大跨叠合曲面屋盖风荷载分布特性研究

钟建海 陈水福 罗飞文

（1.浙江省城乡规划设计研究院，杭州 310050；2.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058）

0 引言

杭州亚运轮滑馆位于杭州经济技术开发区22 号大街以南、杭州绕城公路以西，是2022 年亚运会轮滑类项目竞赛的主要场馆。该馆占地近28 470 m2，主体长246 m，宽87 m，高29 m；整个屋面由东侧和西侧的飞旋环绕屋面以及中部的鞍形屋面三个部分组成，突出“盘旋环绕”动态、自由、流畅的特点。轮滑馆效果图如图1 所示，其多个曲面的叠合组成方式参见图2。

图1 轮滑馆效果图Fig.1 Roller skating stadium rendering

图2 屋盖叠合曲面组成示意图Fig.2 Schematic diagram of superimposing curved roof components

已有研究表明，来流风越过大跨屋盖表面时将形成柱状涡、锥形涡等分离涡流，以及可能的再附流、回流等复杂流动［1-2］，其表面风压与屋面形状、坡度、跨度、高宽比等因素直接相关［3-6］。本文研究的轮滑馆屋盖跨度大，形状复杂，且由多个曲面叠合而成［7］，预计在来流风作用下将产生复杂的分离和再附等流动现象，导致其表面风压复杂多变，从现行规范［8-9］无法找到相关数据作为参考。

本文采用同步测压风洞试验方法，通过对测得的屋盖表面风压数据进行统计分析，探讨此类叠合屋盖的风荷载分布特点；通过对不利风向和不利区域平均和脉动风压的分析探讨，为屋盖主体和围护结构的抗风设计提供依据和借鉴。

1 风洞试验与数据处理

1.1 风洞模型试验

本次试验为表面多点同步测压风洞模型试验，模型缩尺比1∶250，如图3 所示。预估风压的分布情况，对屋盖表面进行了分区，共设11 个分区，如图4 所示；在各分区中共布置了479 个风压测点。试验按B 类地貌模拟风场，在0～360°范围内每隔15°一个风向角，共进行了24 个风向角的风压测试。

图3 风洞中的试验模型Fig.3 Test model in wind tunnel

图4 屋盖风压测试分区图Fig.4 Sub-region division diagram for the roof wind pressure measurement

1.2 试验数据处理

试验数据按风压系数的形式给出［10］：

式中：Pi是第i测点的风压值；P∞和V∞是参考点未受干扰的静压和风速值；ρ为空气密度。

根据相似原理，可将模型上各测点的风压系数应用于建筑实物；再考虑轮滑馆所处区域的地面粗糙度为B类，基本风压w0=0.45 kPa，通过对测得的风压系数时程进行统计分析，可得到风压系数的平均值和均方根值，进一步可获得平均风压、体型系数、极值风压等风荷载参数。

2 平均风荷载分布特性

2.1 中部鞍型屋面

图5 给出了典型风向角下，中部鞍型屋面的平均风压等值线图。不同风向角下，气流经过东西侧飞旋环绕屋面将形成分离，使得鞍型屋面处在分离剪切层中，因而其风压以负压为主。

图5 典型风向下鞍型屋面平均风压等值线图（单位：kPa）Fig.5 Mean wind pressure contour on the saddleback roof under typical wind directions（Unit：kPa）

当来流风沿纵向或接近纵向流经屋盖时，鞍型屋面负压值（指绝对值）相对较小，例如0°风向时仅西侧边缘处风压较大，负风压最值约为-0.4 kPa，参见图5（a）。但当来流风自东北或西南斜向作用屋盖时，例如135°风向（东北风），鞍型屋面的平均负风压值最大，迎风边缘处达到约-0.7 kPa，参见图5（b）。这与前方环绕屋面较陡，且受对向一侧屋面延伸段的狭道影响，从而加剧气流分离有关。315°风向（西南风）与此类似。

2.2 两侧环绕屋面

东侧与西侧环绕屋面近似对称，故仅对0～180°风向角范围的典型工况进行分析。不同风向角下，部分迎风较陡区域会出现正风压，但数值均不大，参见图6（a）。多数区域均表现为负风压，不利负压出现在150°风向角下，此时负压最值位于西侧环绕屋面的东南段与东侧屋面叠合部位，数值约为-0.35 kPa，如图6（b）所示。该风压最值与气流在叠合开口处的狭道聚集并加速分离有关。

图6 不利风向下环绕屋面平均风压等值线图（单位：kPa）Fig.6 Mean wind pressure contour on the surrounding roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

2.3 分区体型系数

为便于工程应用，结合平均风压的分布特点，将屋盖划分为11 个分区（图4），计算得到了各分区的体型系数。

结果显示，中部鞍形屋面中，中心部位1 区的分区体型系数较小，且随风向角变化不大。2 区和3 区的体型系数在105°～165°风向角下较大，其中2 区在135°风向角下取得最值-0.83，3 区在150°风向时达到最值-0.63。4 区和5 区的分布规律类似，在300°～345°风向角范围内的体型系数值较大，其中4 区在345°风向角下取得最值-0.72，5区在330°风向角下达到最值-0.96。

两侧环绕屋面中，6区、7区和8区的分区体型系数在45°～135°风向角下为正值，其中8 区系数值较大，在90°风向角下取得最大值0.31；其他风向角下为负值，同样是8区较为不利，在330°风向角下取得最值-0.99。

西侧屋面的情况类似，但由于受到邻近高层建筑的遮挡，其分区体型系数稍小些。11 区的负压体型系数在150°风向角下取到最值-0.64。

屋盖典型分区在不利风向下的分区体型系数如表1所示，可供承重结构设计使用。

表1 典型分区在不利风向下的分区体型系数Table 1 Shape factors of typical sub-regions under unfavorable wind directions

3 脉动风荷载分布特性

3.1 不利风向角

轮滑馆屋盖的极值正风压较小，以下主要讨论负风压的分布情况。试验结果表明，极值负风压的最不利风向主要集中在150°和330°风向角附近。当来流风沿150°风向时，将在东侧屋面顶部和西侧屋面尾部产生显著分离，并在鞍形屋盖上产生较大负风压区域，且未见再附迹象。由于对称性，330°风向的情况与此相似，将在鞍形屋盖前缘和东侧屋面尾部产生较大分离负压。

3.2 极值风压分布特性

图7 给出了150°、330°两个不利风向角下鞍形屋面和东侧或西侧（数值较大一侧）环绕屋面的极值风压等值线图。

图7 不利风向下屋盖极值风压等值线图（单位：kPa）Fig.7 Extreme wind pressure contour on the roof under unfavorable wind directions（Unit：kPa）

由图7 可见，150°风向角下屋盖极值风压均表现为吸力，风压最值出现在鞍型屋面迎风前缘附近，数值超过-1.2 kPa；风压自东北到西南数值逐渐减少。西侧环绕屋面的风压在北部和东南部的叠合处数值较大，分别达-0.7 kPa和-0.6 kPa以上；东侧屋面由于直接迎风，负压值较小。

330°风向角下的负风压分布与150°相似，在鞍型屋面西南部前缘达到最大，并自西南至东北逐渐减小；东侧屋面尾部、与另一侧屋面叠合处的负压最大，数值约为-1.0 kPa，这与特定风向下叠合开口处气流加速并加剧分离有关。

3.3 全风向角下极值风压

为了便于围护结构设计使用，取出不同测点在全部24 个风向角下的极值负风压的最不利值，绘出全风向角下屋盖极值负风压的等值线图，如图8 所示。西侧屋面的数值总体略小于东侧屋面，故可根据对称性参照东侧取值。

图8 全风向角下屋盖极值负风压等值线图（单位：kPa）Fig.8 Extreme negative wind pressure contour on the roof under full-wind direction（Unit：kPa）

从图8 看到，全风向角下中部鞍型屋面的极值负风压普遍较大，特别是东北和西南侧的前缘部位，负压最值达到-1.46 kPa。东侧和西侧环绕屋面的负风压最值出现在接近尾部与另一侧屋面的叠合之处，数值略超过-1.0 kPa。

由于受分离、再附等复杂流动的影响，大跨屋盖表面局部区域的风压会呈现不同程度的非高斯特性，此时按峰值因子法计算的极值风压的保证率可能低于按理想高斯分布的预期保证率。鉴此为提高围护结构的抗风安全性，设计应用时可考虑增大式（2）、式（3）中的峰值因子取值，例如取为3.5或4。

4 结论

基于风洞试验测压数据，对杭州亚运轮滑馆大跨叠合曲面屋盖的风压分布特性进行了分析，考察了不同部位平均风压的分布规律，探讨了不利风向角下极值风压的变化特点。取得结论如下：

（1）轮滑馆屋盖中部鞍形屋面在不同风向角下均承受负风压。当来流风自东北或西南斜向作用时，鞍形屋面迎风前缘的负风压最大，这与前方环绕屋面较陡且另一侧屋面延伸段的狭道影响加剧气流分离有关。东西侧屋面的平均负风压最值出现在曲面叠合部位，也与该处的狭道效应有关。

（2）根据平均风压分布特点，将屋盖划分为11 个分区，获得了各风向角下的分区体型系数，可供承重结构设计使用。负压体型系数的不利风向角发生于135°～165°（东北风）和315°～345°（西南风）斜风作用时。

（3）屋盖极值负风压的最不利风向角出现在150°（东北风）和330°（西南风）附近，其中鞍形屋面的风压最值出现于迎风前缘部位；两侧环绕屋面的最值出现在其尾部与另一侧屋面叠合处附近，主要与叠合处气流加速并加剧分离有关。取出各测点在全部风向角下的极值负风压的最不利值，给出了全风向角下屋盖极值风压的等值线图，可供围护结构设计使用。