建筑结构抗风设计

体育场网架屋盖结构风振浅析 XXX （学校，南京，210016） 摘要：伴随着的材料科学发展和土木工程施工工艺的进步，新建的体育场看台多用外形美观、结构新颖的 大跨度柔性结构方向发展，这不仅满足了结构使用功能的需要，同时也给观众提供了开阔的视野。大跨度 网架屋盖结构在风荷载下会受到强大的吸力，并引起柔性屋面的振动。本文简要介绍了大跨结构表面风压 分布特征，风致破坏机理和风洞试验在大跨屋盖结构的应用。 关键词：大跨网架屋盖结构；风致破坏；风洞试验 A Brief Analysis of Study on Wind Induced Dynamic Response of Long Span Grid Roof Structures XXX ( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics Astronautics, Nanjing, 210016, China) Abstract：Along with the development of science and technology，the stands of stadium are often covered with longspan flexible roof structures with beautiful shapes and new structural systems.It not noly meets the function of use,but also provide the audience with good view. When wind flows around roofs,the airflow will be separated to form a high suction zone，and the flexible roofs will suffer from windinduced buffeting response.The article made a brief introduction of the issue Key words：Long-span grid structures；wind damage；wind tunnel test 引言 风灾是自然灾害的主要灾种之一，虽然其作用幅度比一般地震荷载小，但其作用频度 却比地震荷载高得多。随着结构规模的增加，风荷载变得越来越重要，以至于最后成为结 构设计中控制性荷载，近年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构，在这些重大工程 的设计中，强风作用下结构的风荷载往往决定着结构的安全性能。典型的实例是大跨度网 架屋盖结构，此类结构不断出现在体育场馆、机场、文体活动中心和展览馆等大型公共建 筑中。国内著名的大悬挑屋盖体育场有上海虹口足球场、青岛体育中心、上海八万人体育 场以及台州体育中心主体育场等，国外实例有意大利罗马体育场、美国亚特兰大奥运会主 体育场、加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场等。此类建筑造价颇高，作为公共建筑，社会效 益显著，多为当地标志性建筑。 此类体育场屋盖具有质量轻、跨度大、柔性大、阻尼小、自振频率低的特点，而且这 类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域，再加上屋顶形 状多不规则，绕流和空气动力作用十分复杂，风在体育场内形成了一个大的三维空间的非 定常湍流场，体育场内风流动的机理很复杂，所以这种大跨屋盖对风荷载十分敏感。风荷 载成为其设计的主要控制荷载。大跨网架屋盖柔性大的特点决定了它必须考虑静风荷载以 及风振惯性力的影响。结构的静力风作用机理比较简单，结构的动力风作用机理则非常复 杂，包括风致振动与自激振动两部分。结构的风致振动主要是脉动风引起的抖振、尾流(漩 涡脱落)与湍流引起的顺风向、横风向振动和扭转振动。结构的自激振动是由于结构的运动 使得风相对于建筑物的速度改变。造成风力随结构振动速度的变化而变化。这种由于建筑 物的运动而产生的附加动荷载称为空气动力阻尼，空气动力作用改变了结构在振动过程中 的阻尼力(该力为结构运动速度的函数)。当结构受到的总阻尼力(即结构的阻尼力与空气动 力阻尼之和)为负值时，结构的风自激振动就会趋于发散，即振幅越来越大，最终导致结构 的破坏。无论是何种类型的来风，作用在建筑物上的风只是靠近地面流动的风，从作用位 置来分又称为近地风。由于近地风靠近地面，其流经地区的地形和地貌不同，又加上风本 身的变化，从而使得在不同空间和时间，风的流速和流向都是不同的，因此近地风对建筑 物的作用具有明显的随机性和紊乱性 由风引起的强大吸力以及脉动风载在柔性屋盖结构上引起的振动，常常会使屋盖遭受 破坏。由于忽略风荷载的作用而使大跨屋盖结构受损的例子在现代建筑史上屡见不鲜。著 名的台风如1988年8月8日的8807号台风造成杭州市体育场屋顶严重损坏；1994年8月21日的 9417号台风造成温州市屋面严重受损；2008年北京邮电大学体育馆屋顶被大风刮跑；2012 年4月长春一体育馆屋顶铁皮被掀开。这些破坏实例表明，大跨屋盖结构比主体结构更容易 发生风致破坏，因此探讨其风荷载的分布规律和风振响应特性以保证结构的抗风安全具有 非常深远的意义。 1.体育场大跨屋盖结构的主要形式及其表面风压分布特征 目前，国内外常见的体育场屋盖结构形式主要有空间网架结构、网壳结构、悬索结构、 薄膜结构、索膜结构以及组合结构。屋盖形状通常以弧形屋盖为主。体育场馆等大型公共 设施通常选择具有独特造型的弧形屋盖以满足美观的要求。其局部风压系数，屋盖内外压 及体型系数，对屋盖材料的选择和整体屋盖设计都至关重要。但是由于体育场内风流动的 机理很复杂，这种形式的屋盖的风压分布通常采用刚性模型和气弹性模型在风洞内进行实 验研究，以期得到它的风压分布规律。国内外对此类屋盖已经做了许多风洞试验，有了较 为广泛的研究。 加拿大西安大略大学对意大利都灵体育场进行了屋盖刚性模型风洞试验研究 1。该体 育场基本上呈椭圆形平面，东西平面距离290m ，为预应力斜拉屋盖。其静压力系数有如下 几点主要的特征： (1)平均压力系数一般较小，其最大者约为05； (2)脉动风压较大，其最主要工况的峰值荷载为平均风压的5倍； (3)屋盖平面前缘荷载最大。 参考已有的大量实验研究可以看出，体育场屋盖的几何形状对屋盖表面风压分布有重 大影响。屋盖形式不同，其表面风压分布就会产生很大区别。即使屋盖整体形式相似，但 由于其局部构造和屋盖坡度的不同，其局部或整体风压分布仍可能有较大差别。文献的研 究表明，屋盖风荷载主要集中在屋盖悬挑部分，尤其是前缘处，前缘的负压最大且变化剧 体育场网架屋盖结构风振浅析 3 烈，其值与悬挑长度，悬挑部分水平倾角，前缘外形等有关。 2. 育场大跨屋盖结构的风致破坏机理 在风荷载作用下，导致体育场大跨屋盖结构破坏的原因很多，但总的说来有以下三点。 2.1流动分离 风荷载作用下，体育场屋盖常承受很大的负压。当气流从正面吹向屋盖时，在上表面 形成分离泡，屋盖上表面有一个从前缘延伸的大的负压区域，而在屋盖下表面的结构及主 看台的影响均抑制了屋盖下表面的分离。这样在它上下两个表面上的合成荷载效应成为一 个向上的升力。从各种形式的屋盖风压分布研究结果也可以看出，凡是负压特别高的部位， 总是有流动分离现象产生，特别是屋盖边缘等几何外形突变的部位，常产生流动的分离和 再附。可以说，由于屋盖几何外形的突变而引起的流动分离是导致屋盖破坏的最普遍原因。 2.2内外压力共同作用 体育场屋盖相当于敞开结构，其上下表面均受到风荷载作用，屋盖的风压计算应同时 考虑上下表面风压值叠加。一般来说，体育场屋盖上下表匦均受吸力作用，即屋盖上表面 受到的风压方向向上，而下表面受到的风压方向向下，净风载应小于只考虑上表面风压的 计算荷载。但是值得注意的是，在某些风向角下，屋盖的某些部位上下表面的风压方向会 形成一致，压力系数及体型系数均大于平时状态，使得结构的受力状况发生大的变化，容 易造成屋盖的破坏。 2.3屋盖结构在风荷载作用下的动力效应 体育场看台屋盖均具有质量轻，柔性大，阻尼小等特点，屋盖结构自振周期与风速的 长卓越周期较为接近，因此在风荷载作用下易发生风致振动破坏。由于屋盖的柔性可降低 其Helmholtz频率，同时引起较小的附加阻尼，这样内压紊流易产生Helmholtz共振，而附加 阻尼不足以显著降低振动响应。在台风多发地区，屋盖结构常发生Helmlaoltz共振破坏。 3.风洞试验在体育场大踌屋盖结构抗风设计中的应用 由于大多数土木工程对于风流动表现为钝体形状，故风工程研究的重点是钝体空气动 力学。气流在大气边界层中的流动属湍流。关于湍流，很难给出一个完整明确的定义，通 常将具有大小不等漩涡的流动称为湍流，大涡由主流获得能量，涡旋运动使漩涡拉伸而不 断分散为小涡，小涡的流动处于高频运动状态，流动的瞬时速度在时间上空间上都处于不 规则的剧烈脉动，表现出高度随机性。而建筑物或结构物总是在地表边界层内的流场中存 在，成为风流动中的障碍物，周围的流场很复杂，由撞击、分离、再附、环绕和漩涡等确 定。因此要深入了解流体流动所引起的许多复杂作用，特别是在结构风工程领域，大部分 问题无法在理论上完整地解决，必须依赖风洞试验来解决或者获得其必须的气动参数，可 以说风洞试验是结构风工程领域不可缺少的研究手段。 目前的实验方法可以分为数值风洞方法和物理实验测量方法： （1）数值风洞方法的核心内容是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)，虽然理论流体力学已经是很成熟的学科，但是它的计算方法还在发展当 中。尤其是计算风工程领域，虽然经过许多学者的努力，已经取得了许多成就，具体的已 经可以应用在绕钝体(建筑结构或桥面板)的速度和压力场的分析；绕建筑物近地面步行风 问题的分析；城市和区域气候分析；绕建筑物或城区大气扩散分析以及流体和结构的耦合 分析等。但至今其研究还是属于比较困难的领域。完全依赖理论计算模拟(数值风洞方法) 在现阶段还是无法完全解决问题。但是它与直接的风洞实验相比较，具有模拟真实风环境 的能力，可以构造与建筑物实际尺寸相当的计算模型，可以按实际的风环境进行仿真和模 拟，避免了风洞试验只能进行缩尺试验的不足，因此，数值风洞方法是当今结构风工程研 究的热门领域。 (2)物理实验测量方法可分为全模型风洞试验方法和现场实测的方法，但由于现场实测 所需时间长，花费也大，故很少被人采用。尤其是许多建筑，尚处于设计阶段，无法进行 现场实测。所以现在基本上还只能采用全模型风洞试验的方法。对于体育场大跨屋盖结构， 由于其在边缘处出现来流附面层的分离而引起复杂的绕流现象，而且由于结构规模比较大， 所以在确定作用在屋盖结构上的风荷载时，通常只能采用全模型风洞试验方法。 4.小结 本文简要介绍了风载对建筑结构的影响，特别是对大跨网架的破坏情况。主要说明大 跨网架风压的分布特征，风致破坏机理和目前常用的风洞试验分类。限于作者水平有限， 大量引用了已有的研究成果。 参考文献 1 Vikery B J,M. Majowiecki. Wind induced response of a cable supported Stadium roof,J. wind EngInd Aerody V01.4144,1992. 2 王珩. 体育场大跨网架屋盖结构的风振响应和风振系数研究D.杭州：浙江大学结构工程，2003. Wang Heng. Study on wind-induced dynamic response and equivalent wind load factor of long-span grid roof structuresD.Hangzhou: Structure Engineering，Zhejiang University.2003(in C