大型体育场看台罩棚抗风研究

1、大型体育场看台罩棚抗风研究大型体育场看台罩棚抗风研究 报报 告告 人人 ：指导老师：指导老师： 近年来，随着科技的发展，新颖的结构形式不断出现，各种轻质高强的新型建筑材料不断涌现，施工工艺也在不断的创新完善。与之相伴，各种大跨度悬挑屋盖结构不断出现在大型体育场馆、会议展览馆、机场机库、大型娱乐场所等公共建筑中。国外如意大利罗马体育场、美国亚特兰大奥运会主体育场等，国内如上海八万人体育场、上海虹口足球场、青岛体育中心及杭州黄龙体育中心主体育场等，此类结构体系可反映国家建筑科技水平，往往成为所在地的标志性建筑和人文景观。1 前言前言 上海八万人体育场上海八万人体育场 意大利罗马体育场意大利罗马体育

2、场青岛体育中心青岛体育中心 大型体育场的卓越性能不仅表现在三维受力，而且还在于它们通过合理的曲面形体来有效抵御外荷载的作用。类似这种大悬挑看台罩棚的体育场，其规模通常都很大，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，这种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。风的强大吸力以及脉动风荷载在屋盖上引起的振动，常常会使屋盖遭受破坏1.2体育场看台罩棚的主要形式和风致破体育场看台罩棚的主要形式和风致破坏机理坏机理 国内外常见的体育场看台罩棚结构形式主要有空间网架结构、空间桁架结构，网壳结构、悬索结构、薄膜结构以及组合结构，屋盖形状通常选择具有独特造型的弧形屋

3、盖以满足美观的要求，其局部风压系数、屋盖内外压力及体型系数对屋盖的设计至关重要，但是由于体育场内风流动的机理很复杂，屋盖的风压分布以前通常采用刚性模型和气弹性模型在风洞中进行试验研究，以得到它的风压分布规律 风荷载作用下，导致体育场屋盖结构破坏的原因很多，但是总的来说有以下三点：(1)流动分离流动分离 风荷载作用下，体育场通常承受很大的负压。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可以看出，凡是负压特别高的区域，总是

4、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)内外压力共同作用内外压力共同作用体育场相当于敞开结构，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的风压叠加。一般说来，体育场上下表面均受到吸力作用，即屋盖的上表面受到的风压方向向上，而下表面的风压方向向下，净风荷载应小于只考虑上表面风压的计算荷载。但是在某些风向角下，屋盖的某些部位上下表面风压方向会一致，这会使得结构的受力状况发生大的变化，容易造成屋盖的破坏。(3)屋盖结构在风荷载作用下的动力效应屋盖结构在风荷载作用下的动

5、力效应体育场看台屋盖通常是大跨度的悬臂体系，具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点，结构的自振周期与风的卓越周期较为接近，因此在风荷载作用下容易发生风振破坏。1.3风荷载获取方法风荷载获取方法 获得风速时程的途径主要有三种：现场测量记录、风洞试验、数值风洞。目前，记录风速数据量大、持续周期长、费用大、精度受测试条件和仪器误差的影响大，应用于实际工程还不能普遍实现。现在常用的方法是风洞试验和数值风洞。风洞试验风洞试验 风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法。结构的模型试验相对简单，而流动则是低紊流流动，需考虑流动的压缩效应等等。除了风场模拟外，模型和试验设备及试验技术也是风洞试验的重要方面。近年来，

6、试验设备及数据采集和处理系统的发展使得风洞试验在土木结构抗风中有了更广泛的应用。然而结构风洞试验还存在很多重要的基本问题有待深入研究。比如风洞中模拟的紊流度难以达到实际值，特别是紊流尺度相似更难以模拟；在进行复杂地形风场特性试验时，通常受到堵塞率等因素的影响。广广西西钦钦州州市市体体育育场场 广西钦州体育场造型新颖，酷似海边飘带，包含东、西两看台，看台下部为钢筋混凝土框架结构，上部采用大跨度悬挑钢结构。体育场西看台屋盖南北长近300m，最宽处39m，屋盖钢结构支承在高差悬殊的混凝土结构上。 我国现行建筑结构荷载规范无明确其抗风设计规定，没有给出风振系数相应的数据和计算方法。本文结合风洞试验结果

7、对体育场钢结构的风荷载和风振响应进行了分析，并在此基础上对结构进行了抗风设计。 屋盖大看台部分采用大跨度悬挑钢结构，屋盖支撑在高差悬殊的混凝土结构上，形成了支座独特的支座结构，即前锥型-后V 型支撑结构，屋盖由于跨度大、悬挑部分较长，属于风敏感结构。2 结构基本参数及风荷载特性结构基本参数及风荷载特性 取钦州市地区100 年一遇的风压为0.75kN /m2，结构所处环境为B 类地貌，按1 250 的比例制作了风洞试验模型（如图1），试验时考虑了36 个风向角的影响，如图2。计算试验风压系数时已转换到以屋盖顶部高度42.8m 为参考高度， 在屋盖结构的上下表面皆布置了风压测点。 根据屋盖各静风压

8、标准值乘以节点的控制面积再投影到竖向进行叠加，即可得到屋盖在各风向角下的平均总风力，该风力直接影响屋盖结构的整体设计。图3 给出了各个风向下西看台平均风力随风向变化，可知屋盖在大多数风向下风力表现为吸力，且结构在180附近看台受到的平均风吸力最大。 从图45 可见, 在180风向下西看台屋盖在迎风处有明显的气流分离区，因而此处脉动风压均方差最大，且局部负压很大，同时此部分为悬挑区域，刚度较弱。因此这里应是屋盖结构振动较强烈部分；屋盖背风处表面风压都表现为负压，且风压数值和脉动风压均较小，这说明气流在此处无明显气流分离现象，流场变化比较平稳。 选择180风向角对结构进行风振响应分析，图6 给出西

9、看台屋盖结构位移响应的最大点位置，并进行谱密度分析，如图7 所示。由图7 中屋盖最大位移点对应的位移响应和谱密度曲线可以看出， 响应的能量主要集中在1.92.2Hz，其分别对应结构的前4 阶振型，而低频部分主要是风的背景响应， 这表明大挑篷屋盖位移响应以前几阶振动为主， 这说明西看台屋盖结构的风致振动受低阶振动影响较大。3 风致动力响应分析及风振系数风致动力响应分析及风振系数 屋盖在不同风向下最大位移点出现位置与180风向角下的最大位移点位置相比，出现位置不是相同就是近似，只是数值上有所差别，屋盖结构振动特点也基本相同。本屋盖结构各分区不同风向下风振系数相差不大，风振系数在2.0 左右。根据式

10、可得到屋盖表面的风荷载标准值。式中：z为结构风振系数；m H为高度转换系数；Cp为屋盖表面风压系数。 为方便设计，综合考虑各个风向角下结构风振系数， 给出屋盖各分区等效最不利正风荷载和最不利负风载标准值，如图89 供屋盖钢结构整体计算分析使用。 屋盖整体计算模型能准确地反映上部钢结构以及钢结构和混凝土连接界面的构件在重力、地震、风、温度等各种荷载作用下的受力特性。结构在风荷载和水平地震作用下的计算结果均以屋架悬挑桁架最不利的端部上部节点考察，见表1。4 屋盖钢结构整体计算分析屋盖钢结构整体计算分析 按钢结构规范要求，设计控制挠度是以标准组合下的位移为依据，经计算，西看台钢结构模型最大挠度值：小

11、于挠度控制指标1/400，满足规范要求。 计算结果表明，在各工况中对结构影响最大的是风荷载，其次是恒、活载；风吸荷载对竖向向上的位移影响最大，起决定性作用。风吸力引起的z 向位移为正向上，说明结构抵抗向上风吸力的刚度小于抵抗向下的刚度，需要构造增加抵抗风吸、风压杆，结构主单元构造如图10 所示。 从各工况位移值可以看出，本工程大跨度悬挑结构属于风敏感结构，在所有的位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移均由风荷载工况控制。地震作用下产生的位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构的刚度完全可以满足要求。因此要注意重点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控制。刚架挠度由恒载及活载标准组合控制，其挠度也符合规范要求。 从各工况位移值可以看出，本工程大跨度悬挑结构属于风敏感结构，在所有的位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移均由风荷载工况控制。地震作用下产生的位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构的刚度完全可以满足要求。因此要注意重点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控制。刚架挠度由恒载及活载标准组合控制，其挠度也符合规范要求。5 结语结语 根据结构模型及风洞试验结果，对结构进行了风振响应分析，给出了风振系数建议值，并在此基础上对结构进行了整体计