大跨度曲面屋盖,一般跨高比小,屋面的风压分布与结构特征湍流和来流的脉动特性有关,且主要取决于结构自身特征湍流的作用机理,这使得其很难建立一个通用的荷载模型 ^[1,2]。

　　 在实际工程应用中,大跨度平面和曲面屋盖结构的工程应用很多 ^[3,4],《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[5]提出对于重要和体型复杂的建、构筑物应由风洞试验确定风荷载体型系数。基于此,很多学者立足实际工程应用背景和相关风洞试验数据开展了细致研究。2007年,潘元等 ^[6]和卢旦等 ^[7]对大跨曲面屋面的风荷载效应进行了分析;2010年,李寿科等 ^[8]对开合屋盖体育场风荷载特性进行了风洞试验研究;2012年,张明亮等 ^[9]对鱼形屋盖结构风荷载特性进行了研究;2014年,陈波等 ^[10]研究了球形屋面风压系数的分布规律。以上研究结果均表明不规则的曲面屋面风荷载特性复杂,与屋面曲面参数密切相关。

　　 近年来,低矮建筑物风荷载特性研究成为热点。基于风洞试验结果,李正农等 ^[11]、聂少锋等 ^[12]和戴益民等 ^[13]分别研究了地貌、建筑体型和建筑附属物对低矮房屋风荷载特性的影响;黄鹏等 ^[14]基于现场实测数据,研究了实际台风作用下的结构响应;张建胜等 ^[15]通过现场实测数据与数值模拟结果的对比分析,对低矮房屋风场特性进行了细部分析。研究结果表明,低矮建筑风场分布受周边环境影响较大,通过局部数值分析可以为结构设计提供一定参考。

　　 大跨度曲面屋盖研究成果众多,但主要是钢结构屋盖,大跨度单体曲面木屋盖研究成果较少。海口市民游客中心项目的木屋盖结构是一个规模较大的复杂曲面单体木屋盖结构,对其进行屋盖风荷载特性的风洞试验研究具有重要的应用和理论价值,对单体木屋盖结构在我国的推广和应用能起到一定的促进作用。

　　 海口市民游客中心工程项目采用混凝土结构主体(幕墙网络结构)+超大跨度木弧梁支撑曲面木屋盖的结构形式,木屋面作为项目最重要的外立面展示部分,由大、中、小三块独立屋面组成,总建筑面积约8 900m²,整体的空间效果如图1所示。曲面木屋盖采用钢立柱+木弧梁的支撑体系形式,木梁最长约59m,最大跨度23m,最大外挑尺寸达到11m,属于风荷载特别敏感的结构形式。大跨度曲面木屋盖结构造型独特优美,但目前可供参考的大规模曲面木屋盖风荷载特性研究资料欠缺。

　　 试验在中国建筑科学研究院风洞实验室高速试验段进行,采用考虑结构物振动效应的气动弹性模型 ^[7],试验模型见图2。试验段尺寸宽4m、高3m、长22m,风速范围2～30m/s。根据风洞阻塞度要求,结合原型和转盘尺寸确定试验模型缩尺比例为1∶150。模型根据建筑图纸准确模拟建筑外形,并通过布置粗糙元、尖劈等方法模拟大气边界层剖面。结合屋盖外形特征和风向分析需要进行测点布置。为研究建筑外形对表面风压分布的影响,在屋盖边缘、拐角位置及悬挑等部位局部加密测点,屋盖上下表面测点对应设置,整个模型共设置983个测点。

　　 地面粗糙度类别为A类,基本风压为0.75kN/m²,以10°为间隔,共设计了36个风向角工况,项目所在地的大气边界层风速及湍流度剖面见图3,其中U/U_g为风速与大气边界层临界风速的比值,I_u为风流湍流度,Z为风压高度,主导风向为45°风向角工况。

　　 建筑物表面压力都是以无量纲的压力系数来表达的,每个测点的压力都是随时间变化的随机量,可以将瞬时压力p(x;t)分为平均压力$\overline{p}$(x)和脉动压力p′(x;t)两部分,即:

　　 $p(x;t)=\overline{p}(x)+p^{\prime }(x;t)(1)$

　　 式中:x为不同测点的编号;t为瞬时时刻;p′(x;t)为脉动压力,是随机量。

　　 在时间段T内p′(x;t)均方根值σ_p(x)定义为:

　　 $\sigma {}_{\text{p}}(x)=\left(\underset{{\rm T}\to \infty }{{\displaystyle \lim }}\frac{1}{{\rm T}}{\displaystyle {\int }_0^{\text{Τ}}[}{p}^{\prime }(x;t)]{}^2\text{d}t\right){}^{0.5}(2)$

　　 试验中取远离模型的2.2m高度位置为参考点,并以此处的来流动压为标准将测点压力进行无量纲化。为方便根据规范使用试验结果,将得到的压力系数进一步乘以相应的系数进行了转换,最终得到标准压力系数值。

　　 平均压力系数C_p(x)为:

　　 $C{}_{\text{p}}(x)=\frac{\overline{p}(x)-p{}_{\infty }}{\frac{1}{2}\rho {}_{\infty }V{}_{\infty }^2}(3)$

　　 脉动压力系数C′_p(x)为:

　　 $C^{\prime }{}_{\text{p}}(x)=\frac{\sigma {}_{\text{p}}(x)}{\frac{1}{2}\rho {}_{\infty }V{}_{\infty }^2}(4)$

　　 式中p_∞,ρ_∞和V_∞分别为来流的静压、空气密度和风速。

　　 由于脉动风压的存在,表面风压需要计算极值压力的分布情况,极值压力p_{ext_max(min)}(x;t)可以表示为平均压力和脉动压力之和,即:

　　 $p{}_{\text{e}\text{x}\text{t}\_\max (\min )}(x;t)=\overline{p}(x)\pm g\cdot \sigma {}_{\text{p}}(5)$

　　 式中g为峰值因子。

　　 根据概率统计理论,当压力时间序列是一个平稳的高斯过程时,峰值因子取3.5可保证实际出现的瞬时压力在99.9%的概率水平上不超过由式(5)计算得到的极值压力。在进行围护结构设计时,若仅考虑脉动风造成的瞬时压力增大,可不考虑结构风振的影响,采用极值压力叠加一定内部压力值作为风荷载标准值进行围护结构设计。

　　 不同风向角工况下,屋面整体等效静风荷载值见图4(正值表示压力,负值表示吸力,图7～9同)。由图4可以看出,木屋面整体等效静风荷载值在水平方向(X,Y向)较小,在重力方向(Z向)较大。其中,X,Y向屋面最不利风荷载分别出现在120°和300°风向角,Z向屋面最不利风荷载出现在70°风向角,各方向均存在主导风向。建筑木屋面主要承受整体上吸风载作用,局部存在下吸风载作用,最大上吸力作用出现在70°风向角工况,最大上吸力达到7 040.1kN,主要表现为上吸荷载效应。

　　 屋盖整体的等效静风荷载分别在0°,70°,120°和300°风向角工况下出现不利风荷载,四个风向角下屋盖等效静风荷载分布云图见图5。从图5可以发现,在屋面整体风荷载较不利的工况下,屋面存在较多风荷载效应明显聚集的局部区域,主要位于屋脊、屋盖边缘及变截面等典型部位,在屋面构件设计分析时应尤其关注这些典型区域风荷载效应的不利影响。

　　 实地高频率主导风向为东南方向,与整体屋盖的70°不利风向基本一致,结构设计应重视不利风向下屋盖局部荷载效应的验算。各风向角下的屋盖等效静风荷载可作为结构整体设计风荷载标准值的主要参考,考虑到结构对于下压风荷载的敏感性,设计时需单独考虑下压风工况的不利作用。

　　 为研究屋面平均风压系数,特选取大、中、小屋盖边缘、中部内外表面共57个测点作为典型测点,具体布置情况见图6,通过对典型测点的平均分压系数分布规律研究来反映整个曲面木屋盖风荷载特性。

　　 大屋面各典型测点的平均风压系数分布规律见图7。由图7可以看出,随着风向角的变化,屋盖外表面平均风压系数主要为吸力,分布区间为[-2.7,0.5];屋盖内表面平均风压系数主要为压力和吸力的交替分布,主要分布区间为[-0.8,1.0]。

　　 通过内外表面各典型测点的对比分析:风压系数在悬挑边缘典型测点处分布较为杂乱,不同部位的最不利风向角各不相同,屋面悬挑边缘处风荷载特性对风向因素较为敏感,测试风压值与测点位置密切相关;风压系数在屋面屋脊线典型测点处分布较有规律,内外表面均存在两个较明显的主风向角,分别为90°和260°风向角附近,与主屋脊线走向基本一致;风压系数在结构内角部典型测点处均较小,内表面主风向角与外表面处趋势相近,外表面主风向较多,受风向影响更大。

　　 通过不同典型测点对比分析:测点H3,H7,H15内表面处风压系数与类似位置测点表现出明显不同的分布规律,可以定义为特异点,设计时应进行特异点特定风向角工况下的局部细化分析;测点H2,H5,H6,H9,H13,H15,H16处外表面极值较大,设计时也应进行特定风向角工况下的局部细化分析。

　　 中屋面各典型测点的平均风压系数分布规律见图8。由图8可以看出,随着风向角的变化,中屋面外表面平均风压系数主要为吸力,分布区间为[-2.4,0.5];内表面平均风压系数主要为压力和吸力的交替分布,主要分布区间为[-0.6,0.6]。各典型测点内表面的平均风压系数在240°～270°风向角工况下出现极值,外表面平均风压系数在270°～300°风向角工况下出现极值,其他风向角工况下各典型测点内外表面的平均风压系数均有较大起伏。

　　 通过中屋面各典型测点内外表面风压系数的对比分析可得,内外表面相同和相近位置测点的风压系数表现出较好的一致性,也存在明显的主风向工况,没有特异点,测点M1,M2存在极值较大的局部强化点,设计时应进行特定风向角工况下的局部细化分析。

　　 小屋面各典型测点的平均风压系数分布规律见图9。由图9可以看出,整体风荷载效应较小,随着风向角的变化,小屋面内外表面均表现为压力和吸力的交替分布,内表面分布区间为[-0.6,0.8],外表面分布区间为[-1.1,0.5]。通过典型测点处屋盖内外表面风压系数的对比分析,内外表面相同测点的平均压力分布系数的分布规律基本一致,且存在明显的主风向角工况。

　　 (1)木屋面整体风荷载效应主要表现为上吸作用,鉴于木结构屋面自重小,抗上吸能力小,在屋面整体与局部设计计算过程中,除了考虑下压风工况的不利作用外,更需要关注各不利上吸工况下相关木曲梁受力状况及其连接节点的细部应力分析。

　　 (2)木屋盖内外表面的平均风压系数主要受风向角和测点位置的影响,表现出复杂的波动性规律,部分重要测点处存在多个平均风压系数极值和主风向角。

　　 (3)大跨度曲面木屋盖由于体型复杂,而木结构力学性能一般,因此在局部设计计算中,应重点考虑出现极值的重点区域和特异点区域的局部强度和稳定性问题。

　　 (4)通过局部典型测点的系统对比分析,可以较好地揭示整个曲面木屋盖的风荷载响应分布规律,也为进一步进行局部区域分析奠定基础。