某雕塑工程项目风洞试验介绍与设计应用

某雕塑工程项目风洞试验介绍与设计应用

管维平

乌鲁木齐建筑设计研究院有限责任公司  830092

摘要：《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012中规定房屋和构筑物体型不同时可参照表8.3.1采用不同的风荷载体型系数，但对于表中未列出的类别时，规范建议对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。本文就对一具体工程，利用风洞试验的结果进行分析和设计作出相关介绍。

关键词：风荷载；体型系数；试验；结果数据；设计应用

一、概况

本雕塑工程项目位于新疆维吾尔自治区北天山中段博格多山北坡的一山峰之上。主体为一尊高61.8米的塑像（模型见下图），下部龙头悬挑约7.0m，右臂衣袖处水平偏移约11.6m，且悬挑约15.2m；塑像基座21.80高，近圆形，直径25m，占地面积约490.0m2。外围附属用房围环绕塑像基座，依山势而建，结合山形围包，使其形成一整体。

结构设计的主体由内部主钢架结构及外部壁板蒙皮两部分构成。整个像体内部主钢架为钢框架-支承体系，按层数可分为20层，竖向及支承构件采用钢管，水平构件采用工字型型钢及钢管，其间设置安装、检修用提升设备，以及水平连通的廊道，结构部份钢材约重七百吨。

由于本雕塑项目体形复杂，所处山顶海拔较高，风荷载是其主要荷载之一，但《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012给出的体型系数已不能满足结构设计的要求。为了保证雕像的安全性、经济性和美观性，对其进行风洞试验是必要的。故要求业主方委托有资质和能力的单位进行了风洞试验，为结构设计提供可靠的依据。试验要求做360度的测压试验和测力试验，提供相应的体型系数，并测量顺风向与横风向的静风荷载，得到风振响应。测压试验要求不得低于500个测点，且在手臂和伸出的衣袖处应加密布置。

二、试验设备

风洞的原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在试验段的静止模型，测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象，并换算成风荷载作用。

本次测力与测压风洞试验在长安大学风洞实验室CA-1大气边界层风洞中进行。该风洞是一座回、直流两用型风洞，风洞洞体为钢和混凝土混合结构，试验段尺寸3m×2.5m×15m。风速0～53m/s 连续可调，均匀场紊流度<0.5％，风洞流场品质优良，直流电机功率为400千瓦。风洞试验在后转台进行，后转台直径2.0m，中心距试验段进口12.50m，用于桥梁模型或建筑物模型的测力或测压试验。

三、试验概况

1. 试验模型

风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值，它主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验确定。鉴于原型实测的方法对结构设计的不现实性，目前只能根据相似性原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。

本试验模型约105cm高，直径50～60cm，空心玻璃钢材质，为一刚体模型，具有足够的强度和刚度，在12m/s的试验风速下不发生破坏并且不出现振动，保证了测量的精度，模型的几何缩尺比为1/60。

2. 试验工况、测点布置

测力试验工况：0~360, 每隔15一个风向角，共24个工况。测压试验工况：0~360, 每隔15一个风向角，共24个工况。

雕像共分17个区域进行测压，模型分区如下图所示。全部单面测压，共设置254个测点。

模型测点分区示意图

四、试验结果

通过试验及相关计算后，风洞试验报告分别取得如下结果：

1. 不同风向角下各测点平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数；
2. 不同风向角下各测点10分钟平均最大风荷载；
3. 不同风向角下各测压点局部体型系数；
4. 所有风向角下各测点最大和最小平均风压系数及最大脉动风压系数；
5. 所有风向角下各测压点处最大极值和最小极值风压系数；
6. 瞬时风荷载，包括阵风风荷载、极值风荷载；
7. 分区体型系数、计算风压和基底内力。

五、设计应用

本结构设计分别采用中国建筑科学研究院PKPMCAD系列建筑结构软件，其中整体分析采用PMSAP、SATWE为主要分析软件；节点设计采用STS软件；基础荷载采用PMSAP进行竖向导荷，且考虑上部结构与基础共同工作，提取PMSAP计算的上部刚度，选取最不利荷载，运用JCCAD程序进行了基础计算，保证了结构的基本安全。

在取得上述风洞试验结果基础上MIDAS GEN作为辅助分析软件，进行了对结构设计风荷载作用的复核。

风荷载加载方式：主要采用了“蒙皮荷载”方式施加（主要采用“面风压”方式）。应注意的是在采用“蒙皮荷载”施加风荷载时，体型系数值输入的正负仅仅代表方向，这点规律当采用法向方式施加面风压或梁单元风压时也是适用。具体分析采用了如下计算：

1. 按规范进行风荷载分析

    计算步骤：建立结构计算模型→输入风荷载计算参数→计算分析→查看层间位移角（不满足返回进行结构模型调整、满足则继续下一步）→查看构件承载力（不满足返回进行结构模型调整、满足则计算结束）

2. 按风洞试验进行静力风荷载分析

计算步骤：建立结构计算模型→风洞试验结果输入计算模型→计算分析→查看层间位移角（不满足返回进行结构模型调整、满足则继续下一步）→查看构件承载力（不满足返回进行结构模型调整、满足则计算结束）。注意当风洞试验报告中输出的荷载（倾覆力矩与剪力）是不包含设计需采用的分项系数的，应将组合系数与各分量荷载相乘后作为风荷载标准值采用。

3. 按风洞试验进行动力风荷载分析

计算步骤：

1)建立结构的计算模型；

2)根据风洞试验的风压系数得到风荷载时程（在弹性计算模型里输入风荷载时程，计算结构的加速度，读取所需位置的加速度值）；

3)输入风荷载时程分析数据计算；

4)进行所有方向风荷载计算；

5)判断层间位移角是否满足，若不满足，需调整结构方案，重复步骤1）~3）步；

6)查看构件承载力是否满足，若不满足，需调整结构方案，重复步骤1）~3）步；满足则可计算结束。

六、结语

《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 表8.3.1中的系数是有局限性的，风洞试验仍应作为抗风设计重要的辅助工具，尤其是对于体型复杂而且重要的房屋结构。但当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时也应予以注意。同时对比较重要的高层建筑，建议在风洞试验中考虑周围建筑物的干扰因素。

本文仅通过对一实际工程案例，按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 提供的风荷载计算方法，以及利用风洞试验数据结合计算软件的分析设计方法，分别进行了陈述，希望能为其它工程师计算风荷载提供帮助。

参考文献

【1】《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012 中国建筑工业出版社，2012.

【2】《某雕像风洞试验研究》长安大学风洞试验室CAF201150

【3】midas Gen说明文件. 北京迈达斯技术有限公司