大型体育场看台罩棚抗风性能及设计策略研究

大型体育场看台罩棚抗风性能及设计策略研究一、引言1.1研究背景与意义在现代社会，大型体育场作为举办各类体育赛事、文艺演出以及公众集会等活动的关键场所，承载着丰富的社会文化功能，是城市形象与活力的重要象征。其看台罩棚不仅为观众提供了遮阳挡雨的庇护空间，还对整个体育场的结构完整性和美观性起着关键作用。例如北京工人体育场在改造复建中加装了多功能钢结构罩棚，除了遮风挡雨，还具备融雪、排水、光伏发电、泛光照明等9大功能，极大地提升了观众观赛体验。然而，风灾作为一种常见且具有强大破坏力的自然灾害，对大型体育场看台罩棚构成了严重威胁。当强风来袭时，由于看台罩棚通常具有较大的迎风面积和复杂的结构外形，会承受巨大的风荷载作用。历史上不乏因风灾导致体育场看台罩棚受损甚至倒塌的案例，这些事故不仅造成了巨大的经济损失，还对公众的生命安全构成了严重威胁。比如在某些极端天气条件下，强风引发的巨大吸力致使罩棚的屋面材料被掀起、结构连接件松动，进而破坏了整个罩棚结构的稳定性。研究大型体育场看台罩棚的抗风性能具有极为重要的现实意义。从保障公共安全角度来看，可靠的抗风设计能够确保在恶劣风环境下，体育场看台罩棚依然保持结构稳定，避免因结构破坏而引发的坍塌等事故，从而为观众、运动员以及工作人员提供安全的活动空间。在经济层面，深入研究抗风性能有助于优化结构设计，在保证安全的前提下合理选用建筑材料与结构形式，避免因过度保守设计造成不必要的建设成本增加，同时也能减少风灾过后的修复和重建费用。从社会影响角度出发，坚固的体育场看台罩棚能够保证各类大型活动如期举行，维护社会文化生活的正常秩序，提升城市的文化形象和社会凝聚力。因此，开展大型体育场看台罩棚抗风研究迫在眉睫，对于推动体育设施建设的可持续发展具有深远影响。1.2国内外研究现状大型体育场看台罩棚抗风研究在国内外均经历了较长时间的发展，取得了丰富的成果，同时也存在一定的不足。国外对大型体育场看台罩棚抗风研究起步较早。早期主要集中在对风荷载基本理论的探索，如通过风洞试验初步研究简单结构形式罩棚的风荷载分布规律。随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟方法逐渐成为重要研究手段。欧美一些发达国家率先利用CFD技术对复杂外形的体育场看台罩棚进行风场模拟，分析不同风向角下的风压分布和气流特性，像美国在其多个大型体育场馆建设中，借助先进模拟技术优化罩棚抗风设计，极大提高了结构安全性。在风洞试验技术方面，国外不断改进试验设备和测试方法，能够模拟更真实的大气边界层风场，获取高精度的风荷载数据。例如日本在风洞试验中采用先进的压力扫描系统，快速准确地测量罩棚表面的风压分布，为抗风设计提供可靠依据。此外，国外还对罩棚结构在风振作用下的响应进行了深入研究，建立了相应的结构动力学模型，分析结构的振动特性和疲劳寿命。国内的大型体育场看台罩棚抗风研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。在早期，主要借鉴国外的研究成果和设计经验，结合国内工程实际进行应用。随着国内体育设施建设的蓬勃发展，对罩棚抗风性能的研究日益深入。众多科研机构和高校开展了大量的风洞试验研究，针对不同结构形式和建筑外形的看台罩棚，系统分析其风荷载特性和抗风性能。例如同济大学对多个大型体育场的罩棚进行风洞试验，总结出不同类型罩棚风荷载的变化规律，为工程设计提供了重要参考。在数值模拟方面，国内学者也进行了大量探索，利用CFD软件对复杂风环境下的罩棚进行模拟分析，与风洞试验结果相互验证，不断完善模拟方法和模型。同时，国内还在抗风设计规范和标准制定方面取得了显著进展，结合国内实际情况，制定出适合我国国情的体育场看台罩棚抗风设计规范，使设计过程更加科学、规范。然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，在风荷载的确定上，虽然风洞试验和数值模拟能够提供较为详细的风荷载数据，但不同研究方法之间的结果存在一定差异，缺乏统一的标准和准确的修正方法。另一方面，对于新型结构形式和复杂外形的体育场看台罩棚，现有的抗风理论和设计方法还不能完全满足需求，需要进一步深入研究其在风荷载作用下的力学性能和破坏机理。此外，在结构抗风设计中，对材料性能的劣化、结构的疲劳损伤以及地震与风灾等多种灾害耦合作用的考虑还不够充分。基于以上研究现状，本文将针对大型体育场看台罩棚抗风研究中存在的问题，综合运用风洞试验、数值模拟和理论分析等方法，深入研究复杂风环境下看台罩棚的风荷载特性、抗风性能评估方法以及结构优化设计策略，旨在为大型体育场看台罩棚的抗风设计提供更加科学、可靠的理论依据和技术支持。1.3研究内容与方法本研究将围绕大型体育场看台罩棚抗风这一核心主题，从多个维度展开深入探究。在研究内容方面，首先聚焦于大型体育场看台罩棚的风荷载特性。通过收集大量气象数据和相关资料，深入分析不同地区、不同季节的风环境特点，结合体育场看台罩棚的独特结构形式和建筑外形，研究其在不同风况下所承受的风荷载分布规律，包括平均风荷载、脉动风荷载以及不同风向角下的风荷载变化情况等。其次，对影响大型体育场看台罩棚抗风能力的因素进行全面剖析。从结构材料特性入手，研究不同材料的力学性能在风荷载长期作用下的变化规律；分析结构形式对整体抗风性能的影响，如不同的结构体系、跨度、高度以及构件布置方式等如何改变结构的刚度、强度和稳定性；同时考虑周边环境因素，如地形地貌、建筑物分布等对体育场区域风场的干扰，进而影响罩棚所承受的风荷载大小和分布。再者，探索大型体育场看台罩棚的抗风设计方法与措施。依据风荷载特性和抗风影响因素的研究成果，结合现有的结构设计理论和规范，提出科学合理的抗风设计方法，包括结构选型、构件设计、连接节点设计等方面的优化策略。同时，研究有效的抗风构造措施，如增设防风支撑、加强屋面连接等，以提高罩棚结构的整体抗风能力。最后，选取典型的大型体育场看台罩棚工程案例进行分析。通过对实际工程的风洞试验数据、数值模拟结果以及现场监测资料的研究，验证上述研究内容中提出的理论和方法的有效性和可靠性。深入分析实际工程中存在的问题和不足之处，为后续的设计和改进提供参考依据。在研究方法上，本研究将综合运用多种手段。文献研究法是基础，广泛查阅国内外相关领域的学术论文、研究报告、设计规范等文献资料，全面了解大型体育场看台罩棚抗风研究的历史、现状和发展趋势，总结前人的研究成果和经验教训，为本文的研究提供理论支撑和研究思路。数值模拟方法是重要工具，利用计算流体力学（CFD）软件对大型体育场看台罩棚周围的风场进行数值模拟，分析不同工况下风荷载的分布和变化规律，为结构抗风设计提供详细的风荷载数据。同时，借助结构有限元分析软件对罩棚结构在风荷载作用下的力学响应进行模拟计算，评估结构的安全性和可靠性。案例分析法也是不可或缺的，通过对实际工程案例的深入分析，将理论研究与工程实践相结合，验证研究成果的实际应用价值，发现实际工程中存在的问题并提出针对性的解决方案。此外，还将采用理论分析方法，基于结构力学、空气动力学等相关学科的基本理论，建立相应的数学模型，对大型体育场看台罩棚的风荷载特性和抗风性能进行理论推导和分析，为研究提供坚实的理论基础。通过多种研究方法的有机结合，确保本研究能够全面、深入地揭示大型体育场看台罩棚的抗风性能，为工程设计和建设提供科学、可靠的依据。二、大型体育场看台罩棚的风荷载特性2.1风荷载的基本概念2.1.1平均风与脉动风平均风是在较长时间内（一般取10分钟），由于大气边界层内的空气流动形成的相对稳定的风。其形成主要源于大气环流、地形地貌以及热力差异等因素。在风荷载计算中，平均风荷载是风对结构作用的主要组成部分，它决定了结构所承受的稳态作用力大小。例如，在某大型体育场的风荷载计算中，根据当地气象数据统计得到的平均风速，结合相关公式计算出平均风荷载，该荷载为后续结构设计提供了基本的荷载数值依据。脉动风则具有随机性和高频特性。它是由于大气的紊流效应以及地面粗糙度等因素导致的风速和风向的快速波动。脉动风的周期较短，一般在几秒到几十秒之间，其幅值和频率变化较为复杂。对于大型体育场看台罩棚结构而言，脉动风会引起结构的动力响应。当脉动风的频率与结构的自振频率接近时，会产生共振现象，导致结构的振动幅度急剧增大，从而对结构的安全性产生严重威胁。比如在某些体育场看台罩棚的风洞试验中，通过测量脉动风作用下结构的振动响应，发现当脉动风频率接近结构某阶自振频率时，结构的加速度响应显著增大，这充分说明了脉动风对罩棚结构动力作用的重要性。2.1.2风荷载体型系数风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，它反映了建筑物表面在风作用下的压力分布特性。其大小主要受建筑物的外形、尺寸、表面粗糙度以及风向角等因素影响。对于不同造型的大型体育场看台罩棚，风荷载体型系数取值存在明显差异。例如，对于悬挑式看台罩棚，由于其独特的悬挑结构，在迎风面和背风面会产生不同的压力分布，迎风面可能受到较大的正压力，而背风面则会产生较大的吸力，导致风荷载体型系数在不同部位有较大变化。而对于拱型看台罩棚，其外形的流线型特征使得风绕流时的压力分布相对较为均匀，风荷载体型系数的取值与悬挑式罩棚有所不同。在实际工程设计中，准确确定风荷载体型系数对于合理计算风荷载至关重要，通常需要通过风洞试验或者参考相关规范中的取值来确定。2.1.3风振系数风振系数是考虑风的动力作用对结构产生的放大效应而引入的一个系数。它与结构的自振特性密切相关，结构的自振频率、阻尼比等参数会影响风振系数的大小。一般来说，结构的自振频率越低，阻尼比越小，风振系数越大，表明风的动力作用对结构的放大效应越明显。同时，风振系数也与风特性有关，包括平均风速、脉动风的强度和频率等。在大型体育场看台罩棚结构中，由于其跨度较大、结构较为轻柔，自振频率相对较低，容易受到风的动力作用影响。通过计算风振系数，可以将风的动力作用转化为等效的静力荷载，便于在结构设计中进行考虑。例如，在某体育场看台罩棚的结构设计中，通过精确计算风振系数，合理考虑了风的动力作用，使得结构设计既满足安全性要求，又避免了因过度保守设计而造成的浪费。2.2风荷载的计算方法2.2.1规范计算方法国内外众多建筑结构荷载规范均对风荷载计算给出了详细的方法和公式。我国现行的《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定，风荷载标准值的计算公式为：w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}，其中w_{k}为风荷载标准值（kN/m²）；\beta_{z}为高度z处的风振系数；\mu_{s}为风荷载体型系数；\mu_{z}为风压高度变化系数；w_{0}为基本风压（kN/m²）。基本风压是根据当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇的最大风速，再通过公式w_{0}=\frac{1}{2}\rhov_{0}^{2}计算得到，其中\rho为空气密度，v_{0}为基本风速。风压高度变化系数\mu_{z}考虑了不同高度处风速随高度的变化规律，根据地面粗糙度类别（A、B、C、D四类）和高度z取值。风荷载体型系数\mu_{s}则依据建筑物的外形和结构形式，按照规范中的相关图表或规定进行取值。风振系数\beta_{z}的计算较为复杂，需考虑结构的自振特性、脉动风特性以及场地条件等因素，通过公式或近似方法确定。美国土木工程师协会（ASCE）制定的ASCE7-16《MinimumDesignLoadsandAssociatedCriteriaforBuildingsandOtherStructures》中，风荷载计算也包含了类似的参数，如基本风速、风压高度变化系数、体型系数等，但在具体取值和计算方法上与我国规范存在差异。例如，在基本风速的统计方法和重现期选取上，ASCE规范有其自身的标准和要求。其风压高度变化系数的计算模型基于不同的大气边界层理论，与我国规范的取值有所不同。在体型系数方面，对于一些复杂结构形式的建筑，ASCE规范提供了更为详细的分类和取值规定。欧洲规范EN1991-1-4《Actionsonstructures-Part1-4:Generalactions-Windactions》同样对风荷载计算做出规定。在风荷载计算中，考虑了地形地貌、建筑物周围环境等因素对风场的影响，引入了地形系数等参数。其风荷载计算方法与我国和美国规范相比，在风荷载组成、参数取值以及计算流程等方面都存在一定区别。例如，在风荷载的动力效应考虑上，欧洲规范采用了不同的计算模型和方法，对结构的风振响应分析更为细致。不同规范之间的差异主要体现在以下几个方面：一是基本风压或风速的统计方法和重现期不同，这导致了风荷载计算的基础数据存在差异。二是风压高度变化系数、风荷载体型系数以及风振系数等关键参数的取值方法和计算模型不同，这些差异会直接影响风荷载的计算结果。三是对结构周围环境和地形地貌等因素的考虑程度和处理方式不同，使得风荷载计算的全面性和准确性存在差别。在实际工程应用中，需要根据项目所在地的具体情况以及相关规范要求，合理选择风荷载计算方法，确保结构设计的安全性和经济性。2.2.2数值模拟计算方法基于计算流体力学（CFD）的数值模拟方法在风荷载计算中得到了广泛应用。其原理是通过求解描述流体运动的Navier-Stokes方程，模拟空气在建筑物周围的流动情况，从而计算出作用在建筑物表面的风荷载。具体步骤如下：首先，需要建立包含体育场看台罩棚及其周围一定范围环境的几何模型，准确描述罩棚的外形结构、尺寸以及周边地形地貌、建筑物分布等情况。然后，对几何模型进行网格划分，将计算区域离散成大量的微小网格，网格的质量和密度对计算结果的精度和计算效率有重要影响。接着，设定边界条件，包括入口风速、风向、湍流强度等参数，以及出口边界条件和壁面边界条件等。在求解过程中，选择合适的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型等，这些模型用于模拟空气的湍流特性。最后，通过迭代计算求解Navier-Stokes方程，得到流场的速度、压力等物理量分布，进而计算出作用在看台罩棚表面的风荷载。常用的CFD软件有ANSYSFluent、CFX、STAR-CCM+等。ANSYSFluent具有强大的物理模型和丰富的湍流模型库，能够处理复杂的几何形状和多种流动问题，在建筑风工程领域应用广泛。CFX采用了先进的数值算法和并行计算技术，计算精度高，计算速度快，适用于大规模的数值模拟计算。STAR-CCM+具有高效的网格生成技术和强大的后处理功能，能够直观地展示计算结果，便于分析和理解。数值模拟计算方法具有诸多优势。它可以模拟复杂的地形地貌和建筑布局对风场的影响，考虑多种因素的耦合作用，而传统的规范计算方法往往难以全面考虑这些因素。数值模拟能够提供详细的风场信息，包括风速、压力分布等，对于研究风荷载在看台罩棚表面的局部变化规律非常有利。此外，数值模拟还可以在设计阶段快速对不同方案进行对比分析，优化结构设计，节省时间和成本。然而，数值模拟计算方法也存在一定的局限性。首先，数值模拟结果的准确性依赖于几何模型的准确性、网格划分质量、湍流模型的选择以及边界条件的设定等因素，任何一个环节的误差都可能导致计算结果与实际情况存在偏差。其次，数值模拟计算需要较大的计算资源和较长的计算时间，对于复杂的大型体育场看台罩棚模型，计算成本较高。此外，目前的数值模拟方法在模拟极端风况和一些复杂的空气动力学现象时，还存在一定的困难，有待进一步完善。在实际应用中，通常将数值模拟结果与风洞试验结果相互验证，以提高风荷载计算的可靠性。2.3风荷载的分布规律2.3.1不同风向角下的风荷载分布通过大量的数值模拟和实际风洞试验可知，风向角的变化对大型体育场看台罩棚表面风荷载分布有着显著影响。当风向垂直于罩棚悬挑方向时，迎风面通常会承受较大的正压力，这是因为气流直接冲击罩棚表面，气流受阻后速度降低，压强增大。而在背风面，由于气流的绕流作用，会形成一个低压区，产生较大的吸力。以某典型的悬挑式体育场看台罩棚为例，风洞试验数据表明，在0°风向角（垂直于悬挑方向）时，迎风面最大正风压系数可达1.2左右，背风面最大负压系数可达-1.8左右，这种较大的压力差对罩棚结构的稳定性构成了较大挑战。随着风向角的改变，罩棚表面的风荷载分布会发生明显变化。当风向与悬挑方向成一定角度时，气流在罩棚表面的流动更加复杂，不同部位的风压分布不再呈现简单的对称形式。例如，在45°风向角时，罩棚的一侧迎风区域会出现局部高压区，而另一侧背风区域的负压分布也会发生改变，呈现出非均匀的特点。数值模拟结果显示，此时迎风面的最大正风压系数可能降低至0.8左右，但在局部区域会出现风压系数的突变，背风面的最大负压系数则可能变为-1.5左右，且负压分布范围和形状也与0°风向角时不同。当风向平行于罩棚悬挑方向时，风荷载分布又会呈现出另一番景象。此时，罩棚的端部和侧面会受到不同程度的风作用。端部由于气流的分离和再附着现象，会产生较大的压力波动，而侧面则可能承受相对较小的压力。在180°风向角（平行于悬挑方向且与0°风向角相反）时，端部的最大压力系数可能达到1.0左右，侧面的风压系数相对较小，约在0.2-0.5之间。不同风向角下的风荷载分布规律不仅影响着罩棚结构的整体受力状态，还对结构的局部构件设计提出了不同要求。在抗风设计中，需要充分考虑各种风向角下的风荷载作用，确保罩棚结构在任何风况下都能保持稳定。2.3.2不同结构形式下的风荷载分布不同结构形式的大型体育场看台罩棚在相同风环境下，风荷载分布存在明显差异。悬挑式看台罩棚是较为常见的结构形式之一。由于其具有较大的悬挑长度，在风荷载作用下，悬挑部分的受力较为复杂。在迎风面，悬挑端部往往会承受较大的正压力，这是因为气流在悬挑端部受到阻挡后，速度急剧变化，导致压强增大。而在背风面，悬挑下方会形成一个较大的负压区，产生向上的吸力。风洞试验结果表明，对于悬挑长度为20m的罩棚，在特定风况下，悬挑端部迎风面的最大正风压系数可达1.5左右，背风面悬挑下方的最大负压系数可达-2.0左右。这种较大的压力差会使悬挑部分产生较大的弯矩和剪力，对悬挑构件的强度和刚度提出了较高要求。张拉式看台罩棚则具有独特的结构特点，它通过索和膜的协同作用来承受荷载。在风荷载作用下，膜面会产生复杂的变形，从而导致风荷载分布不均匀。当风作用于张拉式罩棚时，膜面的迎风侧会受到压力作用，而背风侧则会受到吸力作用。由于膜材的柔性较大，在风荷载作用下容易发生振动，使得风荷载的分布更加复杂。数值模拟结果显示，在某风况下，张拉式罩棚膜面的最大正风压系数约为0.8，最大负压系数可达-1.5，但在膜面的不同区域，风压系数会有较大的变化，特别是在索与膜的连接部位，由于结构的不连续性，会出现局部的风压集中现象。空间网架结构的看台罩棚，其风荷载分布与结构的网格形式和杆件布置有关。在风荷载作用下，气流在网架表面的流动相对较为均匀，但由于网架结构的开孔率和杆件的阻挡作用，会对风荷载产生一定的影响。研究表明，当网架的开孔率为30%时，在一定风况下，其表面的平均风压系数约为0.6-0.8，与其他结构形式相比，风荷载分布相对较为均匀，但在网架的边缘和角部，仍会出现局部的风压增大现象。不同结构形式的大型体育场看台罩棚在风荷载分布上各有特点，在进行抗风设计时，需要根据具体的结构形式，准确分析风荷载的分布规律，合理设计结构构件，以提高罩棚结构的抗风能力。三、影响大型体育场看台罩棚抗风能力的因素3.1结构因素3.1.1结构形式大型体育场看台罩棚的结构形式多样，不同结构形式对其抗风能力有着显著且独特的影响，各自具备鲜明的优缺点。悬挑结构是常见的罩棚结构形式之一，其优点在于能够为观众提供开阔的视野，有效扩大观赛空间。然而，悬挑结构的抗风性能存在一定的局限性。由于悬挑部分缺乏直接的竖向支撑，在风荷载作用下，悬挑端部会承受较大的弯矩和剪力。当强风来袭时，悬挑结构的迎风面会受到较大的正压力，背风面则会产生较大的吸力，这种压力差容易导致结构的变形甚至破坏。例如在一些台风多发地区的体育场，悬挑式看台罩棚在强台风的作用下，悬挑端部的连接节点出现松动，屋面材料被掀起，严重影响了结构的安全性。空间网架结构具有良好的空间受力性能和较高的刚度，能够有效地抵抗风荷载产生的各种作用力。其网格状的结构形式使得风荷载能够较为均匀地分布在整个结构上，减少了局部应力集中的现象。此外，空间网架结构的杆件布置灵活，可以根据罩棚的形状和受力要求进行优化设计。不过，空间网架结构的节点构造较为复杂，制作和安装难度较大，成本相对较高。而且，由于网架结构的杆件较多，在风荷载作用下，气流的绕流情况较为复杂，可能会产生一些局部的风荷载增大现象。膜结构以其独特的造型和轻质的特点在大型体育场看台罩棚中得到了广泛应用。膜材具有良好的柔韧性和透光性，能够营造出独特的建筑效果。在抗风方面，膜结构通过合理的预应力设置，可以有效地抵抗风荷载产生的拉力。膜结构的自振频率较低，在脉动风作用下不易产生共振现象。然而，膜结构的抗风能力对预应力的依赖程度较高，如果预应力设置不当，在强风作用下膜材容易发生松弛和变形，导致结构的破坏。此外，膜材的强度相对较低，在遭受强风、冰雹等自然灾害时，容易受到损坏。不同结构形式的大型体育场看台罩棚在抗风能力上各有优劣，在设计和选型时，需要综合考虑建筑功能、美观要求、经济成本以及当地的风环境特点等因素，选择最适合的结构形式，以确保罩棚结构在风荷载作用下的安全性和稳定性。3.1.2几何参数跨高比、长宽比、坡度等几何参数对大型体育场看台罩棚的抗风性能有着重要影响，合理的参数取值范围能够有效提高罩棚的抗风能力。跨高比是指罩棚的跨度与高度之比，它直接影响着结构的刚度和受力性能。当跨高比过大时，结构的刚度相对较小，在风荷载作用下容易产生较大的变形。例如，对于某大跨度悬挑式看台罩棚，当跨高比从5增加到8时，在相同风荷载作用下，结构的最大位移增加了30%，这表明跨高比的增大使得结构抵抗风变形的能力减弱。相反，跨高比过小时，虽然结构刚度较大，但可能会导致材料的浪费和建筑空间的不合理利用。一般来说，对于常见的大型体育场看台罩棚结构，跨高比宜控制在4-6之间，这样既能保证结构具有足够的刚度，又能实现较好的经济效益和空间利用效果。长宽比反映了罩棚平面形状的狭长程度，对风荷载的分布和结构的整体受力有重要影响。当长宽比较大时，气流在罩棚表面的流动会更加复杂，容易在罩棚的端部和侧面产生较大的风荷载。例如，在数值模拟中发现，当罩棚的长宽比从2增加到3时，端部的最大风压系数增加了25%，侧面的平均风压系数也有所增大。这说明长宽比的增大使得罩棚在这些部位的受力更加不利，抗风难度增加。为了减小风荷载的不利影响，一般建议大型体育场看台罩棚的长宽比不宜超过2.5，以保证结构在风荷载作用下的受力均匀性和稳定性。坡度是指罩棚屋面与水平面的夹角，它对风荷载的分布和屋面排水有重要作用。适当的坡度可以使风荷载在屋面表面更好地分布，减少局部风压集中现象。同时，合理的坡度还能保证屋面排水顺畅，避免积水对结构造成额外的荷载。当坡度较小时，风荷载在屋面的分布相对均匀，但排水能力较弱；当坡度较大时，虽然排水能力增强，但风荷载在屋面的分布会发生变化，迎风面的正压力可能会减小，背风面的吸力可能会增大。对于大型体育场看台罩棚，屋面坡度一般在10°-30°之间较为合适，既能满足排水要求，又能保证风荷载作用下结构的稳定性。在大型体育场看台罩棚的设计中，合理控制跨高比、长宽比、坡度等几何参数，能够优化结构的受力性能，提高其抗风能力，确保结构在风荷载作用下的安全稳定。3.1.3材料特性大型体育场看台罩棚所采用材料的强度、刚度、质量等特性对其抗风能力起着至关重要的作用，不同材料的抗风效果存在明显差异。材料强度是衡量材料抵抗破坏能力的重要指标。在风荷载作用下，罩棚结构的各个构件需要承受拉力、压力、剪力等各种力的作用。高强度的材料能够承受更大的荷载，从而提高结构的抗风能力。例如，在钢结构罩棚中，使用Q345B钢材相比Q235钢材，其屈服强度更高，在相同风荷载作用下，Q345B钢材制作的构件能够更好地抵抗变形和破坏，降低结构发生失效的风险。对于膜结构罩棚，膜材的拉伸强度直接影响着膜面在风荷载下的稳定性，高强度的膜材能够承受更大的拉力，减少膜面被撕裂的可能性。材料刚度决定了材料在受力时抵抗变形的能力。刚度较大的材料能够使结构在风荷载作用下保持较好的形状，减少变形对结构性能的影响。在空间网架结构中，杆件的刚度对整个结构的刚度贡献很大。采用高刚度的管材作为网架杆件，能够有效地提高结构的整体刚度，使其在风荷载作用下的变形更小。对于混凝土结构的看台罩棚，增加混凝土的强度等级和配筋率可以提高结构的刚度，增强其抗风能力。材料质量与结构的惯性力密切相关，质量较大的结构在风荷载作用下产生的惯性力也较大。在一些对风振响应要求较高的大型体育场看台罩棚中，采用轻质材料可以减小结构的质量，从而降低风振响应。例如，在膜结构罩棚中，膜材的质量较轻，相比传统的钢结构和混凝土结构，其在风荷载作用下的惯性力较小，风振响应也相对较小。然而，在某些情况下，适当增加结构的质量可以提高其稳定性。在一些低矮的看台罩棚中，增加结构的质量可以降低其自振频率，使其与风的卓越周期错开，避免共振现象的发生。不同材料在强度、刚度、质量等方面的特性差异显著，在大型体育场看台罩棚的材料选择中，需要综合考虑结构的受力特点、风荷载大小以及建筑功能要求等因素，合理选用材料，以达到最佳的抗风效果。3.2环境因素3.2.1地形地貌体育场所处的地形地貌对其周边风环境有着显著影响，进而深刻作用于看台罩棚的抗风设计。当体育场位于平原地区时，地势较为平坦开阔，风在传播过程中受到的地形阻碍较小，风速相对较为稳定，风向也较为规则。在这种地形条件下，风对看台罩棚的作用相对较为单一，风荷载分布相对均匀。然而，由于平原地区缺乏地形的阻挡和缓冲，一旦遭遇强风，风的破坏力会直接作用于罩棚结构，对其抗风能力提出较高要求。例如，在华北平原某大型体育场的建设中，虽然平原地形使得风场相对稳定，但在一次强风天气中，由于罩棚结构的抗风设计未能充分考虑到平原地区强风的特点，导致部分屋面材料被掀起，造成了一定的经济损失。山地地形则较为复杂，体育场建在山地时，周边的山体、山谷等地形会对风的流动产生干扰。当风遇到山体阻挡时，会发生绕流和爬升现象。在迎风坡，风速会增大，风压也会相应提高；而在背风坡，由于气流的分离和涡旋作用，会形成复杂的气流场，产生较大的吸力和压力波动。对于看台罩棚来说，这种复杂的风环境会使其不同部位承受的风荷载差异很大。比如在西南山区某体育场，其看台罩棚位于山体的背风侧，在强风作用下，背风坡的气流涡旋使得罩棚局部区域的风压急剧变化，导致结构连接件松动，严重影响了罩棚的安全。海边地区的体育场，由于受到海洋环境的影响，风环境具有独特的特点。海风通常具有较大的风速和较高的湿度，且风向变化较为频繁。此外，海洋上的强风还可能伴随着风暴潮等灾害，进一步增加了风对看台罩棚的破坏力。在海边体育场，风从海洋吹向陆地时，会在罩棚表面产生较大的压力，同时由于湿度较大，对罩棚材料的耐久性也提出了更高要求。例如，在东南沿海某体育场，多次遭受台风侵袭，强风裹挟着海水对罩棚结构造成了严重的侵蚀和破坏，不仅屋面材料受损，结构构件也出现了腐蚀现象。不同地形地貌条件下，体育场看台罩棚所面临的风环境各不相同，在抗风设计中，必须充分考虑地形地貌因素对风荷载的影响，采取相应的设计措施，提高罩棚结构的抗风能力。3.2.2周边建筑周边建筑对体育场看台罩棚风场的干扰是影响罩棚抗风能力的重要因素之一。当体育场周边存在其他建筑物时，风在流动过程中会受到周边建筑的阻挡和干扰，导致体育场区域内的风场发生复杂变化。周边建筑的布局形式会对风场产生不同程度的影响。如果周边建筑呈密集分布，会形成类似城市街区的复杂风环境。在这种情况下，风在建筑之间的狭窄通道中会形成加速效应，风速增大，风压也会相应提高。当这种加速后的风作用于体育场看台罩棚时，会使罩棚局部区域承受更大的风荷载。例如，在城市中心的某体育场，周边高楼林立，在特定风向条件下，周边建筑之间的狭管效应使得吹向体育场的风速增加了30%，导致看台罩棚的迎风面部分区域风压系数明显增大，对结构安全构成威胁。周边建筑的高度和体型也会对风场产生显著影响。当周边建筑高度较高且体型较大时，会阻挡风的正常流动，在体育场区域形成复杂的气流漩涡和紊流区。这些漩涡和紊流会使风的方向和速度发生剧烈变化，导致看台罩棚表面的风荷载分布极不均匀。比如在某体育场附近有一座超高层建筑，在风洞试验中发现，当风从超高层建筑一侧吹向体育场时，在体育场看台罩棚的背风面形成了强烈的气流漩涡，使得该区域的负压明显增大，增加了罩棚被掀翻的风险。风干扰对罩棚抗风能力的不利影响主要体现在以下几个方面。首先，风场的复杂变化会导致罩棚表面风荷载分布不均匀，使得结构局部受力过大，容易引发结构构件的破坏。其次，风干扰产生的气流漩涡和紊流会使罩棚结构产生额外的振动，增加了结构的疲劳损伤风险。此外，风干扰还可能改变罩棚的空气动力学特性，使其在风荷载作用下的稳定性降低。为了应对风干扰对罩棚抗风能力的不利影响，可以采取以下措施。在体育场的规划设计阶段，合理布局周边建筑，避免形成过于密集的建筑布局和强烈的狭管效应。通过风洞试验或数值模拟等方法，提前研究周边建筑对体育场风场的影响，优化体育场看台罩棚的结构设计，增强其抵抗风荷载的能力。在罩棚结构设计中，加强对局部受力较大部位的构造措施，如增加支撑、加强连接节点等，提高结构的整体稳定性。同时，还可以在体育场周边设置防风屏障等设施，削弱风干扰的影响。3.3施工与维护因素3.3.1施工质量施工过程中的诸多环节对大型体育场看台罩棚的抗风能力有着直接且关键的影响。节点连接作为结构传力的关键部位，其质量至关重要。在实际施工中，焊接节点若存在虚焊、夹渣等缺陷，会极大地降低节点的承载能力。在某体育场看台罩棚的施工过程中，由于部分焊接节点未达到设计要求，在后续的风荷载作用下，这些节点首先出现裂缝，进而导致结构整体的受力性能下降，严重威胁到罩棚的安全。对于螺栓连接节点，螺栓的拧紧程度、螺栓的材质和规格等因素都会影响节点的连接强度。若螺栓未拧紧，在风荷载的反复作用下，节点容易松动，使结构的整体性受到破坏。在一些工程案例中，因螺栓松动导致节点位移增大，结构变形超出允许范围，最终影响了罩棚的正常使用。构件安装精度同样不容忽视。当构件安装偏差过大时，会改变结构的受力状态，导致结构局部应力集中。例如，在网架结构的安装过程中，杆件的长度偏差、节点的位置偏差等都可能使结构在风荷载作用下的受力不均匀。在某大型体育场的空间网架罩棚施工中，由于部分杆件安装精度不达标，在风洞试验模拟风荷载作用时，发现这些安装偏差较大的部位出现了明显的应力集中现象，局部杆件的应力超过了设计允许值，这表明安装精度对结构的抗风性能有着显著影响。施工质量控制对于确保大型体育场看台罩棚的抗风能力具有不可替代的重要性。施工单位应建立完善的质量控制体系，加强对施工过程的监督和管理。在施工前，应对施工人员进行严格的技术交底，确保他们熟悉施工工艺和质量要求。在施工过程中，要加强对节点连接、构件安装等关键环节的质量检测，采用先进的检测技术和设备，及时发现和纠正质量问题。同时，还应加强对原材料和构配件的质量检验，确保其符合设计要求和相关标准。只有通过严格的施工质量控制，才能保证大型体育场看台罩棚在风荷载作用下的结构安全。3.3.2维护管理定期维护和检查是保持大型体育场看台罩棚抗风能力的重要措施。通过定期检查，可以及时发现结构中存在的潜在问题，如构件的变形、腐蚀，连接节点的松动等。对于钢结构罩棚，由于长期暴露在自然环境中，钢材容易受到腐蚀。定期检查可以及时发现钢材表面的锈蚀情况，采取相应的防腐措施，如重新涂装防腐漆等，防止钢材进一步腐蚀，从而保证结构的强度和刚度。在某体育场的钢结构看台罩棚维护中，通过定期检查发现部分杆件表面出现了锈蚀现象，及时进行了除锈和重新涂装处理，避免了因锈蚀导致杆件强度降低而影响罩棚抗风能力的情况发生。对于膜结构罩棚，定期检查膜面是否存在破损、松弛等问题至关重要。膜面一旦出现破损，在风荷载作用下，破损处会迅速扩大，导致膜结构的整体性能下降。及时修复膜面的破损部位，可以保证膜结构在风荷载作用下的稳定性。在某张拉膜结构的体育场看台罩棚维护中，通过定期检查发现膜面有一处小的破损，及时进行了修补，在后续的强风天气中，罩棚结构保持了良好的性能。及时修复结构损伤是维护罩棚抗风能力的关键环节。当结构受到风灾等自然灾害或其他外力作用而产生损伤时，如构件的断裂、节点的破坏等，必须及时进行修复。修复措施应根据损伤的程度和类型进行合理选择，确保修复后的结构能够恢复到原有的承载能力和抗风性能。在某体育场看台罩棚遭受强风袭击后，部分连接节点出现了松动和破坏，及时组织专业人员对节点进行了加固和修复，经过检测，修复后的节点满足设计要求，罩棚结构的抗风能力得到了恢复。建立完善的维护管理制度对于保障大型体育场看台罩棚的抗风能力具有重要意义。维护管理制度应明确维护的周期、内容、方法以及责任人员等。定期进行维护培训，提高维护人员的专业技能和责任心，确保维护工作的质量。同时，还应建立维护档案，记录每次维护检查的情况和修复措施，为后续的维护管理提供参考依据。只有通过有效的维护管理，才能使大型体育场看台罩棚在长期使用过程中保持良好的抗风性能，确保其结构安全。四、大型体育场看台罩棚抗风设计方法与措施4.1抗风设计原则4.1.1安全性原则安全性原则是大型体育场看台罩棚抗风设计的首要准则，其核心在于确保看台罩棚在设计风速下的结构安全，满足强度、刚度和稳定性要求。在强度方面，结构构件需具备足够的承载能力，以承受风荷载产生的拉力、压力、剪力和弯矩等各种内力。通过精确的力学计算，合理选用材料和确定构件尺寸，使构件在风荷载作用下的应力不超过材料的许用应力。例如，在钢结构看台罩棚设计中，根据风荷载计算结果，选用合适强度等级的钢材，如Q345B或更高强度的钢材，对主要受力构件进行强度校核，确保其在设计风速下不会发生屈服或断裂。刚度要求则保证结构在风荷载作用下的变形控制在合理范围内。过大的变形不仅会影响结构的正常使用，还可能导致结构的内力重分布，进而危及结构安全。对于大型体育场看台罩棚，通常会规定其在风荷载作用下的最大位移限值。通过合理布置结构构件，增加支撑体系等方式，提高结构的整体刚度。在某大型悬挑式看台罩棚设计中，通过在悬挑端部增设斜撑，有效减小了悬挑部分在风荷载作用下的位移，满足了刚度要求。稳定性是结构安全的重要保障，包括整体稳定性和局部稳定性。整体稳定性要求结构在风荷载作用下不会发生倾覆、滑移等整体失稳现象。通过合理设计基础形式和结构体系，增加结构的自重或设置抗风锚栓等措施，提高结构的整体稳定性。在海边体育场看台罩棚设计中，考虑到海风的强大作用力，采用了扩大基础面积、增加基础埋深以及设置抗风锚栓等措施，确保结构在强风作用下的整体稳定性。局部稳定性则关注结构构件在风荷载作用下是否会发生局部屈曲。对于薄壁构件，如钢结构中的钢梁、钢柱等，通过设置加劲肋、控制板件宽厚比等方法，保证其局部稳定性。在某空间网架结构看台罩棚中，对网架杆件进行局部稳定性计算，合理设置加劲肋，防止杆件在风荷载作用下发生局部屈曲。4.1.2经济性原则在保证安全的前提下，实现经济效益最大化是大型体育场看台罩棚抗风设计中不可忽视的重要原则。优化结构选型是降低抗风设计成本的关键环节之一。不同的结构形式在材料用量、施工难度和维护成本等方面存在显著差异。例如，悬挑结构虽然造型美观、视野开阔，但在抗风设计中往往需要较大的构件尺寸和复杂的连接节点，材料用量和施工成本相对较高。而空间网架结构在材料利用效率和结构整体性方面具有优势，通过合理设计网架的网格尺寸和杆件布置，可以在满足抗风要求的前提下减少材料用量。在某体育场看台罩棚设计中，对悬挑结构和空间网架结构进行了详细的技术经济比较，考虑到当地风荷载较小，最终选择了空间网架结构，不仅满足了抗风要求，还降低了建设成本。合理选用材料也是实现经济性的重要手段。在满足强度、刚度和耐久性要求的前提下，应优先选择价格合理、供应充足的材料。对于钢结构罩棚，在不同部位根据受力大小合理选用不同强度等级的钢材。在主要受力构件中选用高强度钢材，以充分发挥其承载能力；在次要构件中选用普通强度钢材，降低材料成本。同时，还应考虑材料的可加工性和施工便利性，减少加工和施工过程中的损耗和成本。在某体育场看台罩棚钢结构设计中，通过优化钢材选型，在保证结构安全的前提下，降低了钢材成本约10%。此外，施工工艺的选择也会影响抗风设计成本。采用先进、高效的施工工艺可以缩短施工周期，减少施工过程中的人工和设备成本。在膜结构看台罩棚施工中，采用先进的膜材张拉工艺，不仅提高了施工质量，还缩短了施工周期，降低了施工成本。在设计阶段，充分考虑施工工艺的可行性和经济性，与施工单位密切配合，优化施工方案，也是实现经济性原则的重要措施。通过合理优化结构选型、选用材料和施工工艺，在保证大型体育场看台罩棚抗风安全的同时，实现经济效益的最大化。4.1.3美观性与功能性原则在大型体育场看台罩棚抗风设计中，兼顾美观性与实际使用功能，使其与体育场整体风格协调统一是至关重要的。从美观性角度来看，看台罩棚作为体育场的重要组成部分，其造型和外观应与体育场的建筑风格相融合，成为城市景观的一部分。在现代体育场设计中，越来越注重建筑的艺术性和独特性。例如，一些体育场采用了富有动感的曲线造型看台罩棚，其流畅的线条不仅给人以视觉上的美感，还体现了体育竞技的活力与激情。在设计过程中，运用先进的建筑设计理念和技术手段，如数字化建模和参数化设计，对罩棚的外形进行优化，使其在满足抗风要求的同时，展现出独特的美学价值。在满足美观性的同时，看台罩棚的实际使用功能也不容忽视。它需要为观众提供良好的遮阳、挡雨和通风条件。在遮阳设计方面，根据当地的日照情况和体育场的朝向，合理确定罩棚的悬挑长度和角度，确保观众在观看比赛时免受阳光直射。在某体育场看台罩棚设计中，通过对当地日照数据的分析，采用了可调节遮阳板的设计，在不同季节和时间段，根据阳光角度的变化，调整遮阳板的角度，有效提高了遮阳效果。在挡雨设计上，确保罩棚的屋面排水系统顺畅，避免积水对结构造成不利影响。采用合理的屋面坡度和排水槽设计，使雨水能够迅速排离罩棚。在通风方面，通过设置合理的通风口和通风系统，保证观众区域有良好的空气流通，提高观众的舒适度。在一些大型体育场看台罩棚中，采用了自然通风与机械通风相结合的方式，在自然通风条件不足时，启动机械通风设备，确保观众区域的空气质量。通过综合考虑美观性与功能性原则，在抗风设计过程中不断优化设计方案，使大型体育场看台罩棚既具有独特的外观，又能满足实际使用功能，为观众提供舒适、安全的观赛环境，同时提升体育场的整体形象和品质。4.2抗风设计方法4.2.1基于规范的设计方法基于规范的抗风设计是大型体育场看台罩棚设计的基础方法，主要依据相关建筑结构荷载规范。以我国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）为例，其设计流程首先需确定基本风压，这要求收集当地长期的气象数据，运用概率统计方法获取50年一遇的最大风速，进而计算出基本风压。例如，在某城市新建体育场项目中，通过对当地气象站近30年风速数据的统计分析，结合规范中基本风压的计算公式，确定了该地区的基本风压值为0.5kN/m²。确定风压高度变化系数也是关键环节，根据体育场所在场地的地面粗糙度类别（A、B、C、D四类）以及罩棚各部位的高度，从规范表格中查取对应的系数值。假设体育场位于城市郊区，地面粗糙度为B类，罩棚最高点距地面30m，通过查阅规范可得到该高度处的风压高度变化系数为1.35。风荷载体型系数的确定则需根据看台罩棚的具体结构形式和外形，参考规范中的相关图表和规定。对于常见的悬挑式看台罩棚，迎风面和背风面的体型系数取值不同，需分别考虑。在该新建体育场项目中，根据其悬挑式罩棚的特点，迎风面体型系数取值为1.0，背风面取值为-1.5。计算风振系数时，需考虑结构的自振特性、脉动风特性以及场地条件等因素。对于大型体育场看台罩棚这种大跨度、柔性结构，通常采用规范中提供的近似方法进行计算。在该项目中，通过对罩棚结构的自振频率、阻尼比等参数的计算，结合规范公式，得到风振系数为1.5。将上述各参数代入风荷载标准值计算公式w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}，即可计算出风荷载标准值。在设计过程中，要特别注意各参数取值的准确性，严格按照规范要求进行计算。同时，还需考虑不同荷载工况的组合，如恒荷载、活荷载与风荷载的组合，以确保结构在各种可能的荷载作用下都能满足安全要求。规范中对于荷载组合给出了明确的规定和计算公式，设计人员应根据具体情况合理选用。4.2.2基于风洞试验的设计方法风洞试验在大型体育场看台罩棚抗风设计中发挥着不可或缺的作用，它能够模拟真实的风环境，为设计提供准确可靠的数据。试验模型制作是风洞试验的首要步骤，需严格按照相似准则进行。几何相似要求模型的外形尺寸与实际罩棚按一定比例缩小，例如采用1:100或1:200的比例。同时，模型的材料选择也很关键，要保证模型材料的力学性能与实际结构材料具有相似的特性。在某大型体育场看台罩棚风洞试验中，模型采用有机玻璃制作，其密度、弹性模量等参数经过调整，使其与实际钢结构的力学性能在相似准则下相匹配。测试内容主要包括风压分布和风速分布的测量。风压分布测量通过在模型表面布置大量的压力传感器来实现，这些传感器能够实时采集不同部位的风压数据。风速分布测量则采用热线风速仪或粒子图像测速（PIV）技术，获取模型周围风场的风速信息。在某次风洞试验中，在看台罩棚模型表面布置了500个压力传感器，全面测量了不同风向角下罩棚表面的风压分布。同时，利用PIV技术对模型周围的风场进行可视化测量，清晰地展示了气流的流动特性。数据分析阶段，首先对采集到的风压数据进行整理和统计，计算出不同部位的平均风压系数和脉动风压系数。根据这些系数，绘制出风压分布云图，直观地展示风荷载在罩棚表面的分布情况。对于风速数据，分析风场的流线、涡旋等特征，深入了解风的流动规律。在某体育场看台罩棚风洞试验数据分析中，通过绘制风压分布云图，发现罩棚悬挑端部的负压较大，这为结构设计中加强该部位的抗风措施提供了重要依据。根据试验结果优化设计时，主要从结构形式、构件尺寸和连接节点等方面入手。若试验结果显示罩棚某部位风荷载较大，超过结构的承载能力，则可以通过调整结构形式，如增加支撑、改变悬挑长度等方式来降低风荷载的影响。在某体育场看台罩棚设计中，根据风洞试验结果，在悬挑端部增加了斜撑，有效减小了该部位的风荷载作用，提高了结构的抗风能力。同时，还可以优化构件尺寸，合理分配材料，在保证结构安全的前提下降低成本。在连接节点设计方面，根据试验中节点的受力情况，加强节点的连接强度和可靠性，确保结构在风荷载作用下的整体性。4.2.3基于数值模拟的设计方法利用数值模拟软件进行大型体育场看台罩棚抗风设计，是一种高效且深入分析结构风致响应的方法。以ANSYSFluent软件为例，建立模型时，需精确构建包含体育场看台罩棚及其周边一定范围环境的三维几何模型。这不仅要准确描述罩棚的复杂外形结构，如悬挑的形状、曲面的曲率等，还要考虑周边地形地貌，如是否临近山坡、河流，以及周边建筑物的分布情况。在某大型体育场项目中，建模时将周边半径500m范围内的建筑和地形都纳入模型，以全面模拟真实的风环境。设置边界条件至关重要，入口边界通常设定为速度入口，根据当地气象数据确定入口风速和风向，同时给定合适的湍流强度和湍流尺度。出口边界一般设为压力出口，壁面边界则根据实际情况定义为无滑移壁面。在模拟某体育场在强风作用下的情况时，入口风速设定为30m/s，风向为与罩棚悬挑方向垂直，湍流强度根据当地风特性设定为10%。模拟分析过程中，选择合适的湍流模型是关键。常用的k-ε模型适用于一般的工程流动问题，对于体育场看台罩棚周围的风场模拟具有较好的计算效率和精度。在模拟计算时，通过迭代求解控制方程，逐步得到流场的速度、压力等物理量分布。经过多次迭代计算，收敛后的结果可以清晰展示风在体育场及罩棚周围的流动形态，如气流的分离、漩涡的产生等。结果验证是确保数值模拟准确性的重要环节，通常将模拟结果与风洞试验数据或现场实测数据进行对比分析。在某体育场看台罩棚数值模拟研究中，将模拟得到的风压分布与风洞试验结果进行对比，发现两者在趋势上基本一致，但在局部区域存在一定差异。通过进一步分析，调整模型参数和边界条件，使模拟结果与试验数据的误差控制在可接受范围内。同时，还可以利用不同的数值模拟软件进行对比计算，相互验证结果的可靠性。经过结果验证后的数值模拟结果，能够为大型体育场看台罩棚的抗风设计提供详细、准确的风荷载数据和结构响应信息，帮助设计人员优化结构设计，提高结构的抗风性能。4.3抗风措施4.3.1结构加强措施增加支撑是提高大型体育场看台罩棚结构抗风能力的重要手段之一。在悬挑式看台罩棚中，可在悬挑端部增设斜撑，将悬挑部分的荷载有效地传递到基础，从而减小悬挑端部在风荷载作用下的弯矩和剪力。例如，在某体育场看台罩棚的改造中，通过在悬挑端部增加斜撑，使得悬挑端部在风荷载作用下的位移减小了30%，大大提高了结构的稳定性。在空间网架结构中，合理布置支撑可以增强结构的空间刚度，提高其抵抗风荷载的能力。可以在网架的关键节点处设置竖向或斜向支撑，形成稳定的受力体系。加固节点能够确保结构在风荷载作用下的传力可靠性。对于焊接节点，应采用优质的焊接材料和先进的焊接工艺，严格控制焊接质量，避免出现虚焊、夹渣等缺陷。在某大型体育场看台罩棚的建设中，对焊接节点进行了超声波探伤检测，确保焊接质量符合设计要求，有效提高了节点的承载能力。对于螺栓连接节点，要选用合适强度等级的螺栓，并确保螺栓的拧紧程度达到设计要求。可以采用扭矩扳手等工具，严格控制螺栓的预紧力。同时，在节点处设置加劲板等构造措施，增强节点的刚度和强度。优化构件截面能够提高结构的承载能力和抗变形能力。根据风荷载作用下结构的受力特点，合理调整构件的截面形状和尺寸。在钢结构罩棚中，对于主要受力构件，如钢梁、钢柱等，可以采用工字形、箱形等截面形式，提高其抗弯、抗扭性能。通过结构力学计算，确定构件的合理截面尺寸，使构件在满足强度和刚度要求的前提下，充分发挥材料的性能。在某体育场看台罩棚的设计中，对钢梁的截面进行了优化，将原有的矩形截面改为工字形截面，在材料用量不变的情况下，钢梁的抗弯能力提高了20%。4.3.2气动外形优化措施改变罩棚的外形可以有效改善其气动性能，减小风荷载。采用流线型外形设计，能够使风在罩棚表面更加顺畅地流动，减少气流的分离和漩涡的产生。例如，将罩棚的边缘设计成圆弧形，避免出现尖锐的棱角，这样可以降低风荷载的峰值。在某体育场看台罩棚的设计中，通过将罩棚边缘改为圆弧形，风洞试验结果表明，罩棚表面的最大风压系数降低了15%，有效减小了风荷载对结构的作用。设置防风板能够阻挡部分风的直接作用，减小风荷载。在看台罩棚的迎风面或易受强风影响的部位设置防风板，防风板的高度和间距应根据风荷载大小和结构特点合理确定。在某体育场看台罩棚的抗风改造中，在迎风面设置了高度为1.5m的防风板，间距为2m，通过数值模拟分析，发现设置防风板后，罩棚表面的平均风压系数降低了20%，有效提高了结构的抗风能力。导流板的作用是引导气流的流动方向，改善风场分布。在罩棚的特定位置设置导流板，可以使气流绕过结构，减少风对结构的不利作用。在某体育场看台罩棚的设计中，在悬挑下方设置了导流板，通过风洞试验观察到，导流板引导气流向下流动，减小了悬挑下方的负压，从而降低了风荷载对悬挑结构的吸力。4.3.3阻尼控制措施黏滞阻尼器是一种常用的阻尼控制装置，其原理是利用黏滞流体的黏滞阻力来耗散结构的振动能量。当结构在风荷载作用下发生振动时，黏滞阻尼器的活塞在缸筒内往复运动，使黏滞流体产生阻尼力，该阻尼力与结构的运动速度成正比，方向相反，从而消耗结构的振动能量，减小结构的风振响应。在某大型体育场看台罩棚的结构设计中，在关键部位安装了黏滞阻尼器，通过现场监测发现，安装黏滞阻尼器后，结构在风荷载作用下的加速度响应降低了40%，有效提高了结构的抗风性能。调谐质量阻尼器（TMD）通过调整质量块的质量、刚度和阻尼参数，使其自振频率与结构的某阶自振频率相近。当结构在风荷载作用下发生振动时，质量块会产生与结构振动方向相反的惯性力，从而对结构的振动起到抑制作用。在某体育场看台罩棚的抗风设计中，采用了调谐质量阻尼器，通过数值模拟分析，在强风作用下，安装TMD后结构的位移响应减小了35%，有效降低了风振对结构的影响。在大型体育场看台罩棚的设计和建设中，综合采用结构加强措施、气动外形优化措施和阻尼控制措施，能够有效提高其抗风能力，确保在强风等恶劣天气条件下结构的安全稳定。五、案例分析5.1案例选取本研究选取了成都凤凰山足球场和大连梭鱼湾足球场作为案例，对大型体育场看台罩棚抗风性能进行深入分析。这两个体育场在结构形式、地理位置等方面各具特色，具有典型性和代表性。成都凤凰山足球场建筑面积约13万平米，是一座满足FIFA标准、拥有6万个座位的专业足球场，作为2023年亚洲杯成都赛区主场馆，备受瞩目。其结构平面呈类椭圆，南北向长轴直径达279m，东西向短轴直径为234m，结构关于长轴对称，整体北高南低。屋盖罩棚最大悬挑长度达到64m，最小悬挑长度为55m。罩棚体系采用国际首例环形刚性内拉环索穹顶结构，由索杆系、外压环梁、刚性内拉环桁架组成。索穹顶区域屋面采用单层索网支承的ETFE膜结构，透光性良好，总面积达25000平米，透光率高达40％，充分展现了结构与建筑之美。该足球场位于成都，地处四川盆地西部，属于亚热带季风性湿润气候，虽然并非台风等强风灾害频发地区，但在夏季仍可能受到局部强对流天气带来的大风影响。大连梭鱼湾足球场位于大连市甘井子区甘井子街道梭鱼湾商务区，是大连市首座国际标准专业足球场，总建筑面积13.6万平方米，共有6.3万席位。其设计灵感来源于“海浪与海螺”，理念为“炫彩叠浪”，建筑立面定妆色为“海洋蓝”，顶棚呈白色，将大连的海洋文化与足球精神完美融合。看台罩棚结构创新采用斜交轮辐式双索体系，通过364片PTFE膜材的结构起拱形成独特的涟漪效果。内环采用ETFE膜材，有效提高场地进光量，提升内场自然光照强度，利于草坪成活。立面材料采用彩色ETFE单层膜，利用等距斜拉索网形成规整均匀、体系稳定的直纹曲面。立面ETFE膜近4万平方米，包含9种蓝色膜材、7823片膜片，是已知世界专业足球场中膜结构覆盖面积最大、采用单层ETFE膜结构最多的工程。大连地处辽东半岛南端，濒临黄海、渤海，属于温带季风气候，受海洋影响较大，在春秋季和台风季节，可能会遭受较强风力的侵袭。5.2抗风性能分析5.2.1风荷载计算与分析对于成都凤凰山足球场，运用规范计算方法，依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），首先确定基本风压。通过对成都地区长期气象数据的收集与分析，采用极值I型分布概率统计方法，得到50年一遇的基本风压值为0.3kN/m²。根据场地地面粗糙度为B类，以及罩棚不同部位距地面高度，查取风压高度变化系数，如罩棚最高点35m处，风压高度变化系数为1.39。结合其环形刚性内拉环索穹顶结构和独特的建筑外形，参考规范相关图表及类似工程经验，确定风荷载体型系数，迎风面平均体型系数取1.0，背风面平均体型系数取-1.5。考虑到结构的大跨度和柔性特点，通过结构动力学计算得到自振频率和阻尼比等参数，进而采用规范中的近似方法计算风振系数，经计算风振系数为1.6。将各参数代入风荷载标准值计算公式w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}，得到风荷载标准值分布情况，在迎风面和背风面的不同区域，风荷载标准值在0.62kN/m²-1.04kN/m²之间变化。利用数值模拟方法，采用ANSYSFluent软件进行风场模拟。建立包含足球场及其周边500m范围环境的三维几何模型，对模型进行高质量的网格划分，采用非结构化四面体网格，在罩棚表面及周围气流变化剧烈区域进行网格加密，以提高计算精度。设定入口风速为10m/s（对应基本风压0.3kN/m²），风向角分别为0°、45°、90°等多个角度，湍流模型选择k-ε模型。经过迭代计算，得到不同风向角下罩棚表面的风压分布云图和数据。结果显示，在0°风向角时，罩棚悬挑端部的负压较大，最大负压系数可达-2.0，而迎风面中部正压相对稳定，正压系数约为1.2。与规范计算结果对比，数值模拟得到的风压分布更加详细，能反映出局部区域的风压突变情况，但整体趋势与规范计算结果基本一致。对于大连梭鱼湾足球场，同样按照规范计算方法，根据大连地区气象数据，确定50年一遇基本风压为0.5kN/m²。场地地面粗糙度为B类，罩棚不同高度处风压高度变化系数与成都凤凰山足球场类似，在对应高度取值。考虑其斜交轮辐式双索体系和独特的膜结构造型，风荷载体型系数迎风面取值1.1，背风面取值-1.6。通过结构分析得到自振特性参数，计算风振系数为1.7。计算得到风荷载标准值，在迎风面和背风面不同区域，风荷载标准值在0.97kN/m²-1.53kN/m²之间变化。在数值模拟中，使用CFX软件建立模型，对体育场及周边环境进行模拟。采用结构化六面体网格与非结构化网格相结合的方式，对罩棚膜结构和周边气流复杂区域进行精细化网格划分。设定入口风速为14m/s（对应基本风压0.5kN/m²），模拟不同风向角下的风场。模拟结果表明，在45°风向角时，膜结构表面的风压分布呈现复杂的非均匀状态，在膜面的褶皱处和边缘部位，风压系数变化较大，最大正压系数可达1.4，最大负压系数可达-2.2。与规范计算结果相比，数值模拟能够更直观地展示风荷载在复杂膜结构表面的分布细节，为结构设计提供更全面的风荷载数据。5.2.2抗风能力评估从结构强度方面评估成都凤凰山足球场看台罩棚，采用SAP2000有限元软件建立结构模型，将风荷载标准值按照不同工况组合，如恒荷载+风荷载、活荷载+风荷载等。对索杆系、外压环梁、刚性内拉环桁架等主要构件进行强度计算，结果显示，在最不利荷载组合下，索杆系的拉应力均小于钢材的抗拉强度设计值，外压环梁和刚性内拉环桁架的应力也在许用应力范围内。例如，脊索的最大拉应力为1000MPa，小于其钢丝抗拉强度等级1570MPa；外压环梁的最大压应力为250MPa，小于Q420B钢材的抗压强度设计值。这表明该罩棚结构在风荷载作用下，强度满足设计要求。在刚度方面，通过有限元分析计算结构在风荷载作用下的位移。结果显示，罩棚在风荷载作用下的最大位移出现在悬挑端部，为50mm，小于规范规定的允许位移限值（通常为跨度的1/250，该罩棚悬挑跨度按64m计算，允许位移限值为256mm）。这说明结构具有足够的刚度，在风荷载作用下能够保持良好的工作状态，不会因过大变形而影响结构安全和正常使用。从稳定性角度评估，考虑结构的整体稳定性和局部稳定性。采用非线性有限元方法进行整体稳定性分析，考虑几何非线性和材料非线性的影响。分析结果表明，结构的整体稳定系数大于1.5，满足规范要求，在风荷载作用下不会发生整体失稳现象。对于局部稳定性，对索杆系、外压环梁等构件进行局部屈曲分析，通过设置合理的构件截面尺寸和加劲肋，有效防止了局部屈曲的发生。例如，外压环梁通过设置间距为1m的加劲肋，提高了其局部稳定性，在风荷载作用下未出现局部屈曲现象。对于大连梭鱼湾足球场看台罩棚，在结构强度评估中，运用MidasGen有限元软件，考虑风荷载与其他荷载的组合。对斜交轮辐式双索体系和膜结构进行强度计算，结果显示，索的拉应力和膜材的拉应力均在允许范围内。如主索的最大拉应力为800MPa，小于其设计抗拉强度；膜材的最大拉应力为15MPa，小于膜材的抗拉强度设计值。这表明结构强度满足设计要求。在刚度评估中，计算结构在风荷载作用下的变形。结果显示，膜结构表面的最大位移为30mm，小于膜结构设计规范规定的允许位移限值（通常根据膜材特性和结构形式确定，该膜结构允许位移限值为50mm）。这说明结构刚度能够满足风荷载作用下的要求，不会出现过大的变形而影响结构性能。在稳定性评估方面，采用非线性屈曲分析方法对结构进行整体稳定性分析。考虑膜结构的几何非线性和材料非线性，分析结果表明，结构的整体稳定安全系数大于2.0，满足稳定性要求。对于膜结构的局部稳定性，通过合理设计膜面的预应力分布和索的布置，有效防止了膜面在风荷载作用下的局部失稳。例如，通过优化索的布置，使膜面在风荷载作用下的应力分布更加均匀，避免了局部应力集中导致的膜面失稳。通过对成都凤凰山足球场和大连梭鱼湾足球场看台罩棚的抗风性能分析可知，两座体育场看台罩棚在风荷载作用下，结构强度、刚度和稳定性均满足设计要求，能够抵抗当地可能出现的强风作用，确保了结构的安全可靠。5.3抗风设计措施与效果验证成都凤凰山足球场看台罩棚在抗风设计中采取了一系列措施。在结构加强方面，针对环形刚性内拉环索穹顶结构的特点，对索杆系、外压环梁和刚性内拉环桁架进行了加强设计。例如，增加了索杆系中关键索的截面面积，提高其抗拉能力；在外压环梁上设置了间距为1m的加劲肋，增强其局部稳定性。在气动外形优化方面，罩