一、引言

嘉兴市体育场（图1）是一座大型综合性体育场，为嘉兴体育中心的第一期工程，可容纳观众35000人，建筑面积为5.5万m^２。体育场采用椭圆形双轴对称布置方式，屋盖支撑体系为钢桁架和钢桁架巨型拱结构，屋面为球面造型，折板形状，采用的是PVC聚脂膜材料，剖面如图2所示。我国荷载规范^[1]对于这种造型独特的体育场屋盖结构的风荷载计算缺乏相应的体型系数。因此为了保证该体育场结构设计的安全、经济、合理，有必要进行该体育场屋面风压测定的风洞试验，即按相似原理的要求，在模拟大气边界层流场的风洞中进行模型试验，测定建筑物表面风压和体型系数。

图1 嘉兴市体育场风洞试验模型

图2 体育场剖面示意图

二、试验简介

1．试验设备

试验在CGB－1建筑风洞中进行，该风洞为串联双试验段回流式中性大气边界层风洞。该风洞有两个试验段，大试验段为闭口式，长10米，宽3米、高2米，小试验段长9米，宽1.2米，高1.8米，本次试验在大试验段完成。

考虑到嘉兴市以及该体育场周围的地形、地貌特点，按结构荷载规范^[1]确定该建筑所在地为B类地貌，即地貌粗糙度指数。在风洞中采用挡板、尖塔和粗糙元模拟技术，图3和图4分别为风洞模拟的风剖面和湍流度，可以发现该风场符合B类地貌的要求。本次模型试验得出的风压系数可以直接应用到实际的建筑中。

图3 风洞模拟的B类大气边界层风速剖面

图4风洞模拟的B类大气边界层湍流度剖面

在风压测量、记录及数据处理系统中，由美国Scanivalve扫描阀公司的机械扫描阀、A/D数据采集板、PC机以及自编的信号采集及数据处理软件组成风压测量、记录及数据处理系统。

2．试验模型和试验工况

嘉兴市体育场风洞试验模型采用ABS材料压模制成，模型缩尺比为1∶200。模型的总高度约为0.27m，纵向长约1.4m，横向长约1.3m。

由于该体育场具有双轴对称性，因此取四分之一的屋面布置风压测点，屋面上表面布置183个测点，屋面下表面也布置183个测点，共布置366个测点。上表面的测点与下表面对角布置，下表面的测点旋转180°后与上表面完全重合，其具体位置如图5所示。图5也给出了试验风向角的定义，在风洞试验时，每个风向角为一个工况，风向角变化间隔为15°，试验测压风向角从0°～360°共24个工况。

图5 试验模型测点位置和风向角示意图

3．数据处理

本次模型试验中各测点风压系数的计算方法系按目前国内外风工程惯用的方法，即按下式计算：

Cp_i＝P_i－P_∞/0.5pV^２_∞ （1）

式中：Cp_i是建筑物表面某测点i的风压系数；P_i是测点i的风压值；Ｐ_∞是参考点静压力值；Ｖ_∞是参考点的风速，对于本次试验V_∞＝9.8m/s，参考高度为风洞高度1m，相当于实物高度200m。

由风洞试验得出的i测点位置处的风压计算公式为：

Ｗ_i＝ＣP_iＷ_r （2）

W_r为试验参考点所对应的实物上的压力，若引入r高度的风压高度系数μ_zr，则上式为：

Ｗ_i＝ＣP_iμ_zrw₀ （3）

式中w₀为基本风压，该体育场50年一遇的基本风压取为0.5kN/m^２。根据荷载规范^[1]的规定，在计算承重结构时，风压标准值可采用下式计算：

Ｗ_k＝β_zμ_sμ_zw_０ （4）

式中β_z为风振系数，μ_s和μ_z为体型系数和风压高度系数。式（3）中的W_i相当于已经包含了风压高度系数和体型系数，即风压标准值也可以采用下式计算：

Ｗ_k,_i＝β_zＷ_i＝β_zＣ_piμ_zrw_０（5）

对于围护结构，规范^[1]建议采用下式计算：

Ｗ_k＝β_gzμ_sμ_zw_０ （6）

式中β_gz为阵风系数，但是规范又指出“由于考虑到近地面湍流规律地复杂性，在取得更多资料以前，规范暂时不明确低矮房屋围护结构风荷载地具体规定”。

实际上，由于风洞试验时风洞流场已模拟了大气湍流，因此围护结构的风荷载可以采用风洞试验中得到的脉动风压系数来考虑，即

~Cp={^{Cpmax＝Ｃpmean＋３Ｃprms}

              _{Ｃpmin＝Ｃpmean－３Ｃprms}

脉动风压系数Ｃpmax和Ｃpmin相当于已包含了阵风系数βgz，因此将式（3）中的风压系数的平均值采用式（7）的脉动值代替即可用来计算围护结构的风荷载标准值。即围护结构的风荷载标准值为：

Ｗ_k＝~Ｃ_pμ_zrw_０ （8）

在计算中，需考虑脉动风压的最大正值（压力）和最大负值（吸力）。

4．风压合力的计算

由于该体育场屋面属于敞开结构，其上下表面同时受到风荷载作用，因此在设计中，需考虑上下表面的风压差作为风载作用于屋面钢结构。在具体的数据处理过程中，对于平均风压，直接采用上表面测点风压系数的平均值减去对应下表面测点风压系数的平均值作为风压合力系数的平均值。对于脉动风压，采用上下表面的平方和开方法计算合风力系数的均方根值。

即采用下面的式子计算：

Cpmean＝Ｃpmean,up－Ｃpmean,down（9）

Cprms＝(Ｃ^２prms,up－Ｃ^２prms,down)^-2（10）

式中Cpmean，up和Cpmean,down分别为上、下表面风压系数的平均值；Cprms，up和Cprms,down分别为上、下表面风压系数的均方根值。

三、试验结果分析

1．大跨屋面钢结构的抗风设计参数

屋面钢结构作为主要承重体系，其风荷载的计算应按照公式（5）来计算。由于体育场为敞开体系，因此采用风压差作为设计值，即按公式（9）来计算风压差系数。分析试验结果，可以发现最大正风压（向下作用）主要出现在屋面的端部，而屋面中央区域无正风压；最大负风压（向上作用）则出现在屋面的中央区域。进一步可得，该屋面结构的最不利风向角为180°（最大正压工况）和330°（最大负压工况，最大不对称荷载工况）。为了便于结构抗风设计，将该上述两个风向角下各测区的风压值表示于图6中，供设计参考。图中所示的风压值为局部分块风压，只要乘以风振系数即为风压设计的标准值，单位为kN/m^２。

2 屋面围护结构的抗风设计参数

对于屋面围护结构的风荷载，应按照公式（8）进行计算。由于体育场为敞开结构，其风压差系数的平均值和脉动值采用公式（9）和（10）进行计算。屋面各位置出现最大正风压差和负风压差的数据见表1，详细数据可参考文献2。

表1 考虑脉动时屋面的最大正、负风压差（kN/m^２）

四、结论

本文以嘉兴市体育场为研究背景，采用风洞试验方法研究了其复杂形体屋面的设计风压值，有以下几点结论：

1、本次试验风洞流场的风速剖面和湍流度分布与理论上要求的α＝0.16地貌吻合很好，保证试验结果提供正确的风压。

2、 对于像体育场这样的敞开结构，由于上下表面均受到风压作用，因此应该采用风压合力作为的风荷载的设计取值。

3、嘉兴市体育场屋盖主体承重结构在计算时，最不利的风向角为180°（最大正压工况）和330°（最大负压和最大反对称风压工况）。

4、在围护结构的设计中，由于规范对低矮房屋的屋面并没有明确的规定，因此宜采用风压脉动值作为围护结构的风荷载标准值。

参考文献

［1］GB50009－2001建筑结构荷载规范

［2］浙江大学土木系, 嘉兴市体育场风洞试验报告, 2003