大型体育场看台罩棚抗风研究

1.3风荷载获取方法
获得风速时程的途径主要有三种：现场测量记录、风洞试 验、数值风洞。目前，记录风速数据量大、持续周期长、费用 大、精度受测试条件和仪器误差的影响大，应用于实际工程还 不能普遍实现。现在常用的方法是风洞试验和数值风洞。
风洞试验
风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法。结构的模 型试验相对简单，而流动则是低紊流流动，需考虑流动的压缩 效应等等。除了风场模拟外，模型和试验设备及试验技术也是 风洞试验的重要方面。近年来，试验设备及数据采集和处理系 统的发展使得风洞试验在土木结构抗风中有了更广泛的应用。 然而结构风洞试验还存在很多重要的基本问题有待深入研究。 比如风洞中模拟的紊流度难以达到实际值，特别是紊流尺度相 似更难以模拟；在进行复杂地形风场特性试验时，通常受到堵 塞率等因素的影响。
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大型体育场的卓越性能不仅表现在三维受 力，而且还在于它们通过合理的曲面形体来有 效抵御外荷载的作用。类似这种大悬挑看台罩 棚的体育场，其规模通常都很大，而且这类结 构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变 化大、湍流度高的区域，这种屋盖对风荷载十 分敏感，风荷载成为其设计的主要控制荷载。 风的强大吸力以及脉动风荷载在屋盖上引起的 振动，常常会使屋盖遭受破坏
(2)内外压力共同作用 体育场相当于敞开结构，其上下表面均受到风荷载作用， 屋盖的风压计算应同时考虑上下表面的风压叠加。一般说 来，体育场上下表面均受到吸力作用，即屋盖的上表面受 到的风压方向向上，而下表面的风压方向向下，净风荷载 应小于只考虑上表面风压的计算荷载。但是在某些风向角 下，屋盖的某些部位上下表面风压方向会一致，这会使得 结构的受力状况发生大的变化，容易造成屋盖的破坏。 。 (3)屋盖结构在风荷载作用下的动力效应 体育场看台屋盖通常是大跨度的悬臂体系，具有质量轻、 柔性大、阻尼小等特点，结构的自振周期与风的卓越周期 较为接近，因此在风荷载作用下容易发生风振破坏
大型体育场看台罩棚抗风研究
报 告 人： 指导老师：
1 前言
近年来，随着科技的发展，新颖的结构形 式不断出现，各种轻质高强的新型建筑材料不断 涌现，施工工艺也在不断的创新完善。与之相伴， 各种大跨度悬挑屋盖结构不断出现在大型体育场 馆、会议展览馆、机场机库、大型娱乐场所等公 共建筑中。国外如意大利罗马体育场、美国亚特 兰大奥运会主体育场等，国内如上海八万人体育 场、上海虹口足球场、青岛体育中心及杭州黄龙 体育中心主体育场等，此类结构体系可反映国家 建筑科技水平，往往成为所在地的标志性建筑和 人文景观。
风荷载作用下，导致体育场屋盖结构破坏的原因 很多，但是总的来说有以下三点： (1)流动分离 风荷载作用下，体育场通常承受很大的负压。当 气流从正面吹向屋盖时，在上表面形成分离泡，屋盖 上表面有一个从前缘延伸的负压区域，而在屋盖下表 面的结构及主看台的影响均抑制了屋盖下表面的分离， 这样在它上下两个表面的合成荷载效应成为一个向上 的升力，从各种形式的屋盖风压分布可以看出，凡是 负压特别高的区域，总是有流动分离现象产生，特别 是屋盖边缘等几何外形突变的部位，常产生流动的分 离和再附。可以说，由于几何外形的突变而引起的流 动分离是导致屋盖破坏的最普遍原因。
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从各工况位移值可以看出，本工程大 跨度悬挑结构属于风敏感结构，在所有的 位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移 均由风荷载工况控制。地震作用下产生的 位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构 的刚度完全可以满足要求。因此要注意重 点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控 制。刚架挠度由恒载及活载标准组合控制， 其挠度也符合规范要求。
屋盖在不同风向下最大位移点出现位置与 180°风向角下的最大位移点位置相比，出现位 置不是相同就是近似，只是数值上有所差别， 屋盖结构振动特点也基本相同。本屋盖结构各 分区不同风向下风振系数相差不大，风振系数 在2.0 左右。根据式⑴可得到屋盖表面的风荷载 标准值。
式中：β z为结构风振系数；m H为高度转换系数； Cp为屋盖表面风压系数。
根据屋盖各静风压 标准值乘以节点的控制 面积再投影到竖向进行 叠加，即可得到屋盖在 各风向角下的平均总风 力，该风力直接影响屋 盖结构的整体设计。图3 给出了各个风向下西看 台平均风力随风向变化， 可知屋盖在大多数风向 下风力表现为吸力，且 结构在180°附近看台受 到的平均风吸力最大。
从图4～5 可见, 在180°风向下西看台 屋盖在迎风处有明显 的气流分离区，因而 此处脉动风压均方差 最大，且局部负压很 大，同时此部分为悬 挑区域，刚度较弱。 因此这里应是屋盖结 构振动较强烈部分； 屋盖背风处表面风压 都表现为负压，且风 压数值和脉动风压均 较小，这说明气流在 此处无明显气流分离 现象，流场变化比较 平稳。
1.2体育场看台罩棚的主要形式和风致破 坏机理
国内外常见的体育场看台罩棚结构形式主要有空间网 架结构、空间桁架结构，网壳结构、悬索结构、薄膜结构 以及组合结构，屋盖形状通常选择具有独特造型的弧形屋 盖以满足美观的要求，其局部风压系数、屋盖内外压力及 体型系数对屋盖的设计至关重要，但是由于体育场内风流 动的机理很复杂，屋盖的风压分布以前通常采用刚性模型 和气弹性模型在风洞中进行试验研究，以得到它的风压分 布规律
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广西钦州体育场造型新颖，酷似海边飘带，包 含东、西两看台，看台下部为钢筋混凝土框架结构， 上部采用大跨度悬挑钢结构。体育场西看台屋盖南 北长近300m，最宽处39m，屋盖钢结构支承在高 差悬殊的混凝土结构上。
屋盖大看台 部分采用大跨度 悬挑钢结构，屋 盖支撑在高差悬 殊的混凝土结构 上，形成了支座 独特的支座结构， 即前锥型-后V 型 支撑结构，屋盖 由于跨度大、悬 挑部分较长，属 于风敏感结构。 我国现行《建筑结构荷载规范》无明确其抗风设计规定，没有给 出风振系数相应的数据和计算方法。本文结合风洞试验结果对体育场 钢结构的风荷载和风振响应进行了分析，并在此基础上对结构进行了 抗风设计。
按钢结构规范要求， 设计控制挠度是以标准组 合下的位移为依据，经计 算，西看台钢结构模型最 大挠度值：
小于挠度控制指标1/400， 满足规范要求。
计算结果表明，在各 工况中对结构影响最大的 是风荷载，其次是恒、活 载；风吸荷载对竖向向上 的位移影响最大，起决定 性作用。风吸力引起的z 向 位移为正向上，说明结构 抵抗向上风吸力的刚度小 于抵抗向下的刚度，需要 构造增加抵抗风吸、风压 杆，结构主单元构造如图 10 所示。 从各工况位移值可以看出，本工程大跨度悬挑结构属于风敏感结构，在 所有的位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移均由风荷载工况控制。地震 作用下产生的位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构的刚度完全可以满足 要求。因此要注意重点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控制。刚架挠度 由恒载及活载标准组合控制，其挠度也符合规范要求。
为方便 设计，综合考 虑各个风向角 下结构风振系 数， 给出屋 盖各分区等效 最不利正风荷 载和最不利负 风载标准值， 如图8～9 供 屋盖钢结构整 体计算分析使 用。
4 屋盖钢结构整体计算分析
屋盖整体计算模 型能准确地反映上部 钢结构以及钢结构和 混凝土连接界面的构 件在重力、地震、风、 温度等各种荷载作用 下的受力特性。结构 在风荷载和水平地震 作用下的计算结果均 以屋架悬挑桁架最不 利的端部上部节点考 察，见表1。
5 结语
根据结构模型及风洞试验结果，对结构进行了风振响应分 析，给出了风振系数建议值，并在此基础上对结构进行了整体 计算分析，结论如下： ⑴ 屋盖结构在大多数风向下受风吸力作用，且在180°附近风吸 力最大。 ⑵ 综合考虑各个风向角下结构的响应及风振系数，给出结构的 等效风荷载标准值供结构设计使用。 ⑶ 屋盖大跨度钢结构属于风敏感结构，主要由风工况控制，构 件挠度由恒载及风荷控制。 ⑷ 结构在风荷载作用下悬挑部分向上的位移较大， 可见结构抵 抗向上风吸力的刚度小于抵抗向下的刚度，需要构造增加抵抗 风吸、风压杆。
2 结构基本参数及风荷载特性
取钦州市地区100 年一遇的风压为0.75kN /m2， 结构所处环境为B 类地貌，按1 ∶ 250 的比例制作了风 洞试验模型（如图1），试验时考虑了36 个风向角的 影响，如图2。计算试验风压系数时已转换到以屋盖顶 部高度42.8m 为参考高度， 在屋盖结构的上下表面皆 布置了风压测点。
3 风致动力响应分析及风振系数
选择180°风向角对结构进行风振响 应分析，图6 给出西看台屋盖结构位移响 应的最大点位置，并进行谱密度分析，如 图7 所示。由图7 中屋盖最大位移点对应 的位移响应和谱密度曲线可以看出， 响应 的能量主要集中在1.9~2.2Hz，其分别对应 结构的前4 阶振型，而低频部分主要是风 的背景响应， 这表明大挑篷屋盖位移响应 以前几阶振动为主， 这说明西看台屋盖结 构的风致振动受低阶振动影响较大。