开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究

开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究

贾永新张勇

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

摘要：历次风灾表明，轻钢低矮房屋（如开敞式拱形波纹屋盖仓库）在风灾中破坏尤为严重。因此，本文通过对几种常见的工程参数组合下的开敞式金属拱型波纹屋盖结构进行系统

的单参数及正交试验分析，得到这类结构屋盖上的风压分布规律，以及对此类结构体型系数影响显著的参数，然后参照我国现行《建筑结构荷载规范》，给出这类拱形波纹屋盖结构的体型系数，从而为修订新的荷载规范积累资料和方便设计施工人员参考使用，在减少风灾对

人类造成的损失方面具有实际意义。

关键词：开敞式，拱型波纹屋盖结构；正交分析；风压分布；体型系数

Study on Wind Pressure Distribution And The Shape Coefficient of

Open-style Arched Corrugated Roof

Jia Yongxin , Zhang Yong

（School of Civil Engineering and Architecture，Beijing Jiaotong University，

Beijing 100044，China）

Abstract: In this paper, through the single parameter and orthogonal test analysis of the open-arched corrugated metal roof structure under several common parameter combination, obtained such structure distribution of wind pressure, as well as the parameters of affecting such structures’shape coefficient significantly. Finally, reference to the China's current "Building Structural Load Code", gives the shape coefficient of such structure, In order to accumulating the information for the code Amendment and providing convenience for designers.

Keywords：open-type; arched corrugated steel roof; orthogonal analysis; wind pressure

distribution; shape coefficient of building

1.引言

拱形波纹钢屋盖是一种冷弯薄壁空间钢结构，以其用

钢量小、造价低廉、施工速度快、防水性能好及造型优美

等突出优点，而具有良好的经济效益和应用前景。近年伴

随着《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》的颁布实施，此类

屋盖在我国的应用也日趋增多。实际工程中，拱形波纹钢

屋盖结构已大量用于农贸市场、站台罩棚、货场罩棚等开

敞式建筑中，这类建筑规模通常都很大，由于其跨度较大，

截面厚度尺寸小、自重较轻，柔性大、自振频率低等特点，加之这类结构多处于大气边界层中风速变化大、湍流度高的区域，因此对风荷载十分敏感。风的强大吸力以及脉动风在屋盖上引起的振动，如果细节处理不当就会导致整个屋面板出现局部失稳乃至整体失稳而破坏。而现已颁布实施的《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》（CECS167:2004）也在总则中明确规定规程仅适用于封闭式建筑的拱形波纹钢屋盖结构的设计，其根本原因在于现行《建筑结构荷

载规范》只提供了圆柱面封闭状态下拱屋面在横风向作用下的体型系数，而对开敞式拱形波纹钢盖这类抗风敏感的结构体系，规范对其型系数及风振系数并没有作出明确规定。已有研究结果和这类结构遭受的多次风灾害事故表明，其体型系数的值也和落地封闭拱的有较大差别，最不利风向角也不一定在横风向（沿跨度方向）作用下。国内外对这种结构在没有围墙的开敞式建筑中的抗风性能研究基本还处于空白。因此在工程设计时，如果仍沿用传统结构的抗风设计理论体系，一方面可能造成不必要的浪费，另一方面也不排除某些未预见到的隐患。为了保证这类结构的抗风安全性、适用性和可靠性，提高其抗风设计的科学性、经济性和合理性，对这类结构进行工程结构抗风研究和设计，对风荷载进行仔细的分析和计算，完善《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》，从而为其抗风设计提供依据。这在我国现行的国民经济条件下，扩大这类屋盖应用范围，具有现实意义。 2. 研究方法和内容

本文利用CFD 数值模拟技术对开敞式拱形波纹钢屋盖结构进行了多参数数值风洞模拟分析。由于影响这种结构风压分布和体型系数的参数较多，在研究过程中不能把所有的单参数都分别作考虑，否则，分析的结果没有明显的规律性。结合实际工程对建筑和结构各个方面的要求和限定，首先对柱高（4m ，7m ，10m ）、柱距（6m ，9m ，12m ）两因素进行了单参数分析，从中确认这两个参数对屋盖结构的风压分布影响不大，然后确定了影响风压分布的三个主要参数：跨度（21m ，24m ，27m ）、、矢跨比（0.1，0.3，0.5）、和纵跨比（1，1.2，1.5），进行三参数三水平正交试验分析。本文最后从正交试验大量的计算结果中分析整理出此类结构上风压的分布规律，进一步明确了对此类结构分压分布影响显著的参数，并参照我国现行《建筑结构荷载规范》的形式，给出了开敞式拱形波纹屋盖结构的风荷载体型系数。 3. 数值计算模型

对此类工程的风压系数分布，四周开敞，只考虑模型上部的波形钢屋盖部分。采用B 类地貌，相应的粗糙度系数16.0=α，作者查阅GBS0001-2001建筑结构荷载规范，在我国内陆50年一遇的基本风压≤0.5 2

m /kN 的地区，占74．66％左右，因此，取相应的基本风速0v =30.0m/s ，对于实际工程具有较大实用意义。

本文参照文献【3】的结论，采用RNG κ-ε模型来模拟这一典型钝体结构绕流的复杂流动特性，数值计算的模型尺寸、来流边界条件等具体参数见表1。

表1 基本数值模型参数设置