大型体育场看台罩棚抗风研究

3 风致动力响应分析及风振系数
选择180°风向角对结构进行风振响 应分析，图6 给出西看台屋盖结构位移响 应的最大点位置，并进行谱密度分析，如 图7 所示。由图7 中屋盖最大位移点对应 的位移响应和谱密度曲线可以看出， 响应 的能量主要集中在1.9~2.2Hz，其分别对应 结构的前4 阶振型，而低频部分主要是风 的背景响应， 这表明大挑篷屋盖位移响应 以前几阶振动为主， 这说明西看台屋盖结 构的风致振动受低阶振动影响较大。
1.3风荷载获取方法
获得风速时程的途径主要有三种：现场测量记录、风洞试 验、数值风洞。目前，记录风速数据量大、持续周期长、费用 大、精度受测试条件和仪器误差的影响大，应用于实际工程还 不能普遍实现。现在常用的方法是风洞试验和数值风洞。
风洞试验
风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法。结构的模 型试验相对简单，而流动则是低紊流流动，需考虑流动的压缩 效应等等。除了风场模拟外，模型和试验设备及试验技术也是 风洞试验的重要方面。近年来，试验设备及数据采集和处理系 统的发展使得风洞试验在土木结构抗风中有了更广泛的应用。 然而结构风洞试验还存在很多重要的基本问题有待深入研究。 比如风洞中模拟的紊流度难以达到实际值，特别是紊流尺度相 似更难以模拟；在进行复杂地形风场特性试验时，通常受到堵 塞率等因素的影响。
5 结语
根据结构模型及风洞试验结果，对结构进行了风振响应分 析，给出了风振系数建议值，并在此基础上对结构进行了整体 计算分析，结论如下： ⑴ 屋盖结构在大多数风向下受风吸力作用，且在180°附近风吸 力最大。 ⑵ 综合考虑各个风向角下结构的响应及风振系数，给出结构的 等效风荷载标准值供结构设计使用。 ⑶ 屋盖大跨度钢结构属于风敏感结构，主要由风工况控制，构 件挠度由恒载及风荷控制。 ⑷ 结构在风荷载作用下悬挑部分向上的位移较大， 可见结构抵 抗向上风吸力的刚度小于抵抗向下的刚度，需要构造增加抵抗 风吸、风压杆。
屋盖在不同风向下最大位移点出现位置与 180°风向角下的最大位移点位置相比，出现位 置不是相同就是近似，只是数值上有所差别， 屋盖结构振动特点也基本相同。本屋盖结构各 分区不同风向下风振系数相差不大，风振系数 在2.0 左右。根据式⑴可得到屋盖表面的风荷载 标准值。
式中：β z为结构风振系数；m H为高度转换系数； Cp为屋盖表面风压系数。
2 结构基本参数及风荷载特性
取钦州市地区100 年一遇的风压为0.75kN /m2， 结构所处环境为B 类地貌，按1 ∶ 250 的比例制作了风 洞试验模型（如图1），试验时考虑了36 个风向角的 影响，如图2。计算试验风压系数时已转换到以屋盖顶 部高度42.8m 为参考高度， 在屋盖结构的上下表面皆 布置了风压测点。
风荷载作用下，导致体育场屋盖结构破坏的原因 很多，但是总的来说有以下三点： (1)流动分离 风荷载作用下，体育场通常承受很大的负压。当 气流从正面吹向屋盖时，在上表面形成分离泡，屋盖 上表面有一个从前缘延伸的负压区域，而在屋盖下表 面的结构及主看台的影响均抑制了屋盖下表面的分离， 这样在它上下两个表面的合成荷载效应成为一个向上 的升力，从各种形式的屋盖风压分布可以看出，凡是 负压特别高的区域，总是有流动分离现象产生，特别 是屋盖边缘等几何外形突变的部位，常产生流动的分 离和再附。可以说，由于几何外形的突变而引起的流 动分离是导致屋盖破坏的最普遍原因。
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大型体育场的卓越性能不仅表现在三维受 力，而且还在于它们通过合理的曲面形体来有 效抵御外荷载的作用。类似这种大悬挑看台罩 棚的体育场，其规模通常都很大，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，这种屋盖对风荷载十 分敏感，风荷载成为其设计的主要控制荷载。 风的强大吸力以及脉动风荷载在屋盖上引起的 振动，常常会使屋盖遭受破坏
按钢结构规范要求， 设计控制挠度是以标准组 合下的位移为依据，经计 算，西看台钢结构模型最 大挠பைடு நூலகம்值：
小于挠度控制指标1/400， 满足规范要求。
计算结果表明，在各 工况中对结构影响最大的 是风荷载，其次是恒、活 载；风吸荷载对竖向向上 的位移影响最大，起决定 性作用。风吸力引起的z 向 位移为正向上，说明结构 抵抗向上风吸力的刚度小 于抵抗向下的刚度，需要 构造增加抵抗风吸、风压 杆，结构主单元构造如图 10 所示。 从各工况位移值可以看出，本工程大跨度悬挑结构属于风敏感结构，在 所有的位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移均由风荷载工况控制。地震 作用下产生的位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构的刚度完全可以满足 要求。因此要注意重点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控制。刚架挠度 由恒载及活载标准组合控制，其挠度也符合规范要求。
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广西钦州体育场造型新颖，酷似海边飘带，包 含东、西两看台，看台下部为钢筋混凝土框架结构， 上部采用大跨度悬挑钢结构。体育场西看台屋盖南 北长近300m，最宽处39m，屋盖钢结构支承在高 差悬殊的混凝土结构上。
屋盖大看台 部分采用大跨度 悬挑钢结构，屋 盖支撑在高差悬 殊的混凝土结构 上，形成了支座 独特的支座结构， 即前锥型-后V 型 支撑结构，屋盖 由于跨度大、悬 挑部分较长，属 于风敏感结构。 我国现行《建筑结构荷载规范》无明确其抗风设计规定，没有给 出风振系数相应的数据和计算方法。本文结合风洞试验结果对体育场 钢结构的风荷载和风振响应进行了分析，并在此基础上对结构进行了 抗风设计。
(2)内外压力共同作用 体育场相当于敞开结构，其上下表面均受到风荷载作用， 屋盖的风压计算应同时考虑上下表面的风压叠加。一般说 来，体育场上下表面均受到吸力作用，即屋盖的上表面受 到的风压方向向上，而下表面的风压方向向下，净风荷载 应小于只考虑上表面风压的计算荷载。但是在某些风向角 下，屋盖的某些部位上下表面风压方向会一致，这会使得 结构的受力状况发生大的变化，容易造成屋盖的破坏。 。 (3)屋盖结构在风荷载作用下的动力效应 体育场看台屋盖通常是大跨度的悬臂体系，具有质量轻、 柔性大、阻尼小等特点，结构的自振周期与风的卓越周期 较为接近，因此在风荷载作用下容易发生风振破坏
为方便 设计，综合考 虑各个风向角 下结构风振系 数， 给出屋 盖各分区等效 最不利正风荷 载和最不利负 风载标准值， 如图8～9 供 屋盖钢结构整 体计算分析使 用。
4 屋盖钢结构整体计算分析
屋盖整体计算模 型能准确地反映上部 钢结构以及钢结构和 混凝土连接界面的构 件在重力、地震、风、 温度等各种荷载作用 下的受力特性。结构 在风荷载和水平地震 作用下的计算结果均 以屋架悬挑桁架最不 利的端部上部节点考 察，见表1。
1.2体育场看台罩棚的主要形式和风致破 坏机理
国内外常见的体育场看台罩棚结构形式主要有空间网 架结构、空间桁架结构，网壳结构、悬索结构、薄膜结构 以及组合结构，屋盖形状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、屋盖内外压力及 体型系数对屋盖的设计至关重要，但是由于体育场内风流 动的机理很复杂，屋盖的风压分布以前通常采用刚性模型 和气弹性模型在风洞中进行试验研究，以得到它的风压分 布规律
根据屋盖各静风压 标准值乘以节点的控制 面积再投影到竖向进行 叠加，即可得到屋盖在 各风向角下的平均总风 力，该风力直接影响屋 盖结构的整体设计。图3 给出了各个风向下西看 台平均风力随风向变化， 可知屋盖在大多数风向 下风力表现为吸力，且 结构在180°附近看台受 到的平均风吸力最大。
从图4～5 可见, 在180°风向下西看台 屋盖在迎风处有明显 的气流分离区，因而 此处脉动风压均方差 最大，且局部负压很 大，同时此部分为悬 挑区域，刚度较弱。 因此这里应是屋盖结 构振动较强烈部分； 屋盖背风处表面风压 都表现为负压，且风 压数值和脉动风压均 较小，这说明气流在 此处无明显气流分离 现象，流场变化比较 平稳。
大型体育场看台罩棚抗风研究
报 告 人： 指导老师：
1 前言
近年来，随着科技的发展，新颖的结构形 式不断出现，各种轻质高强的新型建筑材料不断 涌现，施工工艺也在不断的创新完善。与之相伴， 各种大跨度悬挑屋盖结构不断出现在大型体育场 馆、会议展览馆、机场机库、大型娱乐场所等公 共建筑中。国外如意大利罗马体育场、美国亚特 兰大奥运会主体育场等，国内如上海八万人体育 场、上海虹口足球场、青岛体育中心及杭州黄龙 体育中心主体育场等，此类结构体系可反映国家 建筑科技水平，往往成为所在地的标志性建筑和 人文景观。
从各工况位移值可以看出，本工程大 跨度悬挑结构属于风敏感结构，在所有的 位移中以竖向位移为最大， 屋顶竖向位移 均由风荷载工况控制。地震作用下产生的 位移不大，地震效应不明显， 屋盖钢结构 的刚度完全可以满足要求。因此要注意重 点加强大悬挑桁架在风荷载作用下刚度控 制。刚架挠度由恒载及活载标准组合控制， 其挠度也符合规范要求。