建筑结构抗风设计

体育场网架屋盖结构风振浅析

XXX

（学校，南京，210016）

摘要：伴随着的材料科学发展和土木工程施工工艺的进步，新建的体育场看台多用外形美观、结构新颖的大跨度柔性结构方向发展，这不仅满足了结构使用功能的需要，同时也给观众提供了开阔的视野。大跨度网架屋盖结构在风荷载下会受到强大的吸力，并引起柔性屋面的振动。本文简要介绍了大跨结构表面风压分布特征，风致破坏机理和风洞试验在大跨屋盖结构的应用。

关键词：大跨网架屋盖结构；风致破坏；风洞试验

A Brief Analysis of Study on Wind Induced Dynamic Response

of Long Span Grid Roof Structures

XXX

( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics, Nanjing, 210016, China)

Abstract：Along with the development of science and technology，the stands of stadium are often covered with long—span flexible roof structures with beautiful shapes and new structural systems.It not noly meets the function of use,but also provide the audience with good view.When wind flows around roofs,the airflow will be separated to form a high suction zone，and the flexible roofs will suffer from wind—induced buffeting response.The article made a brief introduction of the issue

Key words：Long-span grid structures；wind damage；wind tunnel test

引言

风灾是自然灾害的主要灾种之一，虽然其作用幅度比一般地震荷载小，但其作用频度却比地震荷载高得多。随着结构规模的增加，风荷载变得越来越重要，以至于最后成为结构设计中控制性荷载，近年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构，在这些重大工程的设计中，强风作用下结构的风荷载往往决定着结构的安全性能。典型的实例是大跨度网架屋盖结构，此类结构不断出现在体育场馆、机场、文体活动中心和展览馆等大型公共建筑中。国内著名的大悬挑屋盖体育场有上海虹口足球场、青岛体育中心、上海八万人体育场以及台州体育中心主体育场等，国外实例有意大利罗马体育场、美国亚特兰大奥运会主体育场、加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场等。此类建筑造价颇高，作为公共建筑，社会效益显著，多为当地标志性建筑。

此类体育场屋盖具有质量轻、跨度大、柔性大、阻尼小、自振频率低的特点，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，再加上屋顶形状多不规则，绕流和空气动力作用十分复杂，风在体育场内形成了一个大的三维空间的非定常湍流场，体育场内风流动的机理很复杂，所以这种大跨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。大跨网架屋盖柔性大的特点决定了它必须考虑静风荷载以

及风振惯性力的影响。结构的静力风作用机理比较简单，结构的动力风作用机理则非常复杂，包括风致振动与自激振动两部分。结构的风致振动主要是脉动风引起的抖振、尾流(漩涡脱落)与湍流引起的顺风向、横风向振动和扭转振动。结构的自激振动是由于结构的运动使得风相对于建筑物的速度改变。造成风力随结构振动速度的变化而变化。这种由于建筑

物的运动而产生的附加动荷载称为空气动力阻尼，空气动力作用改变了结构在振动过程中

的阻尼力(该力为结构运动速度的函数)。当结构受到的总阻尼力(即结构的阻尼力与空气动力阻尼之和)为负值时，结构的风自激振动就会趋于发散，即振幅越来越大，最终导致结构的破坏。无论是何种类型的来风，作用在建筑物上的风只是靠近地面流动的风，从作用位

置来分又称为近地风。由于近地风靠近地面，其流经地区的地形和地貌不同，又加上风本

身的变化，从而使得在不同空间和时间，风的流速和流向都是不同的，因此近地风对建筑

物的作用具有明显的随机性和紊乱性

由风引起的强大吸力以及脉动风载在柔性屋盖结构上引起的振动，常常会使屋盖遭受

破坏。由于忽略风荷载的作用而使大跨屋盖结构受损的例子在现代建筑史上屡见不鲜。著

名的台风如1988年8月8日的8807号台风造成杭州市体育场屋顶严重损坏；1994年8月21日的9417号台风造成温州市屋面严重受损；2008年北京邮电大学体育馆屋顶被大风刮跑；2012

年4月长春一体育馆屋顶铁皮被掀开。这些破坏实例表明，大跨屋盖结构比主体结构更容易发生风致破坏，因此探讨其风荷载的分布规律和风振响应特性以保证结构的抗风安全具有

非常深远的意义。

1.体育场大跨屋盖结构的主要形式及其表面风压分布特征

目前，国内外常见的体育场屋盖结构形式主要有空间网架结构、网壳结构、悬索结构、薄膜结构、索膜结构以及组合结构。屋盖形状通常以弧形屋盖为主。体育场馆等大型公共

设施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

及体型系数，对屋盖材料的选择和整体屋盖设计都至关重要。但是由于体育场内风流动的

机理很复杂，这种形式的屋盖的风压分布通常采用刚性模型和气弹性模型在风洞内进行实

验研究，以期得到它的风压分布规律。国内外对此类屋盖已经做了许多风洞试验，有了较

为广泛的研究。

加拿大西安大略大学对意大利都灵体育场进行了屋盖刚性模型风洞试验研究[1]。该体

育场基本上呈椭圆形平面，东西平面距离290m，为预应力斜拉屋盖。其静压力系数有如下

几点主要的特征：

(1)平均压力系数一般较小，其最大者约为0．5；

(2)脉动风压较大，其最主要工况的峰值荷载为平均风压的5倍；

(3)屋盖平面前缘荷载最大。

参考已有的大量实验研究可以看出，体育场屋盖的几何形状对屋盖表面风压分布有重

大影响。屋盖形式不同，其表面风压分布就会产生很大区别。即使屋盖整体形式相似，但

由于其局部构造和屋盖坡度的不同，其局部或整体风压分布仍可能有较大差别。文献的研

究表明，屋盖风荷载主要集中在屋盖悬挑部分，尤其是前缘处，前缘的负压最大且变化剧