大型體育場看臺罩棚抗風(fēng)研究

1、大型體育場看臺罩棚抗風(fēng)研究大型體育場看臺罩棚抗風(fēng)研究 報報 告告 人人 ：指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 近年來，隨著科技的發(fā)展，新穎的結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，各種輕質(zhì)高強(qiáng)的新型建筑材料不斷涌現(xiàn)，施工工藝也在不斷的創(chuàng)新完善。與之相伴，各種大跨度懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)在大型體育場館、會議展覽館、機(jī)場機(jī)庫、大型娛樂場所等公共建筑中。國外如意大利羅馬體育場、美國亞特蘭大奧運(yùn)會主體育場等，國內(nèi)如上海八萬人體育場、上海虹口足球場、青島體育中心及杭州黃龍體育中心主體育場等，此類結(jié)構(gòu)體系可反映國家建筑科技水平，往往成為所在地的標(biāo)志性建筑和人文景觀。1 前言前言 上海八萬人體育場上海八萬人體育場 意大利羅馬體育場意大利羅馬體育

2、場青島體育中心青島體育中心 大型體育場的卓越性能不僅表現(xiàn)在三維受力，而且還在于它們通過合理的曲面形體來有效抵御外荷載的作用。類似這種大懸挑看臺罩棚的體育場，其規(guī)模通常都很大，而且這類結(jié)構(gòu)往往比較低矮，在大氣邊界層中處于風(fēng)速變化大、湍流度高的區(qū)域，這種屋蓋對風(fēng)荷載十分敏感，風(fēng)荷載成為其設(shè)計的主要控制荷載。風(fēng)的強(qiáng)大吸力以及脈動風(fēng)荷載在屋蓋上引起的振動，常常會使屋蓋遭受破壞1.2體育場看臺罩棚的主要形式和風(fēng)致破體育場看臺罩棚的主要形式和風(fēng)致破壞機(jī)理壞機(jī)理 國內(nèi)外常見的體育場看臺罩棚結(jié)構(gòu)形式主要有空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)，屋蓋形狀通常選擇具有獨(dú)特造型的弧形屋

3、蓋以滿足美觀的要求，其局部風(fēng)壓系數(shù)、屋蓋內(nèi)外壓力及體型系數(shù)對屋蓋的設(shè)計至關(guān)重要，但是由于體育場內(nèi)風(fēng)流動的機(jī)理很復(fù)雜，屋蓋的風(fēng)壓分布以前通常采用剛性模型和氣彈性模型在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)研究，以得到它的風(fēng)壓分布規(guī)律 風(fēng)荷載作用下，導(dǎo)致體育場屋蓋結(jié)構(gòu)破壞的原因很多，但是總的來說有以下三點(diǎn)：(1)流動分離流動分離 風(fēng)荷載作用下，體育場通常承受很大的負(fù)壓。當(dāng)氣流從正面吹向屋蓋時，在上表面形成分離泡，屋蓋上表面有一個從前緣延伸的負(fù)壓區(qū)域，而在屋蓋下表面的結(jié)構(gòu)及主看臺的影響均抑制了屋蓋下表面的分離，這樣在它上下兩個表面的合成荷載效應(yīng)成為一個向上的升力，從各種形式的屋蓋風(fēng)壓分布可以看出，凡是負(fù)壓特別高的區(qū)域，總是

4、有流動分離現(xiàn)象產(chǎn)生，特別是屋蓋邊緣等幾何外形突變的部位，常產(chǎn)生流動的分離和再附?？梢哉f，由于幾何外形的突變而引起的流動分離是導(dǎo)致屋蓋破壞的最普遍原因。(2)內(nèi)外壓力共同作用內(nèi)外壓力共同作用體育場相當(dāng)于敞開結(jié)構(gòu)，其上下表面均受到風(fēng)荷載作用，屋蓋的風(fēng)壓計算應(yīng)同時考慮上下表面的風(fēng)壓疊加。一般說來，體育場上下表面均受到吸力作用，即屋蓋的上表面受到的風(fēng)壓方向向上，而下表面的風(fēng)壓方向向下，凈風(fēng)荷載應(yīng)小于只考慮上表面風(fēng)壓的計算荷載。但是在某些風(fēng)向角下，屋蓋的某些部位上下表面風(fēng)壓方向會一致，這會使得結(jié)構(gòu)的受力狀況發(fā)生大的變化，容易造成屋蓋的破壞。(3)屋蓋結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力效應(yīng)屋蓋結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動

5、力效應(yīng)體育場看臺屋蓋通常是大跨度的懸臂體系，具有質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的自振周期與風(fēng)的卓越周期較為接近，因此在風(fēng)荷載作用下容易發(fā)生風(fēng)振破壞。1.3風(fēng)荷載獲取方法風(fēng)荷載獲取方法 獲得風(fēng)速時程的途徑主要有三種：現(xiàn)場測量記錄、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值風(fēng)洞。目前，記錄風(fēng)速數(shù)據(jù)量大、持續(xù)周期長、費(fèi)用大、精度受測試條件和儀器誤差的影響大，應(yīng)用于實(shí)際工程還不能普遍實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在常用的方法是風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn) 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳笆墙Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最主要的方法。結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)相對簡單，而流動則是低紊流流動，需考慮流動的壓縮效應(yīng)等等。除了風(fēng)場模擬外，模型和試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)也是風(fēng)洞試驗(yàn)的重要方面。近年來，

6、試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的發(fā)展使得風(fēng)洞試驗(yàn)在土木結(jié)構(gòu)抗風(fēng)中有了更廣泛的應(yīng)用。然而結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)還存在很多重要的基本問題有待深入研究。比如風(fēng)洞中模擬的紊流度難以達(dá)到實(shí)際值，特別是紊流尺度相似更難以模擬；在進(jìn)行復(fù)雜地形風(fēng)場特性試驗(yàn)時，通常受到堵塞率等因素的影響。廣廣西西欽欽州州市市體體育育場場 廣西欽州體育場造型新穎，酷似海邊飄帶，包含東、西兩看臺，看臺下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)。體育場西看臺屋蓋南北長近300m，最寬處39m，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支承在高差懸殊的混凝土結(jié)構(gòu)上。 我國現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范無明確其抗風(fēng)設(shè)計規(guī)定，沒有給出風(fēng)振系數(shù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)和計算方法。本文結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

7、對體育場鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗風(fēng)設(shè)計。 屋蓋大看臺部分采用大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)，屋蓋支撐在高差懸殊的混凝土結(jié)構(gòu)上，形成了支座獨(dú)特的支座結(jié)構(gòu)，即前錐型-后V 型支撐結(jié)構(gòu)，屋蓋由于跨度大、懸挑部分較長，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。2 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)及風(fēng)荷載特性結(jié)構(gòu)基本參數(shù)及風(fēng)荷載特性 取欽州市地區(qū)100 年一遇的風(fēng)壓為0.75kN /m2，結(jié)構(gòu)所處環(huán)境為B 類地貌，按1 250 的比例制作了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D1），試驗(yàn)時考慮了36 個風(fēng)向角的影響，如圖2。計算試驗(yàn)風(fēng)壓系數(shù)時已轉(zhuǎn)換到以屋蓋頂部高度42.8m 為參考高度， 在屋蓋結(jié)構(gòu)的上下表面皆布置了風(fēng)壓測點(diǎn)。 根據(jù)屋蓋各靜風(fēng)壓

8、標(biāo)準(zhǔn)值乘以節(jié)點(diǎn)的控制面積再投影到豎向進(jìn)行疊加，即可得到屋蓋在各風(fēng)向角下的平均總風(fēng)力，該風(fēng)力直接影響屋蓋結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。圖3 給出了各個風(fēng)向下西看臺平均風(fēng)力隨風(fēng)向變化，可知屋蓋在大多數(shù)風(fēng)向下風(fēng)力表現(xiàn)為吸力，且結(jié)構(gòu)在180附近看臺受到的平均風(fēng)吸力最大。 從圖45 可見, 在180風(fēng)向下西看臺屋蓋在迎風(fēng)處有明顯的氣流分離區(qū)，因而此處脈動風(fēng)壓均方差最大，且局部負(fù)壓很大，同時此部分為懸挑區(qū)域，剛度較弱。因此這里應(yīng)是屋蓋結(jié)構(gòu)振動較強(qiáng)烈部分；屋蓋背風(fēng)處表面風(fēng)壓都表現(xiàn)為負(fù)壓，且風(fēng)壓數(shù)值和脈動風(fēng)壓均較小，這說明氣流在此處無明顯氣流分離現(xiàn)象，流場變化比較平穩(wěn)。 選擇180風(fēng)向角對結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，圖6 給出西

9、看臺屋蓋結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的最大點(diǎn)位置，并進(jìn)行譜密度分析，如圖7 所示。由圖7 中屋蓋最大位移點(diǎn)對應(yīng)的位移響應(yīng)和譜密度曲線可以看出， 響應(yīng)的能量主要集中在1.92.2Hz，其分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)的前4 階振型，而低頻部分主要是風(fēng)的背景響應(yīng)， 這表明大挑篷屋蓋位移響應(yīng)以前幾階振動為主， 這說明西看臺屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動受低階振動影響較大。3 風(fēng)致動力響應(yīng)分析及風(fēng)振系數(shù)風(fēng)致動力響應(yīng)分析及風(fēng)振系數(shù) 屋蓋在不同風(fēng)向下最大位移點(diǎn)出現(xiàn)位置與180風(fēng)向角下的最大位移點(diǎn)位置相比，出現(xiàn)位置不是相同就是近似，只是數(shù)值上有所差別，屋蓋結(jié)構(gòu)振動特點(diǎn)也基本相同。本屋蓋結(jié)構(gòu)各分區(qū)不同風(fēng)向下風(fēng)振系數(shù)相差不大，風(fēng)振系數(shù)在2.0 左右。根據(jù)式

10、可得到屋蓋表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。式中：z為結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)；m H為高度轉(zhuǎn)換系數(shù)；Cp為屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)。 為方便設(shè)計，綜合考慮各個風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)， 給出屋蓋各分區(qū)等效最不利正風(fēng)荷載和最不利負(fù)風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值，如圖89 供屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體計算分析使用。 屋蓋整體計算模型能準(zhǔn)確地反映上部鋼結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)和混凝土連接界面的構(gòu)件在重力、地震、風(fēng)、溫度等各種荷載作用下的受力特性。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和水平地震作用下的計算結(jié)果均以屋架懸挑桁架最不利的端部上部節(jié)點(diǎn)考察，見表1。4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體計算分析屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體計算分析 按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，設(shè)計控制撓度是以標(biāo)準(zhǔn)組合下的位移為依據(jù)，經(jīng)計算，西看臺鋼結(jié)構(gòu)模型最大撓度值：小

11、于撓度控制指標(biāo)1/400，滿足規(guī)范要求。 計算結(jié)果表明，在各工況中對結(jié)構(gòu)影響最大的是風(fēng)荷載，其次是恒、活載；風(fēng)吸荷載對豎向向上的位移影響最大，起決定性作用。風(fēng)吸力引起的z 向位移為正向上，說明結(jié)構(gòu)抵抗向上風(fēng)吸力的剛度小于抵抗向下的剛度，需要構(gòu)造增加抵抗風(fēng)吸、風(fēng)壓桿，結(jié)構(gòu)主單元構(gòu)造如圖10 所示。 從各工況位移值可以看出，本工程大跨度懸挑結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，在所有的位移中以豎向位移為最大， 屋頂豎向位移均由風(fēng)荷載工況控制。地震作用下產(chǎn)生的位移不大，地震效應(yīng)不明顯， 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的剛度完全可以滿足要求。因此要注意重點(diǎn)加強(qiáng)大懸挑桁架在風(fēng)荷載作用下剛度控制。剛架撓度由恒載及活載標(biāo)準(zhǔn)組合控制，其撓度也符合規(guī)范要求。 從各工況位移值可以看出，本工程大跨度懸挑結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，在所有的位移中以豎向位移為最大， 屋頂豎向位移均由風(fēng)荷載工況控制。地震作用下產(chǎn)生的位移不大，地震效應(yīng)不明顯， 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的剛度完全可以滿足要求。因此要注意重點(diǎn)加強(qiáng)大懸挑桁架在風(fēng)荷載作用下剛度控制。剛架撓度由恒載及活載標(biāo)準(zhǔn)組合控制，其撓度也符合規(guī)范要求。5 結(jié)語結(jié)語 根據(jù)結(jié)構(gòu)模型及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)分析，給出了風(fēng)振系數(shù)建議值，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體計