风洞试验结果在贵阳北屋盖设计中的合理应用

[摘要] 贵阳北站的屋面造型新颖独特，设计时其风荷载取值是个关键的难点问题。本文将其风洞试验的结果，与建筑结构荷载规范的规定进行对比，并结合计算分析结果，探讨了设计时其风荷载合理取值问题。另外，将风振分析结果与规范取值进行了对比，分析了风振系数的合理取值问题。本文的分析结论可供大跨度复杂屋盖风洞试验结果的合理应用提供参考。

[关键词] 风洞试验；体型系数；风振分析；风向角；风玫瑰

Abstract： The roof modeling of Gui Yang North Railway Station is novel and unique， The wind load is a critical difficult problem. This paper will compare the result of wind tunnel test with the provisions of load code for the design of building structure. Combined with the results of calculation and analysis， Explored the problem of reasonable wind load value， Also， Compared the analytical result of wind vibration with the value of code. Analyzed the problem of reasonable value of wind vibration coefficient. The study result of this paper can be used as a reference to optimally apply the result of wind tunnel test .

Keywords： wind tunnel test； shape coefficient； analysis of wind vibration； wind direction； wind rose.

0 引言

新建大型火车站屋盖一般采用大跨度钢结构，属于風敏感结构，一般需要进行风洞试验以确定风压分布和风振响应。然而风洞试验测出的风荷载取值，可能与现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称荷载规范）规定相差较大。因此，如何合理的应用风洞试验结果是个值得深入研究的问题。已有学者对这问题进行了一些初步研究：

付刊林，陈文明[1]以镇江体育会展中心体育场、体育会展馆为研究对象，结合风洞试验结果，分析了该工程钢结构屋盖的风压分布情况，得到了屋盖的风荷载体型系数以及相应的等效静力风荷载，并探讨了如何根据风洞试验结果来进行该工程的结构设计。

吴军，张忠[2]对贵阳奥体中心主体育场罩篷进行了风洞试验，给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律，并与规范计算值进行了比较，详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。

陈凯，何连华[3]等通过风洞试验研究了武汉火车站屋盖和雨棚的表面风荷载分布特征，通过对总受力和压力方差的统计分析，获得了不同风向角下结构受所风力作用的大小和离散程度，为评估不利风向角提供重要参考依据。

钱雪松，胡兆同[4]将某大跨屋盖结构的体型系数与现行荷载规范进行了对比，并对规范中体型系数的取值提出几点修正意见。

由以上研究情况可见，关于如何合理应用风洞试验结果的研究非常少。本文将贵阳北站的风洞试验结果与建筑结构荷载规范取值进行比较，结合贵阳市风玫瑰的使用，通过计算分析确定了合理的风荷载体型系数取值[5]。之后，还分析了风振系数的合理取值，总结了风洞试验结果合理使用的一些原则。

1 贵阳北风洞试验模型

本试验在中国建筑科学研究院风洞实验室进行。该风洞为直流下吹式风洞，全长96.5m，包含两个试验段。本试验在高速试验段进行，试验段尺寸为4 m宽、3 m高、22 m长，风速在2m/s到30m/s连续可调。根据风洞阻塞度要求、转盘尺寸及原型尺寸，试验模型缩尺比确定为 1：200。模型根据建筑图纸准确模拟了建筑外形，以反映建筑外形对表面风压分布的影响。

测点布置充分考虑结构形态，在风荷载分布可能不利的区域进行加密处理，以便准确捕捉结构最不利风荷载的分布。由于结构外形对称，雨棚只在单侧设置测点，从而使得局部分布加密，模型上共布置了991 个测点，含239个双面测点。

试验在 B类地貌下进行，试验时将正北方向定义为0°风向角，每隔 10°测量一次，测量了从0°到 360°共36 个风向角下的风压分布情况。

2 测压试验结果的合理应用

2.1体型系数测试结果的分析

图2 为贵阳北站站房和雨棚风向定义。选取在空间位置上具有代表性的20个测点（D1～D20，位置见图2），将其全风向角下的体型系数列于表1。

风洞试验提供了36 个风向角下的各个测压点处的体型系数。为研究各测点体型系数的与风向角之间的关系，选择了一些测点分别绘出其体型系数随风向角的变化曲线见图3～图5所示。

由图3～图5可以看出，随着风向的变化，各测点的体型系数也在变化。当风为东西向时（对应风向角100°、280°），屋盖迎风端部的风吸力较大（区域平均体型系数-1.5），屋盖其他部分的风吸力均比较小（区域平均体型系数-0.2），两者相差较大。当风为南北向（对应风向角190°、10°）时，屋盖迎风侧端部的风吸力较大（区域平均体型系数-0.8），迎风侧中部的风吸力较小（区域平均体型系数-0.4），且与屋盖的中部风吸力非常接近。这是因为南北向结构迎风面边长很大，长达442m，边缘角部受体型影响较大，而中间则趋于稳定。

由体型系数随风向变化曲线可以看出，若以四个主风方向10°（左风）、100°（后風）、190°（右风）、280°（前风）为中心，划分30°的主风向区，即0°～20°，90°～110°，180°～200°，270°～290°在单个主风向区内，对相近区域、相近的体型系数值进行包络，就能够囊括所有的不利体型系数。为简化结构设计，同时又保证结构安全，结构设计时需考虑这四种风荷载工况。

2.2 风玫瑰对风向角选择的影响

贵阳市风向频率玫瑰见图6所示。其中，粗线代表夏季，细线代表的是冬季。可见，贵阳市夏季主要盛行南风，冬季主要盛行东北风和南风，全年主导风向为东北风。很多研究指出，风玫瑰中的主导风向，与最大风压出现的风向不完全一致。一般认为，考虑风向风速的联合概率分布后，风荷载值可进行一定折减[6]。而我国现行荷载规范没有考虑风向对设计风速的影响，近来有些超高层工程的风工程分析已经注意了这个问题。考虑到贵阳市设计风荷载不大，本文不考虑风向对设计风荷载的折减。

而南风对应于风洞试验中的风向角范围为270°～290°，东北风对应于130°～150°。风洞试验结果应用时尚应重点考虑这2个风向角区的测试结果。其中270°～290°已经含在四个主风向角之中，而风向区为130°～150°需要补充，可以采用2种方法：

1）将风向区为130°～150°时的体型系数实测值，在相近区域进行归并整理后，定义成一种新的风荷载工况，房屋盖结构设计时总共考虑5种风荷载工况。

2）将风向区为130°～150°时的体型系数实测值，分别与90°～110°（后风）、180°～200°（右风）两种工况进行对比，取不利值作为后风和右风的设计值。本文采取第2种处理方法。

2.3 与荷载规范的规定进行对比

贵阳北站的建筑体型与荷载规范表7.3.1的12项（见图7）比较接近，因此将风洞试验结果与该图进行对比。

对一级屋面，最不利风向角的风作用下，中部的体型系数风洞试验结果为-0.4，边上为-0.6，悬挑部分为-0.9；若按荷载规范整体取单一体型系数的方法，中部和边上均为-0.6，挑檐可取-1.4。可见规范值比风洞试验结果要大，用规范值进行结构整体受力分析是偏于安全的。

对一级屋面的四个角的檐口，最不利风向角的风作用下，根据风洞试验结果其体型系数可取-1.6用于主体计算（考虑上、下面叠加），虽比荷载规范规定的檐口、雨蓬验算围护构件时局部风压体型系数-2.0要小，但能确保主体结构安全。

对二级屋面，在最不利风向角的风荷载作用下，根据风洞试验结果其迎风侧体型系数可取-0.8，背风侧取-0.3，悬挑部分取-1.5。而按荷载规范规定迎风侧是-0.3，背风侧是-0.6，恰好与风洞试验结果相反。通过分析贵阳北站的体型，这个现象可以得到解释。贵阳北站南北侧迎风的时候，风荷载掠过二级屋面后，被一级屋面侧面阻挡。由于站房侧面较长（长达442m），加上一级屋面有较长的悬挑屋檐，被阻挡的空气无法及时从两侧绕出去，形成涡流反射作用在迎风侧的二级屋面上，导致二级屋面的风吸和风振较大；而背风侧形成超过风漩涡影响的避风区，导致风吸较小。

对高架车道上四个角，风洞试验的结果是取-0.6，悬挑部分取-1.6；按荷载规范，中部取-0.6，悬挑部分取-2.0是安全的。

对于墙体（幕墙），风洞试验的结果是迎风侧取+0.7，背风侧是-0.3；按荷载规范迎风侧取+0.8，背风侧取-0.4是安全的。

风洞试验的结果还表明，墙面的小凹凸对整个墙面的风荷载取值没有影响。

2.4 取值对计算结果的影响分析

由贵阳北站的风洞试验结果与荷载规范对比可以看出，不好确定的是二级屋面体型系数的取值。对于一级屋面，按荷载规范取值偏于安全，按风洞试验结果则较为节省，对于火车站屋盖这种大型重要项目，又是对风荷载比较敏感的轻钢结构，可按荷载规范取值以确保安全。

由表2可看出，二级屋面的体型系数迎风侧取-0.3，背风侧取-0.6最为不利，出现了部分屋面风吸力取小值对整体结构更不利的情况。这是因为对于多跨空间结构，相邻两跨的风吸力之差越大，产生的不平衡力越大，对结构越不利。

由表2还可看出，施加4种风向角的风荷载，使空间结构的总用钢量稍有增加（小于1%），但优化了结构的整体抗风性能，使结构设计更为安全。同时，我们还可以看出，对于本工程，局部风荷载的体型系数改变，对结构的总用钢量影响很小。因此结构设计时，二级屋面的体型系数最终取值是风洞试验结果和规范规定值的结合。

3 风振分析结果的合理应用

风振分析是结合风洞测压试验来分析贵阳北站站房的风致振动情况，按重现期为100年基本风压0.35 kN/m2进行计算，地面粗糙度类别为B类，计算时考虑了1200阶模态。

3.1 风振分析结果概述

1）站房屋盖较低部分在 210°风向时局部将出现最大上吸风-1.295 kN/m2，同一风向下局部最大下压风为0.41 kN/m2；

2）站房屋盖较高部分在 240°风向时局部将出现最大上吸风-1.995 kN/m2，90°风向下局部最大下压风为0.15 kN/m2；

3）站房屋盖中间部分在 180°风向时局部将出现最大上吸风-1.81 kN/m2，30°风向下局部最大下压风为0.54 kN/m2；

4）站房周围的幕墙部分风荷载值都比较小，最大风吸出现在120°时站房的后端靠左局部区域，其值为-0.81 kN/m2；最大风压出现在300°时站房的前端局部区域，其值为 0.85 kN/m2；

3.2 等效静风荷载对比

我国建筑结构荷载规范规定：对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型的影响，结构风荷载通过风振系数来计算。但是，对于大跨屋盖这种振型密集的结构，必须考虑多阶振型风激振动对等效静力风荷载的贡献。

等效静力风荷载是指将该荷载以静力形式作用在结构上时产生的響应与实际脉动风荷载产生的响应相同。贵阳北站站房风振分析报告计算的是典型风向下的位移风振系数，由位移风振系数求得位移等效静力风荷载。即要求结构各节点上所作用的一组集中力所产生的节点位移与由随机振动理论算得的各节点极值位移相符。这样，只要将结构的刚度矩阵乘以结构的各节点极值位移向量，即可得到结构的极值位移等效静力风荷载向量：

由于风振系数反映的是顺风向脉动风增大效应，根据选取的参考量，风振系数分为：荷载风振系数、位移风振系数、内力风振系数、应力风振系数。以上风振系数都是某类响应所对应的风振系数，从物理意义上来讲，某响应风振系数只有在计算该响应时才有意义。因此，用位移等效静力风荷载去计算屋盖杆件内力，与实际脉动风计算得到屋盖杆件内力会有一定的差别。结构的内力等效静力风荷载的计算却要困难得多，一般情况下精确的内力等效静力风荷载向量通常是不存在的[7～9]。

在结构设计时要特别注意这一点。本文将由位移风振系数得到的等效静风荷载与根据荷载规范通过风振系数计算的风荷载（体型系数取风洞实测值）进行比较，对应位置结果比较见表2。

由表2可以看出，按荷载规范通过风振系数计算出来的静力风荷载值一般大于等效静力风荷载。但是对二级屋面，当其侧面正向迎风的时候，通过风振系数计算出来的静力风荷载值稍小于等效静力风荷载。这与二级屋面侧面正向迎风的时候，其体型系数实测值较大相照应。前文已经分析其原因，结构设计时，二级屋面的等效静力风荷载应按风致振动分析结果施加。

本工程设计时同时考虑了4种风向角的风荷载工况，在这4种风荷载工况的同时控制下，按荷载规范进行计算结果偏于安全。同时，尚需要按风振分析报告的等效静力风荷载进行复核。

4 结论

本文从体型系数测试结果的分析、风玫瑰对风向角选择的影响、与荷载规范的规定进行对比、体型系数取值对计算结果的影响等几个方面探讨了贵阳北站风洞试验静力测压结果的合理应用；从等效静风荷载对比等方面探讨了贵阳北站风致振动分析结果的合理应用。通过以上分析，得到以下结论供设计人员参考：

1）风洞试验得到的体型系数可能与荷载规范的规定有偏差，结构设计时可根据工程需要灵活把握，有时候风吸体型系数取大值（绝对值）不一定安全。

2）可以结合项目所在地的风玫瑰图以及体型系数随风向角变化的试验结果曲线，按风向角分区对体型系数进行归并，简化成4～6种风荷载工况，进行结构设计。

3）对风振分析报告给出的等效静风荷载的计算方法要有一定了解，应用等效静风荷载时需与风振系数计算结果进行比较，选择最不利的情况。

参 考 文 献

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作者简介：熊巍（1970- ），男，工程师，

地址：贵阳市枣山路铁道大厦十四楼成都铁路局贵阳北站建设指挥部

熊魏

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