深圳蛇口邮轮中心位于深圳南山区,规划占地面积4万m²,总建筑面积达13万m²,是深圳地区唯一集“海陆空铁”于一体的现代化国际邮轮母港,也将成为华南地区最大的邮轮母港。邮轮中心呈三角形锲体,结构新颖、外形复杂,效果图及实景图如图1所示。屋盖内置钢框架、外覆铝合金饰板,两侧面均为内置玻璃幕墙、外置珊瑚格镂空结构,中间为行人登船走廊。该类体型复杂、结构新颖的大跨度屋盖对于风荷载比较敏感,且深圳位于我国台风多发地区,基本风压较高,导致风荷载很有可能成为结构设计的主要控制荷载之一 ^[1,2,3]。

　　 《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[4](简称荷载规范)对于大跨度或者体型复杂建筑物的风荷载没有直接给出相应的结构设计参考数据,而是推荐结构设计单位开展风洞试验研究。随着国内外学者的深入研究,目前已能实现在获得风压系数分布的基础上计算大跨度建筑的等效风荷载 ^[5,6]。因此近年来,国内外学者越来越重视大跨度结构风压系数分布问题的研究,尤其是针对外形复杂、结构特殊或材料新颖的结构,例如:不同矢跨比的球形屋盖 ^[7]、索膜结构的大跨度场馆 ^[8]、某“一线天”造型的垃圾厂房 ^[9]、自振频率密布的弦支筒结构 ^[10]、波浪形悬挑屋面 ^[11]、不同格栅造型的墙面 ^[12]等。鉴于深圳蛇口邮轮中心外形复杂,珊瑚格造型特异,采用刚体缩尺模型测压风洞试验方法,对深圳蛇口邮轮中心建筑设计方案的表面风压的分布规律和特性进行了研究,并对比分析了不同透风率的珊瑚格对幕墙和屋盖表面风压的影响。

　　 深圳蛇口邮轮中心建筑主体高度约为74m,基底形状呈三角形,三条边尺寸分别约为198,198和280m,屋盖总面积约1.9万m²,其中行人登船走廊面积约2 600m²。考虑到实际建筑物尺寸大小和风洞试验阻塞率的影响,模型几何缩尺比定为1∶300。为保证模型具有足够高的强度和刚度,从而在试验中不产生明显的变形和振动,测压试验模型由丙烯酸树脂材料和ABS板制成,干扰模型采用高密度泡沫制成,外形均与结构原型严格相似。试验模型如图 2所示。风洞试验均在汕头大学风洞实验室STU-1风洞完成。STU-1风洞试验段宽度为3m,高度为2m,长度为20m。空风洞流场不均匀性指标在1%以内,气流竖向和水平偏角均小于1%。

　　 试验的重点是测量邮轮中心表面风压,包括大跨度屋盖和幕墙两部分,模型表面共设置了611个测点,其中屋盖测点312个、幕墙测点230个、风环境测点21个、珊瑚格测点48个(双面测点)。考虑到屋盖顶部有开孔,此处屋盖双面受压,布置了双面测点44个;行人登船走廊顶部屋盖也是双面受压,布置了双面测点108个。

　　 为了研究不同透风率和形状的珊瑚格结构对邮轮中心的幕墙和顶部屋盖的表面风压影响,本文对不同透风率的珊瑚格结构以及无珊瑚格结构进行了风洞试验。珊瑚格透风率分别为45%,60%和75%,其立面造型如图 3所示,珊瑚格结构均由内置钢框架加外包金属饰板方式制作,其厚度均为0.5m。

　　 风洞中通常采用尖劈、挡板和粗糙元等装置对大气边界层进行被动模拟 ^[13]。参照荷载规范中规定,深圳蛇口邮轮中心地貌类别应为A类,粗糙度系数α为0.12。为了研究不同地貌下的邮轮中心表面风压差别,试验中还模拟了B类地貌风场,粗糙度系数α取0.15。风洞试验模拟得到的两类地貌流场特性如图 4所示,近地湍流度分别为14%和17%。图中H_r和U_r分别为按照1∶300缩尺比得到的在风洞中的梯度风高度和相应的风速。从图4中可以看出,风洞试验中模拟的两类地貌的平均风速剖面和紊流度剖面均满足荷载规范要求。模型高度处两类地貌风速谱模拟结果(测试值)与理论结果对比如图5所示。

　　 风洞试验中采用了两套测量系统:风速测量系统和风压测量系统。其中风速测量系统采用Cobra眼镜蛇探头测试系统,用于测试试验风速;风压测量系统采用美国Scanvalve公司的DSM 3400测压系统和Pitot管,其中DSM 3400用于测试邮轮中心表面动态风压,Pitot管与DSM 3400系统连接,用于校正试验风速。确保系统信噪比满足要求后,试验风速约为11m/s,采用频率为312.5Hz,每个样本长度为20 480,采样时间约为66s。风向角试验范围为0°～360°,角度间隔为10°。邮轮中心结构坐标系及风向角定义如图 6所示,其中β 为风向角,0°时风沿着结构x轴负向流动,风向逆时针旋转为风向角正角度。

　　 为描述深圳蛇口邮轮中心表面风压分布特征,考虑到邮轮中心的外形对称性和珊瑚格对屋盖的可能影响区域,以幕墙测点J15和屋盖测点F16为例对风洞试验结果进行分析,其中测点J15位置如图 3所示,测点F16位置如图 6所示。测点J15和F16位于邮轮中心同一侧,当风向角为40°～220°时,测点J15和F16均处于背风侧;当风向角为220°～350°及0°～40°时,测点J15和F16均处于迎风侧。

　　 图 7为A类地貌下珊瑚格透风率为60%时幕墙测点J15、屋盖测点F16的平均风压系数随风向角的变化规律,图中还给出了风压系数的最大值和最小值。从图7(a)可以看出,测点J15的平均风压分布大致可以分为三个区间:负压区(主要位于背风侧,风向角为90°～190°),正压区(主要位于迎风侧,风向角为0°～30°和260°～350°)以及风压突变区(主要介于背风侧和迎风侧之间,风向角为30°～90°和200°～250°)。测点J15位于负压区内时,平均风压系数基本保持不变,在-0.23～-0.30之间;测点J15位于正压区内时,平均风压系数呈先增大后减小的变化趋势,并大致在法向风作用下(风向角为310°左右)达到最大值;测点J15位于风压突变区时,平均风压系数呈先减小后增大的变化趋势,并分别在风向角70°和230°时达到最小值。

　　 从图7(b)可以看出,测点F16平均风压分布大致也分为三个区间:背风负压区(主要位于背风侧,风向角为90°～190°),迎风负压区(主要位于迎风侧,风向角为0°～30°和220°～350°)以及风压突变区(主要介于背风侧和迎风侧之间,风向角为30°～90°)。测点F16位于背风负压区内时,平均风压系数基本保持不变,在-0.007～-0.014之间;测点F16位于迎风负压区内时,平均风压系数呈先减小后增大的变化趋势,并在风向角为290°左右处达到最小值;测点F16位于风压突变区时,平均风压系数呈先增大后减小的变化趋势,并在70°时达到最大值。

　　 图8为珊瑚格透风率为60%时幕墙测点J15、屋盖测点F16的极值风压系数随风向角的变化规律,图中分别给出了A类和B类两种地貌的极大值和极小值试验结果。从图8(a)可以看出,与平均风压系数分布类似,测点J15极值风压系数分布也大致可以分为三个区间:负压区、正压区和风压突变区,但三个风压区间所对应的风向角与平均风压系数结果略有区别,这主要是因为极值风压系数中考虑了峰值因子和脉动风压系数,而随风向角变化的脉动风压系数峰值并不位于法向风附近,其对应的风向角要小于法向风对应的风向角。此外,对比不同地貌试验结果还可以发现,对于幕墙测点J15,B类地貌的极值风压系数要比A类地貌结果略大,主要是因为B类地貌下邮轮中心所承受的来流风速和紊流度要略大。

　　 从图8(b)可以看出,与平均风压均表现为负压不同,测点F16极大值风压系数分布大致可以分为三个区间:负压区、正压区和风压突变区。而测点F16极小值风压系数分布与平均风压系数分布类似,所有风向角下测点F16极小值均为负压,压力表现为吸力,各区间对应的风向角也基本一致。此外,对比不同地貌试验结果还可以发现,当屋盖测点F16位于背风侧时,B类地貌的极值风压系数与A类地貌结果相当;当屋盖测点F16位于迎风侧时,B类地貌的极值风压系数要比A类地貌结果略大,可能的原因是屋盖测点F16位于背风侧时,经由屋盖的导流作用不同地貌的气流逐渐趋于相当,而屋盖测点F16位于迎风侧时,没有屋盖的导流作用,不同地貌的气流具有一定的差别。

　　 图9为A类地貌不同透风率珊瑚格幕墙测点J15的平均风压系数和脉动风压系数对比结果。从图9(a)可以看出,当珊瑚格透风率不同时,测点J15的平均风压系数分布基本一致,并且均在法向风(风向角310°)附近达到最大正压值;随着珊瑚格由无到有、透风率由大到小,平均风压系数逐渐减小。透风率45%和60%的平均风压系数基本一致,表明随着透风率逐渐减小,平均风压系数趋于定值并非一直减小。从图9(b)可以看出,当珊瑚格透风率不同时,测点J15的脉动风压系数分布大致可以分为三个区间:风压平稳区(主要位于背风侧,风向角为90°～190°)、风压变化区(主要位于迎风侧,风向角为0°～30°和260°～350°)和风压突变区(主要介于背风侧和迎风侧之间,风向角为30°～90°和200°～250°)。三个区间对应的风向角与平均风压系数分布结果保持一致,但风压突变区的脉动风压系数变化十分剧烈,其最大值甚至超过了风压变化区的最大值,这也是导致前文极值风压系数分布区间对应风向角与平均风压系数分布区间对应风向角不一致的原因。此外,无珊瑚格下(透风率为100%)测点J15的脉动风压系数要明显大于有珊瑚格的结果。透风率45%和75%的脉动风压系数基本相当,而透风率60%的脉动风压系数最小(个别风向角除外)。这表明设置珊瑚格可以减小幕墙所承受的脉动风压,随着透风率减小,平均风压系数逐渐减小,且珊瑚格的透风率存在一个最优值。

　　 图10为A类地貌不同透风率珊瑚格屋盖测点F16的平均风压系数和脉动风压系数对比结果。从图10(a)可以看出,不同透风率下屋盖测点F16的平均风压系数分布基本一致,但珊瑚格透风率为75%时,背风侧平均风压系数明显大于其他工况,这表明结构设置某种透风率的珊瑚格后存在放大临近屋盖风压的现象。当测点位于风向角220°～270°范围内,设置珊瑚格后平均风压系数明显小于无珊瑚格的结果。迎风侧其他风向角下各工况的平均风压系数相当,但透风率为60%时平均风压系数要略小于其他工况结果。从图10(b)可以看出,屋盖测点F16与幕墙测点J15的脉动风压系数分布基本一致,但设置珊瑚格后,风压突变区更为平缓。与测点J15的结果类似,透风率为60%时测点F16的脉动风压系数最小,无珊瑚格时测点F16风压突变区脉动风压系数变化十分剧烈。风压平稳区内脉动风压系数基本保持稳定,风压变化区内脉动风压系数有先增大后减小的趋势。

　　 综上所述,无论是珊瑚格背后幕墙还是其临近屋盖,设置珊瑚格可以有效降低其平均风压系数和脉动风压系数,且珊瑚格存在一个最优的透风率,其平均风压系数和脉动风压系数均小于其他工况下的结果。

　　 图11为珊瑚格透风率为60%和无珊瑚格时不同地貌下幕墙测点J15的平均风压系数和脉动风压系数对比结果。从图11(a)中可以看出,背风侧各种工况下的平均风压系数基本相当,但迎风侧无珊瑚格时,B类地貌下幕墙测点J15的平均风压系数要明显大于其在A类地貌下的结果。而设置60%透风率的珊瑚格时,B类地貌下幕墙测点J15的平均风压系数比A类地貌结果基本略大。从图11(b)可以看出,背风侧各种工况下脉动风压系数基本相当,但在迎风侧的风压突变区和风压变化区内,B类地貌下幕墙测点J15的脉动风压系数要明显大于其在A类地貌下的结果。这表明不同地貌下,无珊瑚格时幕墙的平均风压系数和脉动风压系数有着明显的差别,而设置珊瑚格后幕墙的平均风压系数差别不大,但脉动风压系数也存在着明显的差别。

　　 图12为珊瑚格透风率为60%和无珊瑚格时不同地貌下屋盖测点F16的平均风压系数和脉动风压系数对比结果。从图12(a)可以看出,无论有无珊瑚格,不同地貌下屋盖测点F16的平均风压系数都相差不大。从图12(b)可以看出,屋盖测点F16位于背风侧时,无论有无珊瑚格,不同地貌下屋盖测点F16的脉动风压系数都相差不大。当测点位于迎风侧时,无论有无珊瑚格,B类地貌下屋盖测点F16的脉动风压系数均要明显大于A类地貌下的试验结果。这表明不同地貌下,测点位于珊瑚格临近屋盖时,平均风压系数变化不大;测点位于背风侧珊瑚格临近屋盖时,脉动风压系数变化不大,但测点位于迎风侧珊瑚格临近屋盖时,脉动风压系数存在显著的差别,且B类地貌结果大于A类地貌结果。

　　 综上所述,不同地貌下,无论是珊瑚格背后幕墙还是其临近屋盖,背风侧平均风压系数和脉动风压系数都相差不大,设置珊瑚格后迎风侧幕墙的不同地貌结果也基本相当。而迎风侧无珊瑚格和有珊瑚格的脉动风压系数存在明显的差别,且B类地貌结果要大于A类地貌结果。

　　 (1)相比于无珊瑚格状态,设置珊瑚格结构可以有效减小其背后幕墙和临近屋盖的平均风压系数和脉动风压系数。

　　 (2)随着珊瑚格透风率减小,其背后幕墙和临近屋盖的风压也逐渐减小,且存在一个最优透风率,使得其背后幕墙和临近屋盖的平均风压系数和脉动风压系数均达到最小值。

　　 (3)不同地貌对背风侧及迎风侧的珊瑚格背后幕墙及其临近屋盖的平均风压系数和脉动风压系数均影响不大,但对其脉动风压系数影响较为显著。