? 舟山市体育中心体育场看台钢挑棚抗风试验与分析 舟山市体育中心体育场看台钢挑棚抗风试验与分析
余佳亮1 刘国民1 秦从律1 罗尧治2 王煜成2 沈雁彬2
(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司， 杭州 310028； 2.浙江大学空间结构研究中心， 杭州 310058)
摘 要：对舟山市体育中心体育场看台挑棚进行了风洞试验，获得挑棚上、下表面的风载体型系数。试验结果表明，在不同风向角作用下，挑棚承受的风荷载作用合力方向会发生变化；看台会显著改变挑棚下表面风载体型系数分布，结构抗风设计时须考虑看台的影响。直接采用风洞试验得到的脉动风压对挑棚结构进行了风致动力响应分析，获得风振系数，为结构抗风设计提供依据。分析了挑棚结构在风荷载作用下的受力及变形，研究了抗风支座的构造措施，保证结构的安全可靠。
关键词：体育场挑棚； 风洞试验； 体型系数； 风振系数； 抗风分析
DOI:10.13206/j.gjg201607010
1 概 述
体育场挑棚跨度大、质量轻，是一类典型的风敏感结构[1-3]。研究挑棚的风载体型系数及风振响应是结构抗风设计的基础，目前国内外针对该类结构的风荷载特性已进行了一定数量的试验研究和数值模拟研究[3-5]，获得了挑篷风载体型系数分布和风振响应的一些规律和结果，其中一些研究成果[6-7]表明：体育场看台会对挑棚的风荷载特性有较大影响。实际工程中，由于看台形状、体量及与挑棚相对关系不尽相同，因此相互之间的影响关系也应存在差异，故对某个具体工程而言，如要借用其他工程的抗风经验，需注意不仅要满足挑棚本身体型相近，还应保证挑棚周边建筑条件基本类似。
舟山市体育中心体育场由8块花瓣形状的看台组成，如图1所示，其中A看台上设有跨度22 m的悬挑雨棚。挑棚采用网架结构形式，上、下弦层均有建筑面板，挑棚与看台的连接关系如图2所示。本工程所在地基本风压达0.85 kN/m2,风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载。由于看台形状的特殊性，通过GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[8]和以往研究成果来确定风荷载取值较为困难，故对体育场模型进行了风洞试验，获取挑棚表面的风载体型系数分布。
图1 舟山体育中心体育场效果
图2 体育场A看台剖面
2 挑棚表面风载体型系数分布
2.1 风洞试验介绍
风洞试验在浙江大学ZD-1边界层风洞中进行。ZD-1为单回流闭口立式风洞，试验段尺寸(宽×高×长)为4 m×3 m×18 m，风洞配备可收藏式全自动三维移测架系统，采用尖劈隔栅和粗糙元模拟我国GB 50009—2012中A 类地貌大气边界层，地面粗糙度系数取α=0.12，试验段内的风速剖面及湍流强度剖面分布如图3 所示。
a—风速剖面；b—湍流强度剖面。
图3 模拟大气边界层
试验采用1∶150 刚性模型，如图4所示，除挑棚外，模型还包含了所有看台及照明灯、显示屏等。在挑棚上、下表面均匀布置测点，共计473个，试验时同步测试上、下表面的风压数据。试验段参考点位于100 cm高度处，对应原型高度为200 m，试验风速为12.9 m/s，采样频率为312.5 Hz,采样点数取10 000个。
图4 风洞试验模型
2.2 风载体型系数分布
如图5所示，以15°为间隔，分别测出24个风向角下挑棚上、下表面各测点的风载体型系数。图6、图7给出了有代表性的0°、90° 及180° 风向角工况下挑棚上、下表面风载体型系数分布。
图5 试验模型风向角示意
在0°风向角工况下，挑棚上表面迎风侧由于气流分离产生较大负压，尤其在两侧角点处，最大风载体型系数值接近-2.0。之后分离气流逐渐恢复平稳，负压值逐渐减小至-0.3，至挑棚上表面后半部分等压线分布已较为稀疏均匀，说明风压至此已趋于稳定。该工况下挑棚下表面风压分布与上表面截然不同，均承受正压作用，离看台距离越近正风压值越大(最大处接近+1.0)。产生该现象的原因是挑棚下方气流在与看台撞击后改变了流动方向，转而撞向挑棚下表面，使得挑棚下表面受到了很大的顶升力。由此可见受看台影响，挑棚上、下表面风荷载作用方向相同，造成挑棚结构需承受“下顶上吸”的不利风荷载作用，抗风设计时必须考虑看台对挑棚风载体型系数的影响。
在90° 风向角工况下，挑棚上、下表面的风载体型系数分布规律较为类似，即在迎风侧产生较大负压，风压变化剧烈，随后延来流方向风压逐渐递减，最后趋于均匀稳定。在该工况下挑棚风载体型系数受看台影响相对较小，由于上、下表面风荷载作用方向相反，故叠加后作用在挑棚结构上的净风荷载也相对较小。
在180° 风向角工况下，挑棚上表面风载体型系数分布规律与其它工况相同，即由迎风侧的负高压逐级递减，最后趋于稳定至-0.2上下。在该工况下，挑棚整个下表面受看台遮挡，承受风吸力作用，风载体型系数分布较为均匀，均值为-0.3。由于挑棚下表面风载体型系数大于上表面，故两者合成后作用在挑棚结构上的净风荷载方向向下，结构设计时需考虑此风荷载与恒载、活载等其他竖向荷载叠加后的不利工况。
a—0° 风向角;b— 90° 风向角;c—180° 风向角。
图6 挑棚上表面风载体型系数分布
a—0° 风向角;b— 90° 风向角;c—180° 风向角。
图7 挑棚下表面风载体型系数分布
3 挑棚结构风致动力响应分析
利用风洞试验得到的脉动风压，采用直接积分求解非线性结构运动微分方程的方法(即时域法)对挑棚结构进行了风振响应分析，并用节点位移风振系数βi来反映结构的风致振动效应。βi的定义为节点i的静动力位移总和
i)与静力位移
i的比值，其可通过式(1a)、式(1b)计算：
(1a)
(1b)
式中：σi为节点i的位移响应均方根；μ为峰值因子，取2.5[8]；
i为节点i的位移响应均值(即可理解为静力位移)；
i为节点i的脉动位移统计值(即可理解为动力位移)；ui则为节点i的位移响应时程值，该值需通过对结构在脉动风作用下的动力分析计算得到。
a—0° 风向角；b—180° 风向角。
图8 挑棚位移风振系数分布
图8给出了0° 及180° 风向角工况下，挑棚结构上弦层节点的位移风振系数分布。从图可见在0° 风向角工况下，挑棚第一排支座附近处风振系数相对较大，为1.4～1.7之间；悬挑区域及后几排支座区域的风振系数相对较小，分布较为均匀，均值为1.3。在180° 风向角工况下，挑棚迎风侧风振系数相对较大，为1.2～1.7之间；背风侧悬挑区域风振系数相对较小，分布较为均匀，均值为1.1。根据上述情况，本工程挑棚结构抗风分析时风振系数按实际情况分区取值。
4 挑棚结构抗风分析与设计
根据计算结果在挑棚结构模型中施加风荷载，并对结构进行了各种风工况下的受力分析，挑棚结构模型如图9所示。
图9 结构分析模型
根据分析结果，0° 风向角为挑棚结构抗风设计时的最不利风向角。表1列出了该风向角作用下结构内力、变形值及其与“1.2恒+1.4活”工况计算值的比较，可见结构在风荷载作用下杆件内力及变形均显著大于恒、活荷载作用下的结果，证实了风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载。对风荷载作用下受力较大的网架杆件进行了加强，最大圆管截面为φ219×12，最大应力比0.8。
表1 挑棚结构受力、变形分析
工况号荷载组合杆件最大内力/kN悬挑端部竖向位移/mm工况11.0恒+1.4风918-164工况21.2恒+1.4风845-151工况31.2恒+1.4活43580
抗风支座是挑棚抗风设计时的重点内容之一，在风荷载作用下挑棚根部第一排支座承受很大的拉力作用，最大拉力达1 580 kN。为提高这部分受拉支座的可靠性，除布置锚栓外，还在支承柱内设置型钢构件，并将型钢构件与支座底板焊接相连，如图10所示。型钢构件一方面提高了支承柱的抗拉承载力，另一方面则加强了支座与柱的连接，保证了支座处竖向拉力及水平剪力的有效传递。
1—M52锚栓；2—钢骨；3—35 mm厚底板，开孔φ60；
4—板-160×160×35,开孔φ53.5。
图10 抗风支座
5 结 论
1)风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载，本工程中0° 风向角为最不利风向角。
2)看台会显著改变挑棚下表面风载体型系数分布，结构抗风设计时须考虑看台的影响。
3)挑棚结构不同位置处风振系数存有差异，结构设计时宜分区选用风振系数值。本工程挑棚风振系数为1.2～1.7之间。
4)在与抗风支座相连的支承柱内设置型钢，并将型钢与支座底板相连，加强支承柱抗拉承载力的同时，也保证了支座处拉力和剪力的可靠传递。
参考文献
[1] 朱川海,顾明.大型体育场主看台挑篷抗风研究现状及展望[J].空间结构, 2005, 11(2):27-33.
[2] 王红涛,徐珂,田立强. 某体育场罩棚钢结构设计[J].钢结构,2012,27(6):32-36.
[3] 顾明,黄友钦,黄鹏,等.体育场挑篷的风荷载试验研究[J].同济大学学报：自然科学版,2008,36(9):1170-1175.
[4] 刘红波,陈志华,闫翔宇,等.凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究[J].空间结构,2010,16(4): 60-66.
[5] 薛素铎,宋延杰,李雄彦.基于风速时程的体育场挑篷结构风振响应分析[J].地震工程与工程振动,2007,27(5):61-65.
[6] 李宏男,伊廷华. 某体育场看台挑篷风荷载特性及干扰效应风洞试验研究[J].建筑结构,2009,39(7):90-93.
[7] 张朝晖,陈朝晖,陈丰,等.有干扰的大跨度体育场屋盖表面风荷载特性研究[J].建筑结构,2012,34(2):154- 159.
[8] GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].
WIND RESISTANCE TEST AND ANALYSIS OF THE STEEL CANOPY OF STANDS OF ZHOUSHAN SPORTS CENTER
Yu Jialiang1 Liu Guomin1 Qin Conglü1 Luo Yaozhi2 Wang Yucheng2 Shen Yanbin2
(1. Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co.Ltd, Hangzhou 310028, China;2. Space Structure Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
ABSTRACT：Based on the wind tunnel test, wind-load shape coefficient of the steel canopy of stands of Zhoushan Sports Center was obtained. The results showed that the direction of wind load of the steel canopy would change at different wind angles. The distribution of wind-load shape coefficient for the lower surface of steel canopy could be significantly changed because of the stands, which should be considered into the wind resistant design. Using the time-history of wind pressure from test, wind-induced vibration response of the canopy structure was analyzed, and the wind vibration coefficient was obtained to provide the basis for structure design. The internal force and deformation under wind load of the canopy structure was analyzed, and the construction measures for the supporting joint were studied to ensure the safety and reliability of the structure.
KEY WORDS：stadium canopy; wind tunnel test; shape coefficient; wind vibration coefficient; wind-resistant analysis
第一作者：余佳亮，男，1984年出生，博士，高级工程师，国家一级注册结构工程师。
Email:[email protected]
收稿日期：2015-12-25
? 舟山市体育中心体育场看台钢挑棚抗风试验与分析 舟山市体育中心体育场看台钢挑棚抗风试验与分析
余佳亮1 刘国民1 秦从律1 罗尧治2 王煜成2 沈雁彬2
(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司， 杭州 310028； 2.浙江大学空间结构研究中心， 杭州 310058)
摘 要：对舟山市体育中心体育场看台挑棚进行了风洞试验，获得挑棚上、下表面的风载体型系数。试验结果表明，在不同风向角作用下，挑棚承受的风荷载作用合力方向会发生变化；看台会显著改变挑棚下表面风载体型系数分布，结构抗风设计时须考虑看台的影响。直接采用风洞试验得到的脉动风压对挑棚结构进行了风致动力响应分析，获得风振系数，为结构抗风设计提供依据。分析了挑棚结构在风荷载作用下的受力及变形，研究了抗风支座的构造措施，保证结构的安全可靠。
关键词：体育场挑棚； 风洞试验； 体型系数； 风振系数； 抗风分析
DOI:10.13206/j.gjg201607010
1 概 述
体育场挑棚跨度大、质量轻，是一类典型的风敏感结构[1-3]。研究挑棚的风载体型系数及风振响应是结构抗风设计的基础，目前国内外针对该类结构的风荷载特性已进行了一定数量的试验研究和数值模拟研究[3-5]，获得了挑篷风载体型系数分布和风振响应的一些规律和结果，其中一些研究成果[6-7]表明：体育场看台会对挑棚的风荷载特性有较大影响。实际工程中，由于看台形状、体量及与挑棚相对关系不尽相同，因此相互之间的影响关系也应存在差异，故对某个具体工程而言，如要借用其他工程的抗风经验，需注意不仅要满足挑棚本身体型相近，还应保证挑棚周边建筑条件基本类似。
舟山市体育中心体育场由8块花瓣形状的看台组成，如图1所示，其中A看台上设有跨度22 m的悬挑雨棚。挑棚采用网架结构形式，上、下弦层均有建筑面板，挑棚与看台的连接关系如图2所示。本工程所在地基本风压达0.85 kN/m2,风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载。由于看台形状的特殊性，通过GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[8]和以往研究成果来确定风荷载取值较为困难，故对体育场模型进行了风洞试验，获取挑棚表面的风载体型系数分布。
图1 舟山体育中心体育场效果
图2 体育场A看台剖面
2 挑棚表面风载体型系数分布
2.1 风洞试验介绍
风洞试验在浙江大学ZD-1边界层风洞中进行。ZD-1为单回流闭口立式风洞，试验段尺寸(宽×高×长)为4 m×3 m×18 m，风洞配备可收藏式全自动三维移测架系统，采用尖劈隔栅和粗糙元模拟我国GB 50009—2012中A 类地貌大气边界层，地面粗糙度系数取α=0.12，试验段内的风速剖面及湍流强度剖面分布如图3 所示。
a—风速剖面；b—湍流强度剖面。
图3 模拟大气边界层
试验采用1∶150 刚性模型，如图4所示，除挑棚外，模型还包含了所有看台及照明灯、显示屏等。在挑棚上、下表面均匀布置测点，共计473个，试验时同步测试上、下表面的风压数据。试验段参考点位于100 cm高度处，对应原型高度为200 m，试验风速为12.9 m/s，采样频率为312.5 Hz,采样点数取10 000个。
图4 风洞试验模型
2.2 风载体型系数分布
如图5所示，以15°为间隔，分别测出24个风向角下挑棚上、下表面各测点的风载体型系数。图6、图7给出了有代表性的0°、90° 及180° 风向角工况下挑棚上、下表面风载体型系数分布。
图5 试验模型风向角示意
在0°风向角工况下，挑棚上表面迎风侧由于气流分离产生较大负压，尤其在两侧角点处，最大风载体型系数值接近-2.0。之后分离气流逐渐恢复平稳，负压值逐渐减小至-0.3，至挑棚上表面后半部分等压线分布已较为稀疏均匀，说明风压至此已趋于稳定。该工况下挑棚下表面风压分布与上表面截然不同，均承受正压作用，离看台距离越近正风压值越大(最大处接近+1.0)。产生该现象的原因是挑棚下方气流在与看台撞击后改变了流动方向，转而撞向挑棚下表面，使得挑棚下表面受到了很大的顶升力。由此可见受看台影响，挑棚上、下表面风荷载作用方向相同，造成挑棚结构需承受“下顶上吸”的不利风荷载作用，抗风设计时必须考虑看台对挑棚风载体型系数的影响。
在90° 风向角工况下，挑棚上、下表面的风载体型系数分布规律较为类似，即在迎风侧产生较大负压，风压变化剧烈，随后延来流方向风压逐渐递减，最后趋于均匀稳定。在该工况下挑棚风载体型系数受看台影响相对较小，由于上、下表面风荷载作用方向相反，故叠加后作用在挑棚结构上的净风荷载也相对较小。
在180° 风向角工况下，挑棚上表面风载体型系数分布规律与其它工况相同，即由迎风侧的负高压逐级递减，最后趋于稳定至-0.2上下。在该工况下，挑棚整个下表面受看台遮挡，承受风吸力作用，风载体型系数分布较为均匀，均值为-0.3。由于挑棚下表面风载体型系数大于上表面，故两者合成后作用在挑棚结构上的净风荷载方向向下，结构设计时需考虑此风荷载与恒载、活载等其他竖向荷载叠加后的不利工况。
a—0° 风向角;b— 90° 风向角;c—180° 风向角。
图6 挑棚上表面风载体型系数分布
a—0° 风向角;b— 90° 风向角;c—180° 风向角。
图7 挑棚下表面风载体型系数分布
3 挑棚结构风致动力响应分析
利用风洞试验得到的脉动风压，采用直接积分求解非线性结构运动微分方程的方法(即时域法)对挑棚结构进行了风振响应分析，并用节点位移风振系数βi来反映结构的风致振动效应。βi的定义为节点i的静动力位移总和
i)与静力位移
i的比值，其可通过式(1a)、式(1b)计算：
(1a)
(1b)
式中：σi为节点i的位移响应均方根；μ为峰值因子，取2.5[8]；
i为节点i的位移响应均值(即可理解为静力位移)；
i为节点i的脉动位移统计值(即可理解为动力位移)；ui则为节点i的位移响应时程值，该值需通过对结构在脉动风作用下的动力分析计算得到。
a—0° 风向角；b—180° 风向角。
图8 挑棚位移风振系数分布
图8给出了0° 及180° 风向角工况下，挑棚结构上弦层节点的位移风振系数分布。从图可见在0° 风向角工况下，挑棚第一排支座附近处风振系数相对较大，为1.4～1.7之间；悬挑区域及后几排支座区域的风振系数相对较小，分布较为均匀，均值为1.3。在180° 风向角工况下，挑棚迎风侧风振系数相对较大，为1.2～1.7之间；背风侧悬挑区域风振系数相对较小，分布较为均匀，均值为1.1。根据上述情况，本工程挑棚结构抗风分析时风振系数按实际情况分区取值。
4 挑棚结构抗风分析与设计
根据计算结果在挑棚结构模型中施加风荷载，并对结构进行了各种风工况下的受力分析，挑棚结构模型如图9所示。
图9 结构分析模型
根据分析结果，0° 风向角为挑棚结构抗风设计时的最不利风向角。表1列出了该风向角作用下结构内力、变形值及其与“1.2恒+1.4活”工况计算值的比较，可见结构在风荷载作用下杆件内力及变形均显著大于恒、活荷载作用下的结果，证实了风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载。对风荷载作用下受力较大的网架杆件进行了加强，最大圆管截面为φ219×12，最大应力比0.8。
表1 挑棚结构受力、变形分析
工况号荷载组合杆件最大内力/kN悬挑端部竖向位移/mm工况11.0恒+1.4风918-164工况21.2恒+1.4风845-151工况31.2恒+1.4活43580
抗风支座是挑棚抗风设计时的重点内容之一，在风荷载作用下挑棚根部第一排支座承受很大的拉力作用，最大拉力达1 580 kN。为提高这部分受拉支座的可靠性，除布置锚栓外，还在支承柱内设置型钢构件，并将型钢构件与支座底板焊接相连，如图10所示。型钢构件一方面提高了支承柱的抗拉承载力，另一方面则加强了支座与柱的连接，保证了支座处竖向拉力及水平剪力的有效传递。
1—M52锚栓；2—钢骨；3—35 mm厚底板，开孔φ60；
4—板-160×160×35,开孔φ53.5。
图10 抗风支座
5 结 论
1)风荷载是挑棚结构设计时的控制荷载，本工程中0° 风向角为最不利风向角。
2)看台会显著改变挑棚下表面风载体型系数分布，结构抗风设计时须考虑看台的影响。
3)挑棚结构不同位置处风振系数存有差异，结构设计时宜分区选用风振系数值。本工程挑棚风振系数为1.2～1.7之间。
4)在与抗风支座相连的支承柱内设置型钢，并将型钢与支座底板相连，加强支承柱抗拉承载力的同时，也保证了支座处拉力和剪力的可靠传递。
参考文献
[1] 朱川海,顾明.大型体育场主看台挑篷抗风研究现状及展望[J].空间结构, 2005, 11(2):27-33.
[2] 王红涛,徐珂,田立强. 某体育场罩棚钢结构设计[J].钢结构,2012,27(6):32-36.
[3] 顾明,黄友钦,黄鹏,等.体育场挑篷的风荷载试验研究[J].同济大学学报：自然科学版,2008,36(9):1170-1175.
[4] 刘红波,陈志华,闫翔宇,等.凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究[J].空间结构,2010,16(4): 60-66.
[5] 薛素铎,宋延杰,李雄彦.基于风速时程的体育场挑篷结构风振响应分析[J].地震工程与工程振动,2007,27(5):61-65.
[6] 李宏男,伊廷华. 某体育场看台挑篷风荷载特性及干扰效应风洞试验研究[J].建筑结构,2009,39(7):90-93.
[7] 张朝晖,陈朝晖,陈丰,等.有干扰的大跨度体育场屋盖表面风荷载特性研究[J].建筑结构,2012,34(2):154- 159.
[8] GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].
WIND RESISTANCE TEST AND ANALYSIS OF THE STEEL CANOPY OF STANDS OF ZHOUSHAN SPORTS CENTER
Yu Jialiang1 Liu Guomin1 Qin Conglü1 Luo Yaozhi2 Wang Yucheng2 Shen Yanbin2
(1. Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co.Ltd, Hangzhou 310028, China;2. Space Structure Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
ABSTRACT：Based on the wind tunnel test, wind-load shape coefficient of the steel canopy of stands of Zhoushan Sports Center was obtained. The results showed that the direction of wind load of the steel canopy would change at different wind angles. The distribution of wind-load shape coefficient for the lower surface of steel canopy could be significantly changed because of the stands, which should be considered into the wind resistant design. Using the time-history of wind pressure from test, wind-induced vibration response of the canopy structure was analyzed, and the wind vibration coefficient was obtained to provide the basis for structure design. The internal force and deformation under wind load of the canopy structure was analyzed, and the construction measures for the supporting joint were studied to ensure the safety and reliability of the structure.
KEY WORDS：stadium canopy; wind tunnel test; shape coefficient; wind vibration coefficient; wind-resistant analysis
第一作者：余佳亮，男，1984年出生，博士，高级工程师，国家一级注册结构工程师。
Email:[email protected]
收稿日期：2015-12-25