋盖大;270°风向角时，东屋盖压力系数根方差衰减较慢，西屋盖则衰减较快.

图8给出了屋盖整体压力系数根方差随风向角的变化曲线.可以看出，处于来流上游的悬挑屋盖脉动风压较小，而处于下游的悬挑屋盖脉动风压较大，该规律与平均风压变化规律一致.

图8 屋盖整体压力系数根方差Fig.8 The RMS of pressure coefficient of the whole roof

4 极值风荷载

极值风压是用来指导围护结构抗风设计的重要依据.对于大跨度悬挑屋盖而言，上吸风极值通常为最不利荷载，按本文的符号约定，即为压力系数极小值.本文按下式确定作用于屋盖的极值风荷载:

图9给出了36个风向角作用下，月牙形大跨悬挑屋盖上、下表面最不利压力系数极小值分布云图.由图可以看出，屋盖表面的极值风压分布对称较好，上表面极值风压数值普遍大于下表面，且变化更为剧烈;屋盖上表面极值风压数值大于-1.6的区域占到整个屋盖的1/3，并且仅位于屋盖的悬挑端;下表面则是屋盖边缘周圈的极值风压数值均较大，约占屋盖的1/5区域.

图9 压力系数极值分布Fig.9 Distribution of the minimum of pressure coefficient

5 结论

风荷载是大跨悬挑屋盖结构设计的主要控制性荷载，本文以灵武体育中心为例，采用同步测压风洞试验得到了作用于体育场双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载以及极值风荷载的分布特性:

1)整体而言，作用于双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖的平均风荷载、脉动风荷载随风向角变化均匀，处于来流下游的悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载均较处于来流上游的悬挑屋盖大.

2)当来流与悬挑屋盖纵向平行时(如0°风向角)，受屋盖倾角变化的影响，来流前缘为正压区，后缘为负压区，并且，来流在屋盖表面形成锥形涡，涡心位于屋盖角部;当来流与悬挑屋盖横向平行时(如270°风向角)，屋盖表面均为负压区，来流在屋盖前缘形成柱状涡.

3)悬挑屋盖上表面极值风压数值普遍大于下表面，且变化更为剧烈;上表面悬挑端1/3的范围均可划为边缘区，极值风荷载较大.

［1］HOLMES J D.Wind load of structures［M］.New York:Spon Press，2001:210-221.

［2］孙瑛.大跨屋盖结构风荷载特性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007:3-8.

SUN Ying.Characteristics of wind loading on long-span roofs［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2007:3-8.

［3］LAM K M，TO A P.Generation of wind loads on a horizontal grandstand roof of large aspect ratio［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，54(55):345-357.

［4］朱川海，顾明.大型体育场主看台挑篷抗风研究现状及展望［J］.空间结构，2005，11(2):27-33.

ZHU Chuanhai，GU Ming.Present state and perspectives of wind resistance studies on grandstand cantilevered roofs of large stadiums［J］.Spatial Structures，2005，11(2):27-33.

［5］李元齐，胡渭雄，王磊.大跨度空间结构典型形体风压分布风洞试验研究现状［J］.空气动力学学报，2010，28(1):32-38.

LI Yuanqi，HU Weixiong，WANG Lei.State of art:wind tunnel investigation on wind pressure distribution of large span spatial structures with typical shapes［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2010，28(1):32-38.

［6］顾磊，齐宏拓，武芳.典型体型体育场风荷载数值模拟分析［J］.空间结构，2010，16(2):72-80.

GU Lei，QI Hongtuo，WU Fang.CFD numerical simulation of typical shape stadiums［J］.Spatial Structures，2010，16(2):72-80.

［7］李超，陈水福，盛建康.局部构造对月牙形凸屋盖风荷载影响的研究［J］.空间结构，2010，16(3):47-54.

LI Chao，CHEN Shuifu，SHENG Jiankang.Effect of local configurations on wind load of a crescent-shaped convex roof Structure［J］.Spatial Structures，2010，16(3):47-54.

［8］李波，杨庆山，冯少华.周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究［J］.试验流体力学，2012，26(5):27-30.

LI Bo，YANG Qingshan，FENG Shaohua.Research on the interference effect of surrounding buildings on the wind load of long-span roof［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26(5):27-30.

［9］李波，杨庆山，田玉基，等.锥形超高层建筑脉动风荷载特性［J］.建筑结构学报，2010，31(10):8-16.

LI Bo，YANG Qingshan，TIAN Yuji，etal.Characteristics of turbulent wind load of tapered super-tall buildings［J］.Journal of Building Structures，2010，31(10):8-16.

［10］陈学锐，顾志福，李燕.锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载［J］.力学学报，2007，39(5):655-660.

CHEN Xuerui，GU Zhifu，LI Yan.Conical vortex induced wind loading on the roof of a building［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2007，39(5):655-660.

［11］KAWAI H.Local peak pressure and conical vortex on building［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，2002，90:251-263.

［12］李波，杨庆山，田玉基，等.国家网球中心新馆可开启屋盖风荷载特性［J］.土木工程学报，2010，43(S2):112-118.

LI Bo，YANG Qingshan，TIAN Yuji，et al.Wind load characteristics of retractable roof of New National Tennis Center［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(S2):112-118.

［13］张相庭.结构风工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006:124-125.