马文勇，李晓娜，刘庆宽，齐澎波

（1.石家庄铁道大学风工程研究中心，石家庄 050043；2.海军工程设计研究院，北京 100070）

局部开口对封闭柱面网壳风荷载影响

马文勇1，李晓娜1，刘庆宽1，齐澎波2

（1.石家庄铁道大学风工程研究中心，石家庄 050043；2.海军工程设计研究院，北京 100070）

局部开口对封闭大跨度空间结构风荷载影响很大，通过刚性模型测压风洞试验对底部和顶部有局部开口的两端封闭三心圆柱面网壳结构的风荷载分布进行了研究，对比不同开口状况下结构的力系数及风荷载分布，给出了局部开口对风荷载及其分布的影响规律，如强负压区的局部开口能有效的减小结构表面的风吸力，而正压区域的局部开口会增大结构表面的风吸力，这些规律为类似结构的抗风设计及防风措施提供了合理的建议。

封闭圆柱面网壳；局部开口；风洞试验；风荷载分布；防风措施

三心圆柱面单层网壳广泛应用于工业加工和存储结构，如电厂储煤等［1］。为了满足工艺、运输及室内工作环境的要求常需要对结构局部开口，另外在使用过程中该类结构也存在着不同开口组合开放的情况。

三心圆柱面或者穹顶结构的风荷载分布规律比较复杂［2－5］。圆弧形结构表面流体分离形态复杂，局部开口不仅对结构表面形状的影响大，流体流动状态也会发生明显的变化，对风荷载有很大的影响，如两端的封闭状况与底部开口的影响［6］、顶部开口（换气孔）以及底部门窗对风荷载影响［7］、风向与局部开口的位置关系的影响等等。在结构的实际使用过程当中，各种局部开口的组合使得不同工况下风荷载分布规律更加复杂，需要进一步试验和理论研究。

本文通过刚性模型测压风洞试验对底部和顶部有局部开口的两端封闭三心圆柱面网壳结构的风荷载分布进行了研究，对比不同开口状况下结构的力系数及风荷载分布，给出了局部开口对类似结构风荷载及其分布的影响规律，并为类似结构的抗风设计及防风措施提供了合理的建议。

1 试验概况及数据处理

1.1 模型简介

本文针对一两端1／4球壳封闭的三心圆柱面网壳储煤结构进行分析，同时考虑常见发电机组及运煤通道（周边干扰建筑）的影响。

图1为试验模型的基本概况，结构纵向长度为380m，其中两端的1／4球壳半径为60 m，中心三心圆柱面网壳长度为260m，结构横向宽度120m；三心圆柱面由R＝30m和R＝70m两种半径的圆弧组成，总高40.4m，其中弧面部分高度38.6 m，底部有1.8 m高的挡墙；结构底部共开有M1～M8共8个门，尺寸为6m宽×5m高，顶部开有V1～V12共12个换气孔，面积为1.6 m宽×16 m长；为方便描述，本文中将换气孔称为顶部开口，将门称为底部开口。

图1（a）为场地概况及风向角，其中距离测试结构约150m处有两台发电机组（非对称布置），高度约30 m，共进行36个风向角测试，风垂直于结构长轴由无干扰模型方向吹来为0°风向角，风向角间隔为10°，逆时针增加。

图1 试验概况Fig.1 Experimental situation

1.2 试验参数

试验在石家庄铁道大学风工程研究中心风洞的低速试验段内完成，该试验段尺寸为24 m长×4.4 m宽×3m高［8］，试验采用刚性模型测压试验，几何缩尺比1∶200，采样频率312.5 Hz，地貌类型为A类。

图2为试验模拟的平均风剖面、紊流度剖面及zg高度处顺风向脉动风功率谱。其中U为顺风向平均风速、Z为高度，Zg取风洞中对应实际80m高度处。Ug代表Zg高度处顺风向平均风速。n为频率，Su为顺风向脉动风功率谱、σu为脉动风速均方根值、xLu为顺风向湍流积分尺度。

考虑六组局部开口的组合方式，编号为G1～G6

G1：M1～M8关闭；V1～V12打开；

G2：M1～M4关闭；M5～M8，V1～V12打开；

图2 试验风场参数Fig.2Wind parameters

G3：M5～M8关闭；M1～M4，V1～V12打开；

G4：所有开口打开；

G5：V2、V4、V6、V8、V10、V12关闭，其余打开；

G6：V1～V12关闭；M1～M8打开。

1.3 数据处理及参数定义

试验采用内外表面同步测压技术，如无特殊说明，下文提到的风压系数为净风压对应的结果。

采用无量纲的风压系数描述结构表面风荷载分布，风压系数定义如下：

其中：cpi（t）为风压系数，pi（t）为测点i处的风压，P0为静压平均值，Pr为参考点动压平均值，ρ为空气密度，Ur为参考点高度（10 m）处来流的风速平均值。cpi（t）的平均值称为平均风压系数，是本文中描述风荷载分布的主要参数。

风压及风压系数的方向规定如下，当风压沿结构表面方向远离结构时为负压，表现为风吸力，反之为正压，表现为风压力。

风压系数参数可以有效的描述风荷载的分布，为了进一步描述开口对整体风荷载的影响，本文采用体轴力系数衡量风荷载的整体变化：

按照测点数目将结构划分为n个区域，编号从i＝1到i＝n，每个区域的面积为Ai，式（2）中T可取x、y、z三个方向，其中cFx、cFy、cFz、表示x、y、z三个方向的力系数，θxi、θyi、θzi表示i个区域表面与x、y、z三个方向的夹角。坐标系定义见图1（a），z轴按照左手螺旋定则确定。

2 风荷载分布规律

2.1 局部开口对整体风荷载的影响

图3为六种局部开口下x、y、z三个方向的体轴力系数。可以看出，不同局部开口工况对x、y方向的力系数的影响较小，六种开口工况下仅关闭所有顶部开口的力系数与其他工况有较大差别，总的看来，关闭顶部开口后风的水平推力有一定的减小。

z方向体轴力系数对开口变化非常敏感，不同开口工况下力系数差别很大（见图3（c）），甚至会出现荷载方向上的变化。总体上来看，G1～G6六种工况下，竖向风荷载值逐渐减小，随着底部开口的打开与顶部开口的关闭，风荷载值由正值（压力）逐渐变为负值（拉力）；关闭底部开口时（G1），所有风向角下力系数为正值，表明结构整体承受向下的压力；而当所有底部开口打开时，结构整体承受向上的拉力，其中以底部开口打开，顶部开口封闭结构承受的拉力最大。

从风荷载从风向角的变化上来看，340°～350°风向角附近的风力较强，即干扰建筑位于结构背风面时，在y、z方向的风力都比较大，因此对于结构底部构件的设计，应以该风向角下的风荷载作为依据。

另外由于非对称干扰建筑的存在，结构力系数随风向角的变化图并不对称，干扰建筑对最大风荷载对应的风向角有一定的影响。

图3 不同方向的力系数Fig.3Wind force coefficients in different directions

2.2 局部开口对风荷载分布的影响

主要通过0°和90°风向角下受干扰模型影响较小的工况描述局部开口对风荷载分布的影响。

图4为0°风向角下不同工况的风荷载分布。其中等值线以风压系数值0.2为间隔，风压系数为0的部分采用黑粗线表示，从而将正压区域与负压区域区分开。从图中可以看出，不同的开口状况下，结构负压值与负压分布区域都有很大变化，G1工况下仅天窗打开，除去结构顶部小部分区域外，结构表面的风压均为正值，其迎风向正压最大，背风向次之；随着底部开口的进一步打开（部分打开G2、G3），负压区范围近一步增大，负压值进一步增强，其中底部迎风向开口负压区域大于背风向开口，但区别并不大；随着底部开口的进一步打开（所有底部开口打开G4），负压区范围继续增大，负压值继续加强；关闭部分顶部开口后（G5），负压值范围与强度并未有明显变化；关闭所有顶部开口后（G6），结构表面大部分区域为负压，仅迎风向小区域范围内为正压。

为进一步说明开口状况对风荷载分布的影响，图5给出了90°风向角下不同工况的风荷载分布。该风向角下的风荷载分布随开口状况的变化与0°风向角下的变化规律基本相同。但是从整体分布规律上看结构长轴方向中间部位的风荷载变化不大，是一个比较稳定的压力区域，两端的风荷载变化较大。

图4 0°风向角风荷载分布Fig.4W ind loads distribution at 0°wind direction

图5 90°风向角风荷载分布Fig.5W ind loads distribution at 90°wind direction

2.3 局部开口对内外表面风压影响

局部开口对风荷载的影响是通过外表面和内表面的风压共同作用引起的，因此本节通过G1和G6两种工况下的内外表面风压系数的分布说明局部开口对两者的影响规律。

图6和图7为G1和G6工况下的外风压系数和内风压系数。由图6可以看出，两种工况下外压体型系数分布规律、最大值、最小值都很接近，说明局部开口对结构外表面的风压影响很小。图7中G1工况下的内表面风压系数分布均匀，其值约为－1.0～－1.2之间，G6工况的内表面风压系数分布均匀，其值在－0.1左右。

由此可以看出，局部开口对风荷载的影响主要是由于开口对结构内表面风压的影响造成的，局部开口后结构内表面形成均匀的内压分布，不同开口时其内压值差别大。

2.4 局部开口对风荷载影响小结

从局部开口对总体力系数及风荷载分布的影响可以得到如下规律：

（1）局部开口对总体力的影响主要体现在竖向力上，其中当来流方向垂直与结构纵轴时，风荷载较大，受局部开口的影响也较大（见图3（c））；

（2）底部开口尤其是迎风向底部开口能显著增大结构的负压区域，其中开口的面积（即打开的门窗数量）也对风荷载有一定的影响；

（3）顶部开口可以显著的减小结构的负压区域以及负压值，但本文的两种打开面积对风荷载的影响差别不大；

（4）不同的开口组合形式，结构的风荷载差异很大，如当顶部开口打开，底部开口关闭时，结构总体竖向力向下，大部分区域表面风荷载为正值（即风压力）；当结构底部开口打开，顶部开口关闭时，结构总体竖向力向上，绝大部分区域表面风荷载为负值（即风吸力）。

图6 0°风向角外风压系数分布Fig.6 External pressure distribution at 0°wind direction

图7 0°风向角内风压系数分布Fig.7 Internal pressure distribution at 0°wind direction

3 类似结构抗风设计及防风措施建议

本文通过对六种不同开口组合的情况下风荷载的试验研究，给出了局部开口对两端封闭三心圆柱面网壳结构力系数及风荷载分布规律，给出底部和顶部局部开口对风荷载及其分布的影响，结合该影响规律，为类似结构抗风设计及防风措施提供建议如下：（1）对于细长类的柱面网壳结构，来流平行于纵轴时作用在结构上的总体风荷载较小，且分布比较均匀，因此尽量使结构纵向平行于该地区的主导风向；

（2）在结构设计中，在结构顶部（一般是负压最大区域）可均匀设置局部开口，底部均匀布置部分可开合的局部开口，这些开口不仅可用于满足工业工艺及其他要求，也可作为防风抗风的基本措施；

（3）类似结构的抗风破坏形式中风荷载掀翻结构屋面的案例很多，因此在强风来临时，保证顶部开口敞开，底部开口关闭的状态下（尤其是迎风向开口），结构表面的风吸力区域最小，风吸力最弱；

（4）底部开口与顶部开口同时打开的情况下，结构表面多数区域属于相对较弱的风吸力，因此在非强风状态下，这种开口形式对空气流动以及抵消结构屋面板本身的竖向荷载都是有利的；

（5）对于类似的局部开口的弧面封闭网壳结构，强负压区的开口能有效减小结构的表面的风吸力，正压区的开口会增大表面的风吸力，这可以作为类似结构抗风的基本规律。

［1］罗尧治.大跨度储煤结构：设计与施工［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］马文勇，刘庆宽，肖 彬，等.三心圆柱面网壳结构风荷载分布规律［J］.工程力学，2011，28（SUP2）：166－170.

MA Wen-yong，LIU Qing-kuan，XIAO Bin，et al.Wind pressure distribution on three centered cylindrical latticed shell［J］.Engineering Mechanics，2011，28（SUP2）：166－170.

［3］张攀峰，王晋军，陈明祥，等.穹顶结构表面平均压力分布及绕流结构数值模拟［J］.空气动力学学报，2010，28（1）：54－60.

ZHANG Pan-feng，WANG Jin-jun，CHEN Ming-xiang，et al.Numerical simulation on the flow around the dome and the mean pressure distribution［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，2010，28（1）：54－60.

［4］Faghih A K，Bahadori MN.Three dimensional numerical investigation of air flow over domed roofs［J］.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynam ics，2010，98（3）：161－168.

［5］Cheng C M，Fu C L.Characteristic of wind loads on a hemispherical dome in smooth flow and turbulent boundary layer flow［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2010，98（6－7）：328－344.

［6］马文勇，刘庆宽，肖 彬.典型拱形壳体风荷载分布规律［J］.土木建筑与环境工程，2011，33（5）：63－68.

MA Wen-yong，LIU Qing-kuan，XIAO Bin.Wind loads distribution on typical vaulted shells［J］.Journal of civil，architectural＆environmental engineering，2011，33（5）：63－68.

［7］Blessmann J.Researches on wind effects on domes in brazil［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1996，65（1－3）：167－177.

［8］刘庆宽.多功能大气边界层风洞的设计与建设［J］.实验流体力学，2010，25（3）：66－70.

LIU Qing-kuan.Aerodynamic and structure design of multifunction boundary layer wind tunnel［J］.Journal of Experiments in FluidMechanics，2010，25（3）：66－70.

Effects of local openings on w ind loads of an enclosed cylindrical latticed shell

MAWen-yong1，LIXiao-na1，LIU Qing-kuan1，QIPeng-bo2
（1.Wind Engineering Research Center，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Navy Design＆Research Institute，Beijing 100070，China）

The effects of local openings on wind loads of an enclosed large span spatial structure were considered.Wind loads distribution on an enclosed three-center cylindrical latticed shell with local openings was studied via a rigid modelwind pressure test in a wind tunnel.The wind force coefficients and wind loads distributions of the structure in different local openings cases were compared.The variation laws of wind loads distribution versus local openings were gained.Itwas shown that the suction on structure surface is decreased by the local openings of a strong negative wind pressure region whereas it is increased by the local openings of a positive wind pressure region.The results provided a suggestion for wind-resistant design and wind-resistantmeasures of similar structures.

enclosed cylindrical latticed shell；local openings；wind tunnel test；wind loads distribution；windresistantmeasures

TU312.1

A

国家自然科学基金青年项目（51108280）；河北省科技支撑计划项目（09215626D）

2012－08－13 修改稿收到日期：2013－03－23

马文勇男，博士，1981年生