D0I:10.13374f.issn1001-053x.2011.08.020 第33卷第8期 北京科技大学学报 Vol.33 No.8 2011年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2011 凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 关华1,2)牟在根)四沈银澜”朱忠义2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京市建筑设计研究院，北京100045 ☒通信作者，E-mail:zgmu@ces.ustb.cu.cn 摘要通过对风凰传媒中心刚性模型的风洞试验，分析研究了这种非大变形柔性的大跨屋盖结构的风压分布特性，得到了 在不同风向角下外围壳体和中庭悬索膜结构表面的平均风压系数.结果表明：外围壳体的风压，除环形外侧主要正迎风面和 环形内侧的小部分迎风面为正压外，大部分都为吸力：中庭悬索膜结构表面主要以吸力为主， 关键词大跨屋盖结构：风洞试验：风压：刚性模型 分类号TU243 Wind tunnel tests for the rigid model of Phoenix Media Center GUAN Hua2),MU Zai-gen,SHEN Yin-lan,ZHU Zhong-yi? 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Institute of Architectural Design,Beijing 100045,China Corresponding author,E-mail:zgmu@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Wind pressure distribution characteristics of the Phoenix Media Center flexible roof,in non-large deformation,were an- alyzed by wind tunnel tests of the rigid model.Meanwhile,the average wind pressure coefficients on the surfaces of the outer shell and the atrium with a suspended cable-membrane structure in different wind direction angles were obtained.It is shown that the wind effects of the majority of the outer shell are suction,except that positive wind pressure distributes on the main windward side of the outer shell and a small portion of the windward side of the insider shell,but the effects of wind pressure on the atrium with a suspended cable- membrane structure are mainly suction. KEY WORDS long-span roof structure:wind tunnel test:wind pressure:rigid models 随着现代建筑美学的发展和使用功能的要 主要包括大跨度屋盖结构风振响应-)计算方法 求，建筑结构朝着超高层和大跨度的方向发展，大 的研究和大跨度屋盖结构静力等效风荷载山的研 量造型新颖的大跨度屋盖结构被广泛应用于机场 究.由于建筑结构一般位于近地湍流层，湍流层在 候机厅、会展中心、大剧院和体育馆等公共建筑. 脉动风的作用下，往往形成来流再附、漩涡脱落， 这些结构具有质量轻、柔度大、阻尼小和自振频率 建筑结构会产生风振B-,大跨度结构屋盖上的风 低等特点，因而风荷载逐渐成为影响结构设计的 场更为复杂.目前从理论上进行数值模拟的方法 荷载之一.准确估计作用在屋面上的风荷载是进 尚不成熟.使用刚性模型进行风洞试验获得风压 行屋面抗风设计的前提，但现行的《建筑结构荷载 的分布特性是极其重要而且不可缺少的研究手 规范》(GB50009一2001)对大跨度屋盖结构没有 段因.本文以北京凤凰国际传媒中心大楼为例，对 条文可以直接使用.对于大跨度屋盖结构的 其进行刚性模型风洞试验研究，研究其在不同情 表面风压，目前系统的研究仅集中在几种简单的 况下的外围壳体钢结构和中庭悬索膜结构表面风 体型上；对于复杂的大跨度屋盖的风振问题尚缺 压分布系数，以期为复杂大跨度屋盖的风振响应 乏合理成熟的理论.在大跨度屋盖的抗风研究中， 理论分析提供参考 收稿日期：201008-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878022)：北京市自然科学基金资助项目(8082017)
第 33 卷 第 8 期 2011 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 8 Aug． 2011 凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 关 华1，2) 牟在根1) 沈银澜1) 朱忠义2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京市建筑设计研究院，北京 100045 通信作者，E-mail: zgmu@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 通过对凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验，分析研究了这种非大变形柔性的大跨屋盖结构的风压分布特性，得到了 在不同风向角下外围壳体和中庭悬索膜结构表面的平均风压系数． 结果表明: 外围壳体的风压，除环形外侧主要正迎风面和 环形内侧的小部分迎风面为正压外，大部分都为吸力; 中庭悬索膜结构表面主要以吸力为主． 关键词 大跨屋盖结构; 风洞试验; 风压; 刚性模型 分类号 TU243 Wind tunnel tests for the rigid model of Phoenix Media Center GUAN Hua1，2) ，MU Zai-gen1) ，SHEN Yin-lan1) ，ZHU Zhong-yi 2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China Corresponding author，E-mail: zgmu@ ces． ustb． edu． cn ABSTRACT Wind pressure distribution characteristics of the Phoenix Media Center flexible roof，in non-large deformation，were analyzed by wind tunnel tests of the rigid model． Meanwhile，the average wind pressure coefficients on the surfaces of the outer shell and the atrium with a suspended cable-membrane structure in different wind direction angles were obtained． It is shown that the wind effects of the majority of the outer shell are suction，except that positive wind pressure distributes on the main windward side of the outer shell and a small portion of the windward side of the insider shell，but the effects of wind pressure on the atrium with a suspended cablemembrane structure are mainly suction． KEY WORDS long-span roof structure; wind tunnel test; wind pressure; rigid models 收稿日期: 2010--08--23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50878022) ; 北京市自然科学基金资助项目( 8082017) 随着现代建筑美学的发展和使用功能的要 求，建筑结构朝着超高层和大跨度的方向发展，大 量造型新颖的大跨度屋盖结构被广泛应用于机场 候机厅、会展中心、大剧院和体育馆等公共建筑． 这些结构具有质量轻、柔度大、阻尼小和自振频率 低等特点，因而风荷载逐渐成为影响结构设计的 荷载之一． 准确估计作用在屋面上的风荷载是进 行屋面抗风设计的前提，但现行的《建筑结构荷载 规范》( GB50009—2001 ) 对大跨度屋盖结构没有 条文可以直接使用［1--2］． 对于大跨度屋盖结构的 表面风压，目前系统的研究仅集中在几种简单的 体型上; 对于复杂的大跨度屋盖的风振问题尚缺 乏合理成熟的理论． 在大跨度屋盖的抗风研究中， 主要包括大跨度屋盖结构风振响应［2--3］计算方法 的研究和大跨度屋盖结构静力等效风荷载［4］的研 究． 由于建筑结构一般位于近地湍流层，湍流层在 脉动风的作用下，往往形成来流再附、漩涡脱落， 建筑结构会产生风振［5--6］，大跨度结构屋盖上的风 场更为复杂． 目前从理论上进行数值模拟的方法 尚不成熟． 使用刚性模型进行风洞试验获得风压 的分布特性是极其重要而且不可缺少的研究手 段［5］． 本文以北京凤凰国际传媒中心大楼为例，对 其进行刚性模型风洞试验研究，研究其在不同情 况下的外围壳体钢结构和中庭悬索膜结构表面风 压分布系数，以期为复杂大跨度屋盖的风振响应 理论分析提供参考． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.08.020
第8期 关华等：凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 ·1031· 1 试验模型和测点布置 90 0-●180 位于北京市朝阳区朝阳公园西南角的凤凰传媒 册 中心，总用地面积18821.83m2,为非大变形柔性屋 盖结构.地上部分南侧为高层办公区(10层钢筋混 凝土结构)，高44.1m,北侧为演播工艺区(4~5层 四 钢筋混凝土结构)，高28.7m,一个连续的钢结构外 壳把这两部分围合成整体，并且形成东西两侧开放 的中庭空间，紧贴钢结构的是玻璃幕墙.地下室共 有三层，联系各功能区.本工程建筑俯视图见图1， 剖面示意图见图2 图3环绕传媒中心表面风向角、测点布置示意图 Fig.3 Schematic diagram of wind direction angle and test point ar- rangement on the surface of the media center 6gd41:, 398 405410￥2 397 40440 图1建筑俯视图 390 396 403 0 Fig.1 Top view of the architecture 389 383 395 388 382 394 罩棚上表面 387 381 375 382 37438测 图4罩棚上表面测点布置 Fig.4 The test points arrangementof upside of awning 450 4374444g45L 430 4 436434的 429 4 8423 435 B17 428 44 434 图2建筑剖面图 422 427 433 Fig.2 Profile of the architecture 罩棚下表面 4 1443497 421 426 415 420 根据风洞阻塞度要求、转盘尺寸及原型尺寸，试 图5罩棚下表面测点布置 验模型缩尺比确定为1：150.试验时模型安装在转 Fig.5 Test point arrangement on the downside of the awning 盘上，通过转盘可获得0°~360°范围内10°为间隔 的36个风向角.试验在中国建筑科学研究院风洞 2大气边界层风场的模拟及试验方法 实验室进行.风洞为直流下吹式风洞，采用高速试 风向定义参见图3，以平行于建筑长轴时规定 验段，试验段尺寸为宽4m、高3m和长22m,风速在 为风向角0°；俯视时模型逆时针旋转风向角为正， 2~30ms连续可调. 风向角范围为0°~360°，风向角间隔为10°，本次试 模型上共布置了451个测点.其中环绕传媒中 验共有36个风向角. 心表面布置了373个测点，如图3所示.为考虑上 在此次的风洞试验中使用了两套测量系统：风 下表面的相关性，在厅堂罩棚的39个位置上下表面 速测量系统和风压测量、记录及数据处理系统.试 同时布置了测点，共有测点78个，如图4和图5 验中使用Dantec生产的恒温式热线风速仪配合单 所示. 丝热线探头测量风速剖面，采样时间15s,采样频率
第 8 期 关 华等: 凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 1 试验模型和测点布置 位于北京市朝阳区朝阳公园西南角的凤凰传媒 中心，总用地面积 18 821. 83 m2 ，为非大变形柔性屋 盖结构． 地上部分南侧为高层办公区( 10 层钢筋混 凝土结构) ，高 44. 1 m，北侧为演播工艺区( 4 ～ 5 层 钢筋混凝土结构) ，高 28. 7 m，一个连续的钢结构外 壳把这两部分围合成整体，并且形成东西两侧开放 的中庭空间，紧贴钢结构的是玻璃幕墙． 地下室共 有三层，联系各功能区． 本工程建筑俯视图见图 1， 剖面示意图见图 2． 图 1 建筑俯视图 Fig． 1 Top view of the architecture 图 2 建筑剖面图 Fig． 2 Profile of the architecture 根据风洞阻塞度要求、转盘尺寸及原型尺寸，试 验模型缩尺比确定为 1∶ 150． 试验时模型安装在转 盘上，通过转盘可获得 0° ～ 360°范围内 10°为间隔 的 36 个风向角． 试验在中国建筑科学研究院风洞 实验室进行． 风洞为直流下吹式风洞，采用高速试 验段，试验段尺寸为宽 4 m、高 3 m 和长 22 m，风速在 2 ～ 30 m·s － 1 连续可调． 模型上共布置了 451 个测点． 其中环绕传媒中 心表面布置了 373 个测点，如图 3 所示． 为考虑上 下表面的相关性，在厅堂罩棚的 39 个位置上下表面 同时布置了测点，共有测点 78 个，如图 4 和图 5 所示． 图 3 环绕传媒中心表面风向角、测点布置示意图 Fig． 3 Schematic diagram of wind direction angle and test point arrangement on the surface of the media center 图 4 罩棚上表面测点布置 Fig． 4 The test points arrangementof upside of awning 图 5 罩棚下表面测点布置 Fig． 5 Test point arrangement on the downside of the awning 2 大气边界层风场的模拟及试验方法 风向定义参见图 3，以平行于建筑长轴时规定 为风向角 0°; 俯视时模型逆时针旋转风向角为正， 风向角范围为 0° ～ 360°，风向角间隔为 10°，本次试 验共有 36 个风向角． 在此次的风洞试验中使用了两套测量系统: 风 速测量系统和风压测量、记录及数据处理系统． 试 验中使用 Dantec 生产的恒温式热线风速仪配合单 丝热线探头测量风速剖面，采样时间 15 s，采样频率 ·1031·
·1032· 北京科技大学学报 第33卷 1kHz.采用美国Scanivalve公司最新的电子压力 的大气边界层气流，即规范中B类地区和相应湍 扫描阀系统DSM3400对模型表面进行平均和脉 流度分布.图6为在试验段转盘中心测量得到的 动压力测量.各测压孔均与屋面表面垂直，所有 平均风速和湍流度随高度变化的结果.其中横坐 连接测压空与扫描阀的PVC软管取统一长度，期 标U(Z)/U。表示Z高度处平均风速与10m高 间嵌入毛细管，以便获得平稳的频率响应函数和 度处平均风速的比值，σ/U(Z)表示Z高度处湍 线性相位移.本试验中采用尖劈配合粗糙元) 流脉动速度的均方根与相应高度处的平均风速 的方法模拟了平均速度剖面为幂次律指数0.16 的比值 150 150 a =0.16 120 120 90F 90F 60 60F 30 30 > 0.5 1.0 01 0.2 U(Z yU olliz 图6试验平均风速剖面(a)和湍流度剖面(b) Fig.6 Velocity (a)and turbulence intensity (b)profiles of the simulated atmospheric boundary 在实际应用中，都取梯度风压为参考风压.为 度为2.2m处，该高度在缩尺比为1/150的情况下 此，必须把所有直接测得的风压系数换算成以与地 对应于实际高度330m.参考高度处的风速U= 貌无关的梯度风压为参考风压的压力系数网.Z。为 U。(330/10)016=46.9m·s-1,风速相似比C,= 各类地貌所对应的梯度风高度（即大气边界层高 U/U-=20146.9=112.345.根据相似定律回求 度)，α为反映各类地貌地面粗糙度特性的平均风速 得试验中原始信号的截断频率f。=192Hz.根据采 分布幂指数，对于B类风场Zc=350m,a=0.16,风 样定理，有f≥2f,∫为采样频率.试验最小采样频 洞测得的风压系数换算到梯度风高度的换算因子 率2f。=384Hz,而实际的采样频率为f。=400Hz,大 C=(150/Zc)2=0.7625.文中给出的风压系数 于最小采样频率，符合采样定理，能满足工程的要 是乘以这个换算因子后的风压系数. 求.如果实验采样频率小于最小采样频率，将会得 到偏小的实验结果@ 3 测试数据分析 外围壳体表面的压力通常用量纲为1的压力系 试验风速为20m·sˉ，试验采样频率为400Hz, 数表示为 采样时间为21s.在每个风向角下，对每个测点记录 Pi-P。 了9202个数据的风压时域信号，加上同步采集的 Cm=P。-P. (1) 式中，C为测点i第j个采样点的量纲为1的风压 总压和静压的时域信号，总共记录了约1.0亿个数 系数瞬态值，P为作用在测点i处第j个采样点的压 据.数据处理时，对每个测点舍弃头尾各500个数 力瞬态值，P。和P分别是试验时参考高度处的总 据，取样本中间8200个数据进行统计分析处理. 压和静压瞬态值 首先检验采样频率、采样时间是否能够满足计 罩棚部分，需要用到的是各测点对的净压差值. 算要求.由Davenport谱可知实际风场的截止频率 罩棚部分上下表面同步测量的各对测压点上的净压 为3Hz,模型的几何相似比C=1/150.B类风场、 力系数由下式表示： 50a重现期、10m高度处和10min平均的基本风压 Pi -Pyak 为0。=0.45kPa,相应的基本风速U1o= (2) 「Po-P (1600e。)Q5=26.8ms1.风洞试验参考点选在高 式中，P:为作用在测点i处第j个采样点的上表面
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 1 kHz． 采用美国 Scanivalve 公司最新的电子压力 扫描阀系统 DSM3400 对模型表面进行平均和脉 动压力测量． 各测压孔均与屋面表面垂直，所有 连接测压空与扫描阀的 PVC 软管取统一长度，期 间嵌入毛细管，以便获得平稳的频率响应函数和 线性相位 移． 本试验中采用尖劈配合粗糙元［7］ 的方法模拟了平均速度剖面为幂次律指数 0. 16 的大气边界层气流，即规范中 B 类地区和相应湍 流度分布． 图 6 为在试验段转盘中心测量得到的 平均风速和湍流度随高度变化的结果． 其中横坐 标 U( Z) /U10表示 Z 高度处平均风速与 10 m 高 度处平均风速的比值，σ /U( Z) 表示 Z 高度处湍 流脉动速度的均方根与相应高度处的平均风速 的比值． 图 6 试验平均风速剖面( a) 和湍流度剖面( b) Fig． 6 Velocity ( a) and turbulence intensity ( b) profiles of the simulated atmospheric boundary 在实际应用中，都取梯度风压为参考风压． 为 此，必须把所有直接测得的风压系数换算成以与地 貌无关的梯度风压为参考风压的压力系数［8］． ZG为 各类地貌所对应的梯度风高度( 即大气边界层高 度) ，α 为反映各类地貌地面粗糙度特性的平均风速 分布幂指数，对于 B 类风场 ZG = 350 m，α = 0. 16，风 洞测得的风压系数换算到梯度风高度的换算因子 Cpscale = ( 150 /ZG) 2a = 0. 762 5． 文中给出的风压系数 是乘以这个换算因子后的风压系数． 3 测试数据分析 试验风速为 20 m·s － 1 ，试验采样频率为 400 Hz， 采样时间为 21 s． 在每个风向角下，对每个测点记录 了 9 202 个数据的风压时域信号，加上同步采集的 总压和静压的时域信号，总共记录了约 1. 0 亿个数 据． 数据处理时，对每个测点舍弃头尾各 500 个数 据，取样本中间 8 200 个数据进行统计分析处理． 首先检验采样频率、采样时间是否能够满足计 算要求． 由 Davenport 谱可知实际风场的截止频率 为 3 Hz，模型的几何相似比 CL = 1 /150． B 类风场、 50 a 重现期、10 m 高度处和 10 min 平均的基本风压 为 w0 = 0. 45 kPa， 相应的基本风速 U10 = ( 1 600w0 ) 0. 5 = 26. 8 m·s － 1 ． 风洞试验参考点选在高 度为 2. 2 m 处，该高度在缩尺比为 1 /150 的情况下 对应于实际高度 330 m． 参考高度处的风速 Uref = U10 ( 330 /10) 0. 16 = 46. 9 m·s － 1 ，风 速 相 似 比 CV = Utest /Uref = 20 /46. 9 = 1 /2. 345． 根据相似定律［9］求 得试验中原始信号的截断频率 fc = 192 Hz． 根据采 样定理，有 fs≥2fc，fs为采样频率． 试验最小采样频 率 2fc = 384 Hz，而实际的采样频率为 fs = 400 Hz，大 于最小采样频率，符合采样定理，能满足工程的要 求． 如果实验采样频率小于最小采样频率，将会得 到偏小的实验结果［10］． 外围壳体表面的压力通常用量纲为 1 的压力系 数表示为 CPij = Pij － P∞ P0 － P∞ ( 1) 式中，CPij为测点 i 第 j 个采样点的量纲为 1 的风压 系数瞬态值，Pij为作用在测点 i 处第 j 个采样点的压 力瞬态值，P0 和 P∞ 分别是试验时参考高度处的总 压和静压瞬态值． 罩棚部分，需要用到的是各测点对的净压差值． 罩棚部分上下表面同步测量的各对测压点上的净压 力系数由下式表示: CPij = Pij，t － Pij，b P0 － P∞ ( 2) 式中，Pij，t为作用在测点 i 处第 j 个采样点的上表面 ·1032·
第8期 关华等：凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 ·1033· 压力瞬态值，P.b为作用在测点i处第j个采样点的 的风压系数时程，计算得到各测点的平均风压系数， 下表面压力瞬态值 统计得出外围钢结构及中庭罩棚表面风压分布. 将风洞测得的风压系数换算成以梯度风压为参 4.1外围壳体钢结构表面风压分布 考风压的风压系数，对样本含N(N=8200)个采样 因为屋盖表面区域较大且形状不规则，测点多 点的风压时程取算术平均，得到测点i的平均风压 数据量大，为了便于分析风压分布特征，采用风压等 系数 值线图进行描述.图7(a)~(I)风压等值线图显示 了外围钢结构在0°~330°的几个典型风向角下屋 Cn.= CPg/N (3) 盖表面风压系数等值线图. 分析各个方向角下外围钢结构表面风压系数等 4表面风压分布及分析 值线图，可以得出该类型建筑结构各个风向角下风 本试验测试得到了36个风向角下451个测点 压分布具有如下特征 (a) (e) ) ( h a ) () (k) 图7不同风向角下外围壳体风压系数等值线图.(a)0:(b)30:(c)60°：(d)90:(e)120:(0150°：(g)180:(h)210;(i) 240°：(Gj)270°：(k)300°：(1)330° Fig.7 Isograms of wind-pressure coefficients on the surface of the peripheral shell at different wind direction angles:(a)0;(b)30;(c)60; (d)90°：(e)120°：(0150°：(g180°：(h)210°：(i)240:(j)270:(k)300°：(1)330 (1)该结构的风压分布基本是以来风方向为对 时，由于环形结构的外侧受风面高度的逐渐减低，使 称轴沿环形对称分布. 得正对来风方向的环形内侧受正压面积加大，但结 (2)风向角由0°向90°变化过程中除环形外侧 构表面大部分还是负压.风向角由270°向330°变化 主要风面和环形内侧的小部分迎风面为正压外，其 时，由于环形结构外侧受风面高度的逐渐增高，使得 余大部分都为负压区.风向角由90°向270°变化 正对来风方向的环形内侧受正压面积减小大，结构
第 8 期 关 华等: 凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 压力瞬态值，Pij，b为作用在测点 i 处第 j 个采样点的 下表面压力瞬态值． 将风洞测得的风压系数换算成以梯度风压为参 考风压的风压系数，对样本含 N ( N = 8 200) 个采样 点的风压时程取算术平均，得到测点 i 的平均风压 系数 CPi，mean = ∑ N j = 1 CPij /N ( 3) 4 表面风压分布及分析 本试验测试得到了 36 个风向角下 451 个测点 的风压系数时程，计算得到各测点的平均风压系数， 统计得出外围钢结构及中庭罩棚表面风压分布． 4. 1 外围壳体钢结构表面风压分布 因为屋盖表面区域较大且形状不规则，测点多 数据量大，为了便于分析风压分布特征，采用风压等 值线图进行描述． 图 7( a) ～ ( l) 风压等值线图显示 了外围钢结构在 0° ～ 330°的几个典型风向角下屋 盖表面风压系数等值线图． 分析各个方向角下外围钢结构表面风压系数等 值线图，可以得出该类型建筑结构各个风向角下风 压分布具有如下特征． 图 7 不同风向角下外围壳体风压系数等值线图． ( a) 0°; ( b) 30°; ( c) 60°; ( d) 90°; ( e) 120°; ( f) 150°; ( g) 180°; ( h) 210°; ( i) 240°; ( j) 270°; ( k) 300°; ( l) 330° Fig． 7 Isograms of wind-pressure coefficients on the surface of the peripheral shell at different wind direction angles: ( a) 0°; ( b) 30°; ( c) 60°; ( d) 90°; ( e) 120°; ( f) 150°; ( g) 180°; ( h) 210°; ( i) 240°; ( j) 270°; ( k) 300°; ( l) 330° ( 1) 该结构的风压分布基本是以来风方向为对 称轴沿环形对称分布． ( 2) 风向角由 0°向 90°变化过程中除环形外侧 主要风面和环形内侧的小部分迎风面为正压外，其 余大部分都为负压区． 风向角由 90° 向 270° 变化 时，由于环形结构的外侧受风面高度的逐渐减低，使 得正对来风方向的环形内侧受正压面积加大，但结 构表面大部分还是负压． 风向角由270°向330°变化 时，由于环形结构外侧受风面高度的逐渐增高，使得 正对来风方向的环形内侧受正压面积减小大，结构 ·1033·
·1034· 北京科技大学学报 第33卷 表面大部分还是负压.图中除环形外侧主要正迎风 值随风向角增大而先增大后减小，在70°时最大. 面和环形内侧的小部分迎风面为正压外，大部分都 (2)110°~190°，净压开始出现正压，且随风向 为负压 角增大正压区逐渐扩大，最大正压值增大：190°~ (3)在迎风屋面边缘附近还是存在高负压区： 250°转变过程中，罩棚表面正压区面积开始逐渐减 迎风面附近风压等高线比较密集，其总体的变化规 小，最大正压值减小，在200°时罩棚出现最大正压. 律为迎风面受正压，其大小向四周沿等高线减少，证 (3)由250°向280°转变过程中，净压又开始为 实了气流激烈分离产生负压的原理. 全负压区，负压最大值逐渐增大：风向角由280°向 (4)该建筑由于具有良好的流线型曲面，流动 350°转变过程中，净压依然全为负压区，负压最大值 分离现象较钝体建筑微弱，在迎风面气流受到阻挡 逐渐减小.在280时罩棚出现最大负压. 产生分离，之后在另一端气流开始中心复合到表面， (4)在风向角由0°向350°转变过程中，净压主 负压逐渐减小：这一过程中，除了迎风面处气流分离 要以负压为主，即以升力为主，所以应注意罩棚悬索 比较激烈外，整个屋面基本为比较均匀的负压，因而 与膜的连接部分的设计，其中特别应注意对罩棚表 整体升力也比较大. 而升力最大风向的考虑 对于建筑物外墙面的玻璃幕墙，铝合金板及其 经计算得到各个风向角下罩棚表面所有测点前 他外装饰的设计，负风压是最不利的，应特别注意负 五个正压系数和负压系数的最大值，见表2，可以看 风压较大区域 出最大值出现角度符合上述罩棚表面风压系数的变 表1列出了各个风向角下外围壳体373个测点 化规律.本实验没有考虑竖向风的影响，对于大跨 前五个正压系数和负压系数的最大值 度屋盖结构可考虑采用有关文献6]所介绍的方法 修正 表1外围壳体结构表面前五个风压系数最大值 Table 1 Five maximum values of wind pressure on the surface of the pe- 5结论 ripheral shell 测点编号 风压系数最大值 风向角/() (1)凤凰传媒中心建筑表面为复杂的空间曲面 U130 0.75 50 构成，风场情况复杂，因此不能简单地按照其表面的 U049 0.73 340 曲率变化划分区域，风洞试验的数据准确地反映了 U108 0.72 30 这类非大变形柔性的大跨屋盖结构的风压系数分布 U124 0.71 230 情况，可以为这类复杂的大跨屋盖风压的设计提供 U163 0.70 90 依据. LU063 -1.63 20 (2)结构在各个风向角下的风压分布是随风向 076 -1.50 180 角的改变而改变的，且在各个风向角下总体是以受 U089 -1.50 200 升力为主 U134 -1.35 220 (3)通过对外围壳体表面风压系数等值线图分 U121 -1.30 170 析得到，除环形外侧主要正迎风面和环形内侧的小 部分迎风面为正压外，大部分都为负压，在迎风屋面 4.2中庭悬索膜结构表面风压分布 边缘附近还是存在高负压区；迎风面附近风压等高 图8(a)~(1)选择了0°~350°中体现罩棚结构 线比较密集，其总体的变化规律为迎风面受正压 表面风压变化趋势几个风向角，为考虑罩棚上、下表 其中最大正压出现在50°风向角时，最大值为 面风压的相关性，罩棚上、下表面双面对应布点，分 0.75kNm-2,最大负压为-1.63kN·m2,出现在 别给出了各个风向角下上、下表面平均风压系数和 20°风向角时. 净风压系数的等值线图. (4)通过对罩棚表面风压系数等值线图分析得 分析各个方向角下罩棚表面风压系数等值线 到其表面风压随风向角变化的规律，最大正压出现 图，可以得出各个风向角下风压分布具有如下特征. 在200°风向角下，最大值为0.68kNm-2,负压最大 (1)0°~110°，罩棚净压始终为负压，负压最大 值出现在70°时，为-0.7kNm-2
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表面大部分还是负压． 图中除环形外侧主要正迎风 面和环形内侧的小部分迎风面为正压外，大部分都 为负压 . ( 3) 在迎风屋面边缘附近还是存在高负压区; 迎风面附近风压等高线比较密集，其总体的变化规 律为迎风面受正压，其大小向四周沿等高线减少，证 实了气流激烈分离产生负压［11］的原理． ( 4) 该建筑由于具有良好的流线型曲面，流动 分离现象较钝体建筑微弱，在迎风面气流受到阻挡 产生分离，之后在另一端气流开始中心复合到表面， 负压逐渐减小; 这一过程中，除了迎风面处气流分离 比较激烈外，整个屋面基本为比较均匀的负压，因而 整体升力也比较大． 对于建筑物外墙面的玻璃幕墙，铝合金板及其 他外装饰的设计，负风压是最不利的，应特别注意负 风压较大区域． 表 1 列出了各个风向角下外围壳体 373 个测点 前五个正压系数和负压系数的最大值． 表 1 外围壳体结构表面前五个风压系数最大值 Table 1 Five maximum values of wind pressure on the surface of the peripheral shell 测点编号 风压系数最大值 风向角/( °) U130 0. 75 50 U049 0. 73 340 U108 0. 72 30 U124 0. 71 230 U163 0. 70 90 U063 － 1. 63 20 U076 － 1. 50 180 U089 － 1. 50 200 U134 － 1. 35 220 U121 － 1. 30 170 4. 2 中庭悬索膜结构表面风压分布 图 8( a) ～ ( l) 选择了 0° ～ 350°中体现罩棚结构 表面风压变化趋势几个风向角，为考虑罩棚上、下表 面风压的相关性，罩棚上、下表面双面对应布点，分 别给出了各个风向角下上、下表面平均风压系数和 净风压系数的等值线图． 分析各个方向角下罩棚表面风压系数等值线 图，可以得出各个风向角下风压分布具有如下特征． ( 1) 0° ～ 110°，罩棚净压始终为负压，负压最大 值随风向角增大而先增大后减小，在 70°时最大． ( 2) 110° ～ 190°，净压开始出现正压，且随风向 角增大正压区逐渐扩大，最大正压值增大; 190° ～ 250°转变过程中，罩棚表面正压区面积开始逐渐减 小，最大正压值减小，在 200°时罩棚出现最大正压． ( 3) 由 250°向 280°转变过程中，净压又开始为 全负压区，负压最大值逐渐增大; 风向角由 280°向 350°转变过程中，净压依然全为负压区，负压最大值 逐渐减小． 在 280°时罩棚出现最大负压． ( 4) 在风向角由 0°向 350°转变过程中，净压主 要以负压为主，即以升力为主，所以应注意罩棚悬索 与膜的连接部分的设计，其中特别应注意对罩棚表 面升力最大风向的考虑． 经计算得到各个风向角下罩棚表面所有测点前 五个正压系数和负压系数的最大值，见表 2，可以看 出最大值出现角度符合上述罩棚表面风压系数的变 化规律． 本实验没有考虑竖向风的影响，对于大跨 度屋盖结构可考虑采用有关文献［6］所介绍的方法 修正． 5 结论 ( 1) 凤凰传媒中心建筑表面为复杂的空间曲面 构成，风场情况复杂，因此不能简单地按照其表面的 曲率变化划分区域，风洞试验的数据准确地反映了 这类非大变形柔性的大跨屋盖结构的风压系数分布 情况，可以为这类复杂的大跨屋盖风压的设计提供 依据． ( 2) 结构在各个风向角下的风压分布是随风向 角的改变而改变的，且在各个风向角下总体是以受 升力为主． ( 3) 通过对外围壳体表面风压系数等值线图分 析得到，除环形外侧主要正迎风面和环形内侧的小 部分迎风面为正压外，大部分都为负压，在迎风屋面 边缘附近还是存在高负压区; 迎风面附近风压等高 线比较密集，其总体的变化规律为迎风面受正压． 其中最 大 正 压 出 现 在 50° 风 向 角 时，最 大 值 为 0. 75 kN·m － 2 ，最大负压为 － 1. 63 kN·m － 2 ，出现在 20°风向角时． ( 4) 通过对罩棚表面风压系数等值线图分析得 到其表面风压随风向角变化的规律，最大正压出现 在 200°风向角下，最大值为 0. 68 kN·m － 2 ，负压最大 值出现在 70°时，为 － 0. 7 kN·m － 2 ． ·1034·
第8期 关华等：凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 ·1035· 07 0 福上表面心4子 罩榻上表面 p e 00 净风压系数山 净风压系数 净风压系数 净风压系数 0 (a) d C C 上表面 0.6 翠下表面 净风压系数 风出系数 净风压系数 (e) ) (g) 47 7 06 07 C 显桶上表面 罩上表面 罩棚上表面 相上表面 1.2 1 007 01 02 43 01 01 罩胡下表面 罩翻下表面 罩福下表面 罩裙下表面 14 4 0 1 净风压系数 净风乐系数 净风压系数 净风压系数 ⊙ (》 (k) 图8不同风向角下罩棚表面风压系数变化规律.(a)0:(b)70°：(c)80°：(d)110°：(c)120°；(0190°：(g)200°：(h)250:(i) 260°：(j)280°：(k)290°：(1)350° Fig.8 Features of wind-pressure coefficients on the surface of the awning at different wind direction angles:(a)0:(b)70;(c)80:(d)110; (e）120°：(f0190:(g)200:(h)250°：(i)260°：(Gj)280°：(k)290°：(1)350 表2罩棚结构表面前五个风压系数最大值 Table 2 Five maximum values of wind pressure on the surface of the awning 测点编号 风压系数最大值 风向角/() 测点编号 风压系数最大值 风向角/() N378 0.68 200 N406 -0.70 70 N379 0.67 200 N398 -0.66 10 N377 0.66 200 N387 -0.65 280 N385 0.64 200 N395 -0.64 280 N376 0.61 200 N395 -0.63 290
第 8 期 关 华等: 凤凰传媒中心刚性模型的风洞试验 图 8 不同风向角下罩棚表面风压系数变化规律． ( a) 0°; ( b) 70°; ( c) 80°; ( d) 110°; ( e) 120°; ( f) 190°; ( g) 200°; ( h) 250°; ( i) 260°; ( j) 280°; ( k) 290°; ( l) 350° Fig． 8 Features of wind-pressure coefficients on the surface of the awning at different wind direction angles: ( a) 0°; ( b) 70°; ( c) 80°; ( d) 110°; ( e) 120°; ( f) 190°; ( g) 200°; ( h) 250°; ( i) 260°; ( j) 280°; ( k) 290°; ( l) 350° 表 2 罩棚结构表面前五个风压系数最大值 Table 2 Five maximum values of wind pressure on the surface of the awning 测点编号 风压系数最大值 风向角/( °) N378 0. 68 200 N379 0. 67 200 N377 0. 66 200 N385 0. 64 200 N376 0. 61 200 测点编号 风压系数最大值 风向角/( °) N406 － 0. 70 70 N398 － 0. 66 70 N387 － 0. 65 280 N395 － 0. 64 280 N395 － 0. 63 290 ·1035·
·1036· 北京科技大学学报 第33卷 参考文献 [6]Zhang X T.Wind Load Theory and Wind-Resistant Reckoner in [Shen SZ,Xu C B,Zhao C,et al.Design of Cable Structures. Structure Engineering.Shanghai:Tongji University Press,1990 Beijing:China Architecture Building Press 1997 (张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册.上海：同济 (沈世钊，徐崇宝，赵臣，等.悬索结构设计.北京：中国建筑工 大学出版社，1990) 业出版社，1997) 7]Huang P,Shi ZC,Chen W,et al.Simulation method and measur- Zhang Z J.Study on Wind-nduced Dynamic Response and Wind ing technology of atmospheric boundary layer.I Tongji Unir, Load Factor for Long-Span Flat Roof Structures [Dissertation]. 2001,29(1):39 Shanghai:Tongji University,2008 (黄鹏，施宗城，陈伟，等.大气边界层风场模拟及测试技术的 (张增军.大跨屋面结构的风振响应和风振系数的研究[学位 研究.同济大学学报，2001,29(1)：39) 论文].上海：同济大学，2008) Fang J S.Study on Wind Load Characteristics and Wind-resistant B3]Deng X W,Shi Y J.Wang Y Q,et al.Wind vibration analysis on Design Methods of Irregular Shape Long-pan Roofs [Disserta- the large-span curtain wall.J Chongging Jianzhu Univ,2006,28 tion].Shanghai:Tongji University,2007 (3):26 (方江生.复杂大跨度屋盖结构的风荷载特性及抗风设计研 (邓晓蔚，石永久，王元清，等.大跨度幕墙体系的风振分析 究[学位论文].上海：同济大学，2007) 重庆建筑大学学报，2006,28(3)：26) [9]Simiu E.Scanlan R H.Wind Effects on Structures:an Introduction Gu M,Zhou X Y.Equivalent static wind loads of large-span roof to Wind Engineering.New York:Wiley,1978 structures.J Build Struct,2007,28 (1)125 [10]Letchford C W,Sandri P,Levitan M L,et al.Frequency re- (顾明，周晅毅。大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应 sponse requirements for fluctuating wind pressure measurements. 用.建筑结构学报.2007,28(1)：125) J Wind Eng Ind Aerodyn,1992,40:263 5]Pei Y Z,Kou Y T,Zhu D,et al.Wind tunnel test and wind-in- [11]Shi B Q,Ni Z H,Xie Z N,et al.An experimental study on duced dynamic analysis of Beijing A380 hangar.China Cir Eng J, wind pressure characteristics.J Shantou Univ Nat Sci,2001,16 2008,41(2):22 (1):78 (裴永忠，寇岩滔，朱丹，等.北京A380机库风洞试验及风振 (石碧青，倪振华，谢壮宁，等.网壳风压分布特性试验研究. 响应分析.土木工程学报，2008,41(2)：22) 汕头大学学报：自然科学版，2001,16(1)：78)
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