體育場風洞試驗研究

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1、嘉興市體育場風洞試驗研究嘉興市建筑設計研究院有限公司單德貴陳立新浙江大學土木系沈國輝【摘要】通過風洞試驗研究了B類地貌下嘉興市體育場屋蓋結構的風荷載分布，提出了風洞試驗和數據處理的具體方法，并給出了該體育場主體承重結構和圍護結構設計時所需的風荷載參數。試驗研究表明，對于這種大型、復雜的敞開結構，進行系統(tǒng)的風荷載試驗和研究是十分必要的。一、引言嘉興市體育場（圖1）是一座大型綜合性體育場，為嘉興體育中心的第一期工程，可容納觀眾35000人，建筑面積為5.5萬m２。體育場采用橢圓形雙軸對稱布置方式，屋蓋支撐體系為鋼桁架

2、和鋼桁架巨型拱結構，屋面為球面造型，折板形狀，采用的是PVC聚脂膜材料，剖面如圖2所示。我國荷載規(guī)范[1］對于這種造型獨特的體育場屋蓋結構的風荷載計算缺乏相應的體型系數。因此為了保證該體育場結構設計的安全、經濟、合理，有必要進行該體育場屋面風壓測定的風洞試驗，即按相似原理的要求，在模擬大氣邊界層流場的風洞中進行模型試驗，測定建筑物表面風壓和體型系數。圖1嘉興市體育場風洞試驗模型圖2體育場剖面示意圖二、試驗簡介1．試驗設備試驗在CGB－1建筑風洞中進行，該風洞為串聯雙試驗段回流式中性大氣邊界層風洞。該風洞有兩個試驗

3、段，大試驗段為閉口式，長10米，寬3米、高2米，小試驗段長9米，寬1.2米，高1.8米，本次試驗在大試驗段完成?？紤]到嘉興市以及該體育場周圍的地形、地貌特點，按結構荷載規(guī)范［1］確定該建筑所在地為B類地貌，即地貌粗糙度指數。在風洞中采用擋板、尖塔和粗糙元模擬技術，圖3和圖4分別為風洞模擬的風剖面和湍流度，可以發(fā)現該風場符合B類地貌的要求。本次模型試驗得出的風壓系數可以直接應用到實際的建筑中。在風壓測量、記錄及數據處理系統(tǒng)中，由美國Scanivalve掃描閥公司的機械掃描閥、A/D數據采集板、PC機以及自編的信號采集及

4、數據處理軟件組成風壓測量、記錄及數據處理系統(tǒng)?！D3風洞模擬的B類大氣邊界層風速剖面圖4風洞模擬的B類大氣邊界層湍流度剖面2．試驗模型和試驗工況嘉興市體育場風洞試驗模型采用ABS材料壓模制成，模型縮尺比為1∶200。模型的總高度約為0.27m，縱向長約1.4m，橫向長約1.3m。由于該體育場具有雙軸對稱性，因此取四分之一的屋面布置風壓測點，屋面上表面布置183個測點，屋面下表面也布置183個測點，共布置366個測點。上表面的測點與下表面對角布置，下表面的測點旋轉180°后與上表面完全重合，其具體位置如圖5所示。圖5

5、也給出了試驗風向角的定義，在風洞試驗時，每個風向角為一個工況，風向角變化間隔為15°，試驗測壓風向角從0°～360°共24個工況。圖5試驗模型測點位置和風向角示意圖圖6330°和180°風向屋面的風壓分布3．數據處理本次模型試驗中各測點風壓系數的計算方法系按目前國內外風工程慣用的方法，即按下式計算：Cpi＝Pi－P∞/0.5pV２∞（1）式中：Cpi是建筑物表面某測點i的風壓系數；Pi是測點i的風壓值；Ｐ∞是參考點靜壓力值；Ｖ∞是參考點的風速，對于本次試驗V∞＝9.8m/s，參考高度為風洞高度1m，相當于實物高

6、度200m。由風洞試驗得出的i測點位置處的風壓計算公式為：Ｗi＝ＣPiＷr（2）Wr為試驗參考點所對應的實物上的壓力，若引入r高度的風壓高度系數μzr，則上式為：Ｗi＝ＣPiμzrw0（3）式中w0為基本風壓，該體育場50年一遇的基本風壓取為0.5kN/m２。根據荷載規(guī)范［1］的規(guī)定，在計算承重結構時，風壓標準值可采用下式計算：Ｗk＝βzμsμzw０（4）式中βz為風振系數，μs和μz為體型系數和風壓高度系數。式（3）中的Wi相當于已經包含了風壓高度系數和體型系數，即風壓標準值也可以采用下式計算：

7、Ｗk,i＝βzＷi＝βzＣpiμzrw０（5）對于圍護結構，規(guī)范［1］建議采用下式計算：Ｗk＝βgzμsμzw０（6）式中βgz為陣風系數，但是規(guī)范又指出“由于考慮到近地面湍流規(guī)律地復雜性，在取得更多資料以前，規(guī)范暫時不明確低矮房屋圍護結構風荷載地具體規(guī)定”。實際上，由于風洞試驗時風洞流場已模擬了大氣湍流，因此圍護結構的風荷載可以采用風洞試驗中得到的脈動風壓系數來考慮，即~Cp={Cpmax＝Ｃpmean＋３ＣprmsＣpmin＝Ｃpmean－３Ｃprms脈動風壓系數Ｃpmax和Ｃpmin相當于已

8、包含了陣風系數βgz，因此將式（3）中的風壓系數的平均值采用式（7）的脈動值代替即可用來計算圍護結構的風荷載標準值。即圍護結構的風荷載標準值為：Ｗk＝~Ｃpμzrw０（8）在計算中，需考慮脈動風壓的最大正值（壓力）和最大負值（吸力）。4．風壓合力的計算由于該體育場屋面屬于敞開結構，其上下表面同時受到風荷載作用，因此在設計中