1、1风帆体型建筑表面风压的分布特征研究摘要：针对典型风帆体型建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究，给出典型风向下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征，探讨该体型建筑产生此类分布的原因，并分析围护结构设计时风帆体型建筑的最不利受风区域.研究表明：风帆容易形成“前压后吸”的风压分布，对于迎风面积大、厚度却相对较小的风帆建筑整体抗风较为不利；脉动风压系数与平均风压系数分布规律较为相似，背风区的风压脉动小于侧风区；当风帆建筑锋利边缘处于侧迎风时，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，使得该区域出现极大的负压. 关键词：风压；风帆建筑；风洞；极值风压；兜风效应 中图分类号：TU312.1 文献标识码：A
2、 随着时代的发展，建筑结构形式日益新颖，风帆类建筑也随之不断出现，例如世界闻名的迪拜帆船酒店和悉尼歌剧院.此类风帆建筑有着外凸内凹的特点，其风荷载分布规律与常规体型屋盖结构1-4的风压分布有差别，不同于一般意义的凸型建筑5和凹型建筑6.风帆周围的流动风往往表现得紊乱不规则，从而导致建筑物的表面风压复杂多变、难以预测7，且我国荷载规范8所包含的风荷载体型系数对于风帆体型建筑缺乏相应的规定，因此宜采用风洞试验方法获得风帆体型建筑的风荷载. 查询相关文献可知，风帆建筑大跨度屋盖结构的风荷载报道很少，2只有卢占斌等9采用天平测力方法研究“龙脊风帆”的阻力系数，由于天平测力风洞试验不能给出各个位置的平均
3、风压和脉动风压，因此设计人员难以得到很好的参考. 本文以某风帆体型建筑为例，采用风洞试验方法获得该建筑的表面风压，给出典型风向角下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征，探讨风帆体型建筑产生该类分布的原因，并讨论围护结构设计时该体型建筑的最不利受风区域，对于类似建筑的风荷载取值具有重要的参考价值. 1 风帆体型建筑的风洞试验概况 本文的工程实例为某博物馆，长约 240 m，宽约 135 m，高 58.3 m，如图 1 所示.该建筑包含两个体型相似、大小有差异的悬空风帆，本文称为大风帆和小风帆.大风帆顶点离地高度为 58.3 m，风帆底部长约 55 m，宽约 35 m.由于大风帆和小风帆体形相似
4、，风洞试验获得的风压分布特征也比较类似，因此本文将大风帆作为典型的风帆体型建筑，分析其平均风压和脉动风压的分布特征. 风洞试验模型由玻璃钢、有机玻璃和 ABS 塑料等制作而成，模型缩尺比为 1150，模型及其在风洞试验时的照片如图 2 所示.在该建筑的屋面和墙面上布置了 400 多个风压测点.在大风帆上布置的测点有 141 个，其中在风帆外表面布置 69 个，在风帆内表面布置 54 个，在缓坡边缘和陡坡边缘各布置 9 个，具体测点布置见图 3，图中对表面进行展开处理以方便测点的表达.风洞试验时，每个风向角为一个工况，各风向角间的间隔为 15，测压风向角从 0360共 24 个工况，具体如图 4
5、 所示. 3在浙江大学的 ZD1 边界层风洞中进行风洞试验，试验段长 18 m，宽4 m、高 3 m.风压测量系统采用 DSM340 电子扫描阀，测压信号采样频率约为 313 Hz，对所有测点进行同步测压. 以大风帆为例研究典型风帆建筑的平均风压，图 5 给出 45， 135， 225和 315共 4 个典型风向角下的风压系数，图中左侧的风向角示意图为相应风向角下该风帆建筑的迎风面.45和 225为内表面和外表面处于正迎风的风向，135和 315为风帆侧面处于迎风的风向.图中的风压系数按照公式（3）计算，以大风帆顶点高度（58.3m）作为参考高度，本文中的风压系数均为定义. 由图 5 可知：
6、1） 在 45风向角下，风帆内表面正迎风，风帆建筑的“圆弧形凹面”使得内表面产生明显的兜风效应4，整个内表面均为正压区域，最大的风压系数为 0.8；来流风在风帆建筑的缓坡边缘及陡坡边缘处产生分离，使得在背风面（风帆建筑外表面）形成一整块负压区；此类“前压后吸”的风压分布特性对于迎风面积大、厚度比较薄的风帆建筑的整体受风较为不利，即风帆建筑承受较大的阻力，为风帆建筑总体抗风不利的一个风向；风压系数范围在-0.8+0.8 之间，负风压系数并不是很大. 2） 在 135风向角下，陡坡边缘呈正迎风位置，在陡坡边缘和外表面近陡坡边缘侧出现最大值为 0.5 的正风压系数；在内表面近陡坡边缘侧和缓坡边缘侧出
7、现很大的负风压系数（最大达-1.5） ，这主要是由于来流风在锋利边缘处产生强烈的流动分离所致；在风帆建筑的外表面形成明显的风压梯度，由+0.5 变为-1.0. 43） 在 225风向角下，风帆建筑的外表面（圆弧凸面）处于正迎风，约 2/3 区域的外表面呈正压，最大风压系数约为 0.55，然后向周边呈递减趋势；处于背风面的内表面区域则形成一整片的负压区，该区的风压系数约为-0.5；此风向角与 45风向角类似，也为“前压后吸”工况，风帆整体受力比较大，为整体结构抗风不利的一个风向. 4） 在 315风向角下，风帆外表面的中下部迎风，由于迎风区域较小，正压区的数值大小及范围均不大；外表面的中上部为侧
8、风区域，形成了较大的负风压系数（-1.2） ；在外表面的正迎风区和侧迎风区形成了明显的风压梯度，风压系数由+0.4 变为-1.2；处于背风面的内表面为负压区，负压数据并不大. 5） 对比四个典型风向角的风压系数图可知：风帆建筑的最大正压区出现在 45风向的内表面，最大风压系数约为 0.8，此时的内表面处于兜风状态；风帆建筑的最大负压出现在 135的内表面近陡坡边缘侧，此时在该位置（锋利边缘）发生了强烈的流动分离，最大负风压系数约为-1.5；风帆建筑在 45和 225风向角下受到“前压后吸”的风压作用，整体结构受风较大，为抗风不利的风向，相比而言，45风向角比225风向角更为不利. 3 典型风向
9、下风帆建筑的脉动风压 风帆建筑的极值负风压系数如图 8 所示，可以发现极值负风压主要出现在陡坡边缘、外表面近陡坡边缘及内表面近陡坡边缘.这些部位测点的极值负风压系数及相应角度见表 1，可以发现陡坡边缘和内表面近陡坡边缘极值负风压对应的角度基本上为 150，而外表面近陡坡边缘极值负风压对应的角度基本上为 105，将这两个风向角下风帆建筑的迎风情况5列于图 9. 由表 1 和图 9 可以发现：1）在 150风向角下，风帆建筑的陡坡边缘和内表面近陡坡边缘处于侧风位置，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，从而导致这两个位置出现很大的负风压.2）在 105风向角下，外表面近陡坡边缘区处于侧风位置，也是
10、由于来流风在锋利边缘发生显著的气动分离而导致该部位出现很大的负风压. 5 结论 本文采用风洞试验方法研究某风帆体型建筑的风荷载，得到以下结论： 1） 风帆建筑容易形成“前压后吸”的风压分布，对于迎风面积大、厚度相对较小的风帆建筑的抗风设计需引起足够重视. 2） 风帆建筑脉动风压系数的分布规律与平均风压系数的分布规律基本相同，其脉动风压系数大小与平均风压系数大小成正比关系，一般而言背风区的脉动风压系数小于迎风区. 3） 风帆建筑的极值负压明显大于其极值正压，当风帆建筑的陡坡边缘和外表面近陡坡边缘处于侧迎风时，来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离，从而使得这两块区域出现极大的负压，在工程设计时应重
11、视这两块区域的维护结构抗风设计. 参考文献 1顾明，赵雅丽，黄强，等.低层房屋屋面平均风压的风洞试验和数值模拟J.空气动力学学报，2010，28（1）：82-87. 2李秋胜， 陈伏彬， 傅继阳， 等. 大跨屋盖结构风荷载特性的6试验研究J.湖南大学学报：自然科学版， 2009，36（8）：12-17. 3聂少锋，周绪红，石宇，等.低层坡屋面房屋风荷载特性风洞试验研究J.建筑结构学报， 2012， 33（3）： 118-125. 4沈国辉， 孙炳楠， 楼文娟. 复杂体型大跨屋盖结构的风荷载分布J. 土木工程学报， 2005，30（10）：39-43. 5顾明， 黄鹏， 杨伟， 等.上海铁路南站
12、平均风荷载的风洞试验和数值模拟J. 建筑结构学报， 2004， 25（5）：43-47. 6李寿英， 陈政清， 黄磊， 等. 义乌游泳馆屋盖风荷载的试验研究J. 湖南大学学报： 自然科学版， 2007，34（5）：10-14. 7DAVENPORT A G. Past， present and future of wind engineeringJ. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002， 90：1371-1380. 8GB 50009-2001 建筑结构荷载规范S. 北京：中国建筑工业出版社， 2002. 9卢占斌， 魏庆鼎， 王安武. 龙脊风帆模型气动特性风洞实验J.流体力学实验与测量， 2001，15（4）：46-52. 10AIJ recommendations for loads on buildingsS. AIJ， Tokyo： Architectural Institute of Japan， 2004.
