体育场风洞试验研究

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1、嘉兴市体育场风洞试验研究嘉兴市建筑设计研究院有限公司单德贵陈立新浙江大学土木系沈国辉【摘要】通过风洞试验研究了B类地貌下嘉兴市体育场屋盖结构的风荷载分布，提出了风洞试验和数据处理的具体方法，并给出了该体育场主体承重结构和围护结构设计时所需的风荷载参数。试验研究表明，对于这种大型、复杂的敞开结构，进行系统的风荷载试验和研究是十分必要的。一、引言嘉兴市体育场（图1）是一座大型综合性体育场，为嘉兴体育中心的第一期工程，可容纳观众35000人，建筑面积为5.5万m２。体育场采用椭圆形双轴对称布置方式，屋盖支撑体系为钢桁架

2、和钢桁架巨型拱结构，屋面为球面造型，折板形状，采用的是PVC聚脂膜材料，剖面如图2所示。我国荷载规范[1］对于这种造型独特的体育场屋盖结构的风荷载计算缺乏相应的体型系数。因此为了保证该体育场结构设计的安全、经济、合理，有必要进行该体育场屋面风压测定的风洞试验，即按相似原理的要求，在模拟大气边界层流场的风洞中进行模型试验，测定建筑物表面风压和体型系数。图1嘉兴市体育场风洞试验模型图2体育场剖面示意图二、试验简介1．试验设备试验在CGB－1建筑风洞中进行，该风洞为串联双试验段回流式中性大气边界层风洞。该风洞有两个试验

3、段，大试验段为闭口式，长10米，宽3米、高2米，小试验段长9米，宽1.2米，高1.8米，本次试验在大试验段完成。考虑到嘉兴市以及该体育场周围的地形、地貌特点，按结构荷载规范［1］确定该建筑所在地为B类地貌，即地貌粗糙度指数。在风洞中采用挡板、尖塔和粗糙元模拟技术，图3和图4分别为风洞模拟的风剖面和湍流度，可以发现该风场符合B类地貌的要求。本次模型试验得出的风压系数可以直接应用到实际的建筑中。在风压测量、记录及数据处理系统中，由美国Scanivalve扫描阀公司的机械扫描阀、A/D数据采集板、PC机以及自编的信号采集及

4、数据处理软件组成风压测量、记录及数据处理系统。　图3风洞模拟的B类大气边界层风速剖面图4风洞模拟的B类大气边界层湍流度剖面2．试验模型和试验工况嘉兴市体育场风洞试验模型采用ABS材料压模制成，模型缩尺比为1∶200。模型的总高度约为0.27m，纵向长约1.4m，横向长约1.3m。由于该体育场具有双轴对称性，因此取四分之一的屋面布置风压测点，屋面上表面布置183个测点，屋面下表面也布置183个测点，共布置366个测点。上表面的测点与下表面对角布置，下表面的测点旋转180°后与上表面完全重合，其具体位置如图5所示。图5

5、也给出了试验风向角的定义，在风洞试验时，每个风向角为一个工况，风向角变化间隔为15°，试验测压风向角从0°～360°共24个工况。图5试验模型测点位置和风向角示意图图6330°和180°风向屋面的风压分布3．数据处理本次模型试验中各测点风压系数的计算方法系按目前国内外风工程惯用的方法，即按下式计算：Cpi＝Pi－P∞/0.5pV２∞（1）式中：Cpi是建筑物表面某测点i的风压系数；Pi是测点i的风压值；Ｐ∞是参考点静压力值；Ｖ∞是参考点的风速，对于本次试验V∞＝9.8m/s，参考高度为风洞高度1m，相当于实物高

6、度200m。由风洞试验得出的i测点位置处的风压计算公式为：Ｗi＝ＣPiＷr（2）Wr为试验参考点所对应的实物上的压力，若引入r高度的风压高度系数μzr，则上式为：Ｗi＝ＣPiμzrw0（3）式中w0为基本风压，该体育场50年一遇的基本风压取为0.5kN/m２。根据荷载规范［1］的规定，在计算承重结构时，风压标准值可采用下式计算：Ｗk＝βzμsμzw０（4）式中βz为风振系数，μs和μz为体型系数和风压高度系数。式（3）中的Wi相当于已经包含了风压高度系数和体型系数，即风压标准值也可以采用下式计算：

7、Ｗk,i＝βzＷi＝βzＣpiμzrw０（5）对于围护结构，规范［1］建议采用下式计算：Ｗk＝βgzμsμzw０（6）式中βgz为阵风系数，但是规范又指出“由于考虑到近地面湍流规律地复杂性，在取得更多资料以前，规范暂时不明确低矮房屋围护结构风荷载地具体规定”。实际上，由于风洞试验时风洞流场已模拟了大气湍流，因此围护结构的风荷载可以采用风洞试验中得到的脉动风压系数来考虑，即~Cp={Cpmax＝Ｃpmean＋３ＣprmsＣpmin＝Ｃpmean－３Ｃprms脉动风压系数Ｃpmax和Ｃpmin相当于已

8、包含了阵风系数βgz，因此将式（3）中的风压系数的平均值采用式（7）的脉动值代替即可用来计算围护结构的风荷载标准值。即围护结构的风荷载标准值为：Ｗk＝~Ｃpμzrw０（8）在计算中，需考虑脉动风压的最大正值（压力）和最大负值（吸力）。4．风压合力的计算由于该体育场屋面属于敞开结构，其上下表面同时受到风荷载作用，因此在设计中