贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞试验及风荷载体型系数研究
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为风洞试验给出的平均风压系数，是内、外表面平均风 压系数叠加 后 的 值。 为 了 形 象 起 见，将 贵 阳 奥 体 中 心 主体育场罩篷表面平均风压系数以等值线分布的方式 在罩篷和立面的水平展开图中给出，限于篇幅，文中仅 列出从 β = 0°至 345° 之间部分风向角的结果，见图 3。 由图分析可知：
工程屋盖钢结构东看台第 1 自振周期为 0. 534s， 西看台第 1 自振周期为 1. 04s，属于风荷载作用敏感的 开敞式、大悬臂钢结构。为了结构设计的安全和经济，
参考既有复杂结构风荷载及试验研究结果［1-4］，通过风 洞模拟试验对不规则钢结构屋盖的风荷载体型系数进 行了研究。 1 模型与数据采集 1. 1 试验模型
Wind tunnel test and shape coefficient of wind load research for roof of the main stadium in Guiyang Olympic Sports Center
Wu Jun1 ，Zhang Zhong1 ，Wang Shu2 ，Liu Xingang2 ，Huang Jiyang2 ，Ge Jiaqi2
图 1 风洞试验图片
图 2 主体育场罩篷测压孔布置、单元划分示意图
1. 2 试验数据采集 在结构风洞试验中如何获得正确的瞬时风压数据
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特别重要。为了 获 得 尽 可 能 高 的 频 率 响 应 ，在 连 接 测 压孔和扫描阀的每一根塑料管中接有限流器。试验使 用的限流器是参考加拿大西安大略大学边界层风洞实 验室目前使用的限流器参数制作的。对每个限流器都 进行了严格的检验和标定，其均匀性和一致性都符合 要求。
模型表面风压测量采用 5 个单元组合机械扫描 阀。在每个组合扫描阀单元中安装的压力传感器量程 为 0. 5psi，静态满量程精度为 ± 0. 06% ，固有频率大于 35kHz。
按照相似准则，如 果 需 要 考 虑 建 筑 物 表 面 的 脉 动 压力，试验时必须根据模型缩尺比来确定试验风速、采 样频率和采样时间。试验的主要目的是获得风荷载体 型系数，以平均风压测量为重点，在试验中实际采用的 名义风速为 15m / s。以罩篷的纵向长度为特征长度， 算得的试验雷诺数约为 Re = 8. 1 × 105 。符合通常对建 筑物风荷 载 风 洞 模 拟 试 验 所 要 求 达 到 的 雷 诺 数。 另 外，虽然罩篷是曲面形状，但在罩篷表面有凸起的装饰 结构，并且在模型中得到了模拟，可以认为模型表面是 足够粗糙的，在目前的雷诺数条件下可以获得超临界 雷诺数的流 动 状 态。 因 此，相 应 的 试 验 结 果 可 以 应 用 在实际的工 程 设 计 中。 在 试 验 中，每 一 个 测 压 点 采 集 3 900个数据，采样频率为 400Hz。除了给出平均压力 值外，还采用极值分布的方法计算出每一测点的峰值 负压、峰值正压以及压力脉动均方根值。
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对称的开敞式结构，为了得到罩篷和立面的风荷载，需 要分别在东西两个罩篷的内、外表面布置测压孔才能 获得作用在罩篷上的净风荷载。在试验后的数据处理 中，除进行对应 上、下 表 面 测 压 点 风 压 值 叠 加 外，其 他 外表面的风压也都和最邻近的下表面测压点数据进行 叠加。减少下表面测压孔数量的目的是为了尽量增加 外表面的测压孔数，同时，试验表明下表面的压力分布 在一般情况下是相当均匀的。主体育场模型罩篷上、 下表面布置的测压孔位置、编号和试验风向角定义如 图 2 所示。整个罩篷结构的测压孔总数为 428 个，其 中外表面 302 个（ 东罩篷 104 个，东立面 24 个，西罩篷 120 个，西立面 54 个） 。
（1） 当风向角为 0°时，风向从北向南，即风正对贵 阳奥体中心主体育场长轴方向吹来，在迎风部分的立 面是正压，最大正压约 0. 6，但罩篷顶面的前缘基本为 负压，在罩篷中 央 大 面 积 风 压 很 小，接 近 于 零，西 罩 篷 位于下游端的顶面局部负压最大值约为 － 0. 6 左右。
（2） 在 0° ～ 180° 风向角时，东看台迎风正立面形 成局部正风压，在 90°时正风压体型系数峰值较小，约 0. 5，在 30°时峰值最大，为 1. 2。
试验获得的基本数据都以上述压力系数的形式给 出。从风向角 β = 0° 到 345°，压力（ 峰值负压） 系数和 脉动均方根值压力系数的正压定义为风作用在建筑物 表面上产生的指向表面的法向压力，负压定义为风作 用在建筑物表面上产生的背离表面的法向拉力。
《建筑 结 构 荷 载 规 范 》（ GB50009—2001 ） （ 2006 版）（以下简称荷载规范） 给出的基本风压是以标高 10m，并按 B 类地区风速剖面指数 α = 0. 16 为基准的， 因此，利用风洞试验得到的风压系数按荷载规范给出 的基本风压进行建筑物表面风压计算时需要有一个高 度转换系数 γ = （51. 5 /10） 0. 32 = 1. 69。
第 40 卷 第 12 期
建筑结构
2010 年 12 月
贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞 试验及风荷载体型系数研究*
吴 军1 ， 张 忠1 ， 王 树2 ， 刘鑫刚2 ， 黄季阳2 ， 葛家琪2
（1 贵阳金阳建设投资有限公司，贵阳 550001；2 中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120）
［摘要］ 贵阳奥体中心主体育场由东、西两个呈牛角造型的罩篷构成，采用了预应力平面桁架斜交网格结构体系， 最大悬挑 49m。对其刚性模型进行了风洞试验，给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律并与规 范计算值进行了比较，详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。结果表明：在大多数风向角下，西罩篷的 风荷载要比东罩篷的大，罩篷立面迎风面都是正压，在所有风向角下罩篷上、下表面基本都是负压，负压分布的局部 最大值通常出现的迎风罩篷上表面的前缘和下风向罩篷上表面的后缘部分。建议对于有上、下表面围护结构的建 筑应分别按内、外风荷载体型系数设计。 ［关键词］ 体型系数； 刚体模型； 风洞试验； 风向角； 风压分布
将上述时间平均压力 P珔、瞬时最大压力 P^ 、瞬时最 小压力 Pˇ 和压力脉动均方根值换算成下面 4 种压力系 数：时间平均压力系数 CP = （ P珔－ P0 ） / q；瞬时最大压力 系数 CP^ = （ P^ － P0 ） / q；瞬时最小 压 力 系 数 CPˇ = （ Pˇ － P0 ） / q；均方根值压力系数 CP′ = σ / q。其中 σ，P0 和 q 分别为模型上测得的脉动压力的均方根值、来流静压 和参考高度处的动压。试验中将 206mm 高度处，即相 当于全尺寸时罩篷的标高 51. 5m 处的风速作为参考 动压。
（1 Guiyang Jinyang Construction Investment Co. ，Ltd. ，Guiyang 550001，China； 2 China Aviation Planning and Construction Development Co. ，Ltd. ，Beijing 100120，China） Abstract：The roof of the main stadium in Guiyang Olympic Sports Center is composed of east and west roof like ox horns， and prestressed oblique in-plane truss lattice with maximum cantilever of 49m is adopted. The mean pressure coefficient， mean shape coefficient of the wind load and the wind pressure distribution on the roofs were obtained by the wind tunnel test of the rigid model and compared with the results of the local code. The effects of wind direction on the mean pressure coefficient and mean shape coefficient were researched in detail. The results indicate that the wind load of west roof is larger than that of east roof at most wind directions. The mean wind pressure on the windward profile is positive，while that on the outside and inside surfaces of roof is negative basically. The local maximum negative wind pressure distributes on the front edge of windward roof and the back edge of leeward roof generally. It is suggested that the roof cladding system with the inside and outside surfaces bearing wind load meanwhile should be designed according to the shape coefficients of the inside and outside surfaces respectively. Keywords：shape coefficient； rigid model； wind tunnel test； wind direction； wind pressure distribution
பைடு நூலகம்
0 引言 贵阳奥体中心 主 体 育 场 罩 篷 工 程 由 东 、西 两 个 呈
牛角造型的罩篷构成（ 图 1） ，两个罩篷形状类似，但尺 寸不同，西罩篷尺寸较大，最高点标高为 51. 5m。罩篷 钢结构沿纵向长度约为 283m，沿径向（ 悬挑方向） 长度 约为 66m，在屋面中部区段设置支撑构件，与看台结构 连接，由支撑算起的结构最大悬臂长度为 49m；东看台 屋面钢结构沿纵向长度约为 263m，沿径向（ 悬挑方向） 长度约为 43m，体育场东侧有与体育场罩篷高度相当 的土坡。
图 3 不同风向角时的平均风压系数
在计算建筑物 表 面 风 压 时，荷 载 规 范 中 的 高 度 系 数 μz 应该用高度换算系数 γ 来代替，同时，不再考虑 建筑物表面的测点位置随高度的变化。风洞试验给出 的时间平均压力系数（或简称平均压力系数） CP 与 γ 的乘积即等于荷载规范中的高度系数 μz 与体型系数 μs 的乘积，即 γCP = μz μs 。
根据模型的特 点，试 验 中 定 义 当 风 从 北 面 吹 来 时 为风向角 β = 0°，顺时针方向为正，进行了风向角从 β = 0°到 345°间隔 15°、共 24 个风向角的试验。 2 试验结果分析 2. 1 不同风向角下各测点平均风压系数
在罩篷主体钢 结 构 设 计 中，通 常 使 用 的 体 型 系 数
从建筑物高宽 比 的 角 度 来 讲 ，主 体 育 场 属 于 低 矮 建筑。按 1∶ 250 的实物缩尺比设计三维几何模型，用 ABS 材料和有机玻璃制作了体育场的刚性测压模型及 其东侧的土坡，见图 1。由于东西两个罩篷立面是不
* 贵州省科技厅工业攻关项目（ ［2010］3002） ，贵阳市科技局工业攻 关项目［2010］。 作者简 介： 吴 军，硕 士，高 级 工 程 师，总 经 理，Email： yy8033 @ 126. com。
6但罩篷顶面的前缘基本为负压在罩篷中央大面积风压很小接近于零西罩篷位于下游端的顶面局部负压最大值约为180风向角时东看台迎风正立面形成局部正风压在90时正风压体型系数峰值较小约90风向角时即风从东看台方向的东北角吹向西看台过程中在风向下游的西看台罩篷中部形成最大风压负压区90时风从完全正面吹向西看台时西看台罩篷中央形成两个峰值较大负压区但其峰值都较小仅90过程中西看台罩篷悬挑端一直为负风压但风压较小其最大值仅为5远小于中央区负风压
为风洞试验给出的平均风压系数，是内、外表面平均风 压系数叠加 后 的 值。 为 了 形 象 起 见，将 贵 阳 奥 体 中 心 主体育场罩篷表面平均风压系数以等值线分布的方式 在罩篷和立面的水平展开图中给出，限于篇幅，文中仅 列出从 β = 0°至 345° 之间部分风向角的结果，见图 3。 由图分析可知：
工程屋盖钢结构东看台第 1 自振周期为 0. 534s， 西看台第 1 自振周期为 1. 04s，属于风荷载作用敏感的 开敞式、大悬臂钢结构。为了结构设计的安全和经济，
参考既有复杂结构风荷载及试验研究结果［1-4］，通过风 洞模拟试验对不规则钢结构屋盖的风荷载体型系数进 行了研究。 1 模型与数据采集 1. 1 试验模型
Wind tunnel test and shape coefficient of wind load research for roof of the main stadium in Guiyang Olympic Sports Center
Wu Jun1 ，Zhang Zhong1 ，Wang Shu2 ，Liu Xingang2 ，Huang Jiyang2 ，Ge Jiaqi2
图 1 风洞试验图片
图 2 主体育场罩篷测压孔布置、单元划分示意图
1. 2 试验数据采集 在结构风洞试验中如何获得正确的瞬时风压数据
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特别重要。为了 获 得 尽 可 能 高 的 频 率 响 应 ，在 连 接 测 压孔和扫描阀的每一根塑料管中接有限流器。试验使 用的限流器是参考加拿大西安大略大学边界层风洞实 验室目前使用的限流器参数制作的。对每个限流器都 进行了严格的检验和标定，其均匀性和一致性都符合 要求。
模型表面风压测量采用 5 个单元组合机械扫描 阀。在每个组合扫描阀单元中安装的压力传感器量程 为 0. 5psi，静态满量程精度为 ± 0. 06% ，固有频率大于 35kHz。
按照相似准则，如 果 需 要 考 虑 建 筑 物 表 面 的 脉 动 压力，试验时必须根据模型缩尺比来确定试验风速、采 样频率和采样时间。试验的主要目的是获得风荷载体 型系数，以平均风压测量为重点，在试验中实际采用的 名义风速为 15m / s。以罩篷的纵向长度为特征长度， 算得的试验雷诺数约为 Re = 8. 1 × 105 。符合通常对建 筑物风荷 载 风 洞 模 拟 试 验 所 要 求 达 到 的 雷 诺 数。 另 外，虽然罩篷是曲面形状，但在罩篷表面有凸起的装饰 结构，并且在模型中得到了模拟，可以认为模型表面是 足够粗糙的，在目前的雷诺数条件下可以获得超临界 雷诺数的流 动 状 态。 因 此，相 应 的 试 验 结 果 可 以 应 用 在实际的工 程 设 计 中。 在 试 验 中，每 一 个 测 压 点 采 集 3 900个数据，采样频率为 400Hz。除了给出平均压力 值外，还采用极值分布的方法计算出每一测点的峰值 负压、峰值正压以及压力脉动均方根值。
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对称的开敞式结构，为了得到罩篷和立面的风荷载，需 要分别在东西两个罩篷的内、外表面布置测压孔才能 获得作用在罩篷上的净风荷载。在试验后的数据处理 中，除进行对应 上、下 表 面 测 压 点 风 压 值 叠 加 外，其 他 外表面的风压也都和最邻近的下表面测压点数据进行 叠加。减少下表面测压孔数量的目的是为了尽量增加 外表面的测压孔数，同时，试验表明下表面的压力分布 在一般情况下是相当均匀的。主体育场模型罩篷上、 下表面布置的测压孔位置、编号和试验风向角定义如 图 2 所示。整个罩篷结构的测压孔总数为 428 个，其 中外表面 302 个（ 东罩篷 104 个，东立面 24 个，西罩篷 120 个，西立面 54 个） 。
（1） 当风向角为 0°时，风向从北向南，即风正对贵 阳奥体中心主体育场长轴方向吹来，在迎风部分的立 面是正压，最大正压约 0. 6，但罩篷顶面的前缘基本为 负压，在罩篷中 央 大 面 积 风 压 很 小，接 近 于 零，西 罩 篷 位于下游端的顶面局部负压最大值约为 － 0. 6 左右。
（2） 在 0° ～ 180° 风向角时，东看台迎风正立面形 成局部正风压，在 90°时正风压体型系数峰值较小，约 0. 5，在 30°时峰值最大，为 1. 2。
试验获得的基本数据都以上述压力系数的形式给 出。从风向角 β = 0° 到 345°，压力（ 峰值负压） 系数和 脉动均方根值压力系数的正压定义为风作用在建筑物 表面上产生的指向表面的法向压力，负压定义为风作 用在建筑物表面上产生的背离表面的法向拉力。
《建筑 结 构 荷 载 规 范 》（ GB50009—2001 ） （ 2006 版）（以下简称荷载规范） 给出的基本风压是以标高 10m，并按 B 类地区风速剖面指数 α = 0. 16 为基准的， 因此，利用风洞试验得到的风压系数按荷载规范给出 的基本风压进行建筑物表面风压计算时需要有一个高 度转换系数 γ = （51. 5 /10） 0. 32 = 1. 69。
第 40 卷 第 12 期
建筑结构
2010 年 12 月
贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞 试验及风荷载体型系数研究*
吴 军1 ， 张 忠1 ， 王 树2 ， 刘鑫刚2 ， 黄季阳2 ， 葛家琪2
（1 贵阳金阳建设投资有限公司，贵阳 550001；2 中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120）
［摘要］ 贵阳奥体中心主体育场由东、西两个呈牛角造型的罩篷构成，采用了预应力平面桁架斜交网格结构体系， 最大悬挑 49m。对其刚性模型进行了风洞试验，给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律并与规 范计算值进行了比较，详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。结果表明：在大多数风向角下，西罩篷的 风荷载要比东罩篷的大，罩篷立面迎风面都是正压，在所有风向角下罩篷上、下表面基本都是负压，负压分布的局部 最大值通常出现的迎风罩篷上表面的前缘和下风向罩篷上表面的后缘部分。建议对于有上、下表面围护结构的建 筑应分别按内、外风荷载体型系数设计。 ［关键词］ 体型系数； 刚体模型； 风洞试验； 风向角； 风压分布
将上述时间平均压力 P珔、瞬时最大压力 P^ 、瞬时最 小压力 Pˇ 和压力脉动均方根值换算成下面 4 种压力系 数：时间平均压力系数 CP = （ P珔－ P0 ） / q；瞬时最大压力 系数 CP^ = （ P^ － P0 ） / q；瞬时最小 压 力 系 数 CPˇ = （ Pˇ － P0 ） / q；均方根值压力系数 CP′ = σ / q。其中 σ，P0 和 q 分别为模型上测得的脉动压力的均方根值、来流静压 和参考高度处的动压。试验中将 206mm 高度处，即相 当于全尺寸时罩篷的标高 51. 5m 处的风速作为参考 动压。
（1 Guiyang Jinyang Construction Investment Co. ，Ltd. ，Guiyang 550001，China； 2 China Aviation Planning and Construction Development Co. ，Ltd. ，Beijing 100120，China） Abstract：The roof of the main stadium in Guiyang Olympic Sports Center is composed of east and west roof like ox horns， and prestressed oblique in-plane truss lattice with maximum cantilever of 49m is adopted. The mean pressure coefficient， mean shape coefficient of the wind load and the wind pressure distribution on the roofs were obtained by the wind tunnel test of the rigid model and compared with the results of the local code. The effects of wind direction on the mean pressure coefficient and mean shape coefficient were researched in detail. The results indicate that the wind load of west roof is larger than that of east roof at most wind directions. The mean wind pressure on the windward profile is positive，while that on the outside and inside surfaces of roof is negative basically. The local maximum negative wind pressure distributes on the front edge of windward roof and the back edge of leeward roof generally. It is suggested that the roof cladding system with the inside and outside surfaces bearing wind load meanwhile should be designed according to the shape coefficients of the inside and outside surfaces respectively. Keywords：shape coefficient； rigid model； wind tunnel test； wind direction； wind pressure distribution
பைடு நூலகம்
0 引言 贵阳奥体中心 主 体 育 场 罩 篷 工 程 由 东 、西 两 个 呈
牛角造型的罩篷构成（ 图 1） ，两个罩篷形状类似，但尺 寸不同，西罩篷尺寸较大，最高点标高为 51. 5m。罩篷 钢结构沿纵向长度约为 283m，沿径向（ 悬挑方向） 长度 约为 66m，在屋面中部区段设置支撑构件，与看台结构 连接，由支撑算起的结构最大悬臂长度为 49m；东看台 屋面钢结构沿纵向长度约为 263m，沿径向（ 悬挑方向） 长度约为 43m，体育场东侧有与体育场罩篷高度相当 的土坡。
图 3 不同风向角时的平均风压系数
在计算建筑物 表 面 风 压 时，荷 载 规 范 中 的 高 度 系 数 μz 应该用高度换算系数 γ 来代替，同时，不再考虑 建筑物表面的测点位置随高度的变化。风洞试验给出 的时间平均压力系数（或简称平均压力系数） CP 与 γ 的乘积即等于荷载规范中的高度系数 μz 与体型系数 μs 的乘积，即 γCP = μz μs 。
根据模型的特 点，试 验 中 定 义 当 风 从 北 面 吹 来 时 为风向角 β = 0°，顺时针方向为正，进行了风向角从 β = 0°到 345°间隔 15°、共 24 个风向角的试验。 2 试验结果分析 2. 1 不同风向角下各测点平均风压系数
在罩篷主体钢 结 构 设 计 中，通 常 使 用 的 体 型 系 数
从建筑物高宽 比 的 角 度 来 讲 ，主 体 育 场 属 于 低 矮 建筑。按 1∶ 250 的实物缩尺比设计三维几何模型，用 ABS 材料和有机玻璃制作了体育场的刚性测压模型及 其东侧的土坡，见图 1。由于东西两个罩篷立面是不
* 贵州省科技厅工业攻关项目（ ［2010］3002） ，贵阳市科技局工业攻 关项目［2010］。 作者简 介： 吴 军，硕 士，高 级 工 程 师，总 经 理，Email： yy8033 @ 126. com。
6但罩篷顶面的前缘基本为负压在罩篷中央大面积风压很小接近于零西罩篷位于下游端的顶面局部负压最大值约为180风向角时东看台迎风正立面形成局部正风压在90时正风压体型系数峰值较小约90风向角时即风从东看台方向的东北角吹向西看台过程中在风向下游的西看台罩篷中部形成最大风压负压区90时风从完全正面吹向西看台时西看台罩篷中央形成两个峰值较大负压区但其峰值都较小仅90过程中西看台罩篷悬挑端一直为负风压但风压较小其最大值仅为5远小于中央区负风压