大跨屋盖风振及温度作用 研究成果介绍 王勇奉 2017年9月9日星期六2017年9月9日星期六

汇报的主要内容 一、项目背景 二、研究目标 三、研究内容 四、研究成果 2017年9月9日星期六

项目背景 研究目标 研究内容 研究成果

项目背景 核电机组常规岛厂房随着容量的增加，汽机房的跨度也 越来越大，屋盖跨度也随之增大，海阳一期工程中，屋盖 跨度达到42m。 核岛安全壳距汽机房较近，常规岛厂房之间的距离也小于厂房长度的3.5倍，按照《建筑结构荷载规范》规定，风荷载体型系数取值要考虑风力相互干扰的群体效应。 《火力发电厂土建结构设计规定》对于跨度大于36m的 屋架要考虑温度作用。

项目背景 大跨屋盖研究现状：风振研究、屋盖温度作用研究多集中于机场、 体育馆等结构。 火电厂汽机房跨度多小于36m，一般不需进行风振计算。 国内罕见核电厂常规岛汽机房大跨屋盖这类结构关于风振、温度作 用等方面的文献。 有必要对此类大跨屋盖结构进行一系列的研究，以期获得合理经济 安全可靠的结构型式，为后续核电厂房屋盖设计提供借鉴和指导。

项目背景 研究目标 研究内容 研究成果

研究目标 通过风洞试验获取大跨度屋盖表面风荷载体型系数，用于围护结构设计及整体结构设计 通过风振响应计算得到大跨度屋盖结构的风振系数。 掌握大跨度屋盖的各受力杆件的温度作用分布规律，优化结构设计。

项目背景 研究目标 研究内容 研究成果

研究内容 屋盖表面风荷载研究 风振响应及静力等效风荷载研究 静力等效风荷载的影响因素研究 屋盖各受力杆件温度作用影响规律的研究 屋盖结构选型

项目背景 研究目标 研究内容 研究成果

研究成果1---屋盖表面风荷载 风洞试验工况 独立厂房（仅常规岛厂房） ，考虑和规范相比较 单个机组工况（核岛+常规岛主厂房），考虑核岛对常规岛主厂房影响 二个机组工况（主测试机组外，周边还有另一个机组），考虑多个建筑物的影响 风向角每隔15度为一工况，每一轮试验共有24个风向（即24个试验工况）。

研究成果1---屋盖表面风荷载 试验模型： 制作了几何缩尺比为1:150 的全结构刚体模型； 采用电子压力扫描阀同步测压。 在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的TJ-2边界层风洞进行试验，试验段尺寸为3m宽、2.5m高、15m长。

研究成果1----屋盖表面风荷载 单个机组 独立厂房 两个机组

研究成果1---屋盖表面风荷载 A类风场模拟 脉动风速功率谱 A类风场平均风速及湍流度剖面

研究成果1----屋盖表面风荷载 试验风速、采样频率和样本长度 风洞测压试验的参考点风速为13m/s（参考点高度：1.0m）。 测压信号采样频率为312.5Hz ，每个测点采样样本总长度为9000 个数据。根据相似比，对应于实际采样时间约为19分钟。

研究成果1----屋盖表面风荷载 测点布置，汽机房屋面共160个测点。

研究成果1----屋盖表面风荷载 间隔15度，共24个风向角 主厂房项目方位及风向角定义 2017年9月9日星期六2017年9月9日星期六

研究成果1----屋盖表面风荷载 风洞试验得到： 1、风压系数：独立厂房、单个机组、两个机组三种工况下的屋面各测点的不同风向角的平均风压系数、脉动风压系数 2、点体型系数：根据平均风压系数计算 μsi =C Pmean i (300/z)0.24 《建筑结构荷载规范》中的体型系数为整个测量面上的平均值 3、分块体型系数： 4、围护结构设计各测点的极值风压：按规范方法和统计方法计算 5、各分块体型系数的最大值及最小值

研究成果1----屋盖表面风荷载 6、按统计方法计算的各测点风压均大于规范方法计算的风压，其中，屋面边缘各点差别不太大，其余处差别比较大。经过计算分析，边缘各点按统计方法计算的风压是规范方法计算结果的1.1倍左右，其余处是1.3倍左右（规范中给出的阵风系数基于风速脉动（瞬时风速幅值和10分钟平均风速的比值）的统计公式，而围护结构的设计风压（瞬时风压）通常由流动分离控制。）

研究成果1----屋盖表面风荷载 分块体型系数极值：围护结构设计的基本参数 独立厂房的分块体型系数一

研究成果1----屋盖表面风荷载 围护结构设计的基本参数 独立厂房的分块体型系数二

研究成果1----屋盖表面风荷载 围护结构设计的基本参数 单个机组的分块体型系数一 2017年9月9日星期六2017年9月9日星期六

研究成果1----屋盖表面风荷载 围护结构设计的基本参数 单个机组的分块体型系数二

研究成果1----屋盖表面风荷载 围护结构设计的基本参数 二个机组的分块体型系数一

研究成果1----屋盖表面风荷载 围护结构设计的基本参数 二个机组的分块体型系数二 2017年9月9日星期六2017年9月9日星期六

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房90度风向角(↓)分块体型系数 （独立厂房）

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房90度风向角(↓)分块体型系数 （单个机组）

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房90度风向角(↓)分块体型系数 （两个机组）

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房270度风向角(↑)分块体型系数 （独立厂房）

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房270度风向角(↑)分块体型系数 （单个机组）

研究成果1----屋盖表面风荷载 结构整体设计取90度、270度风向角的分块体型系数 主厂房270度风向角(↑)分块体型系数 （两个机组）

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 1、屋面各测点体型系数大部分都是负值 各工况基本相似，以独立厂房为例 风压合力以向上的吸力为主，结构主要受向上的风吸力，边缘端部区域风吸力幅值最大

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 T.12轴侧各点即1区边缘节点在180度风向角即风垂直吹向屋架时体型系数基本相同，135度风向角和225度风向角时达到最小值（风压吸力幅值最大）。0度风向角时风压吸力幅值最小 T.A轴侧屋面边缘各点在270度风向角时体型系数基本相同，在225度风向角及315度风向角时最小（风压吸力幅值最大），边缘端部各点变化比较激烈。 T.1轴侧屋面边缘即4区边缘各点在0度风向角时体型系数基本相同，在45度风向角及315度风向角时最小（风压吸力幅值最大），边缘端部各点变化比较激烈。180度时风压吸力幅值最小。

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 2、点体型系数随风向角变化 在0度、90度、180度、270度风向角时，与风向角垂直的各部位点体型系数基本相同，当风与屋架成45度夹角吹向屋面时，边缘各点体型系数最小（风压吸力幅值最大），边缘端部变化比较激烈。

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 3、屋盖迎风面前缘荷载最大，尾部荷载较小。 0度、180度风向角屋面各测点点体型系数分布曲线图 0 度及180 度风向角时，由于气流在前缘的漩涡脱落，因此迎风屋面前沿体型系数绝对值较大；又由于此风向角下屋面纵向距离较长，漩涡会在屋面后缘发生再附等现象，导致屋面后缘部位体型系数绝对值较小

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 90度270度风向角屋面各测点点体型系数分布曲线图

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 4、风洞试验结果表明荷载规范规定的风荷载体型系数偏小，与美国标准相近 独立厂房工况时，体型系数与规范中理想的体型情况还是有一定差别的。270 度风向角（风由汽机房吹向除氧间）时，由于气流在屋面檐口处漩涡脱落，迎风面的体型系数绝对值较大，平均值为-1.0 左右，这与其屋面坡角仅为3 度左右有关。荷载规范中给出的近似情形的屋面体型系数为-0.6，为屋面坡角小于等于15 度的结果。90 度风向角时，风从西方向吹向主厂房，由于主厂房迎风的西侧位置有一个高度低一些的附属厂房，使得气流流过后有一定抬升，其在主厂房屋面檐口处漩涡脱落的强度降低，因此屋面风荷载体型系数与270 度风向角时相比绝对值有一定程度降低

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 0度风向角T.1轴侧点体型系数 180度风向角T.12轴侧点体型系数 90度风向角T.E轴侧点体型系数 270风向角T.A轴侧点体型系数

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 5、群体干扰效应规律复杂 0度风向角时，独立厂房的风荷载体型系数最大，单个机组的风荷载体型系数最小，两个机组的次之，核岛对紧邻的汽机房有遮蔽作用，对附近的汽机房有增大作用。180度方位角来风时，三种工况的风荷载体型系数比较接近。 90度风向角时，三种工况的风荷载体型系数比较接近，270度风向角时，两个机组工况的屋面边缘节点风荷载体型系数最小，独立厂房和单个机组的比较接近，说明临近厂房对风荷载效应有干扰作用。 （单个机组和二个机组）干扰效应的规律比较复杂，一般说施扰建筑在上游时整体是遮挡效应（降低下游建筑的风荷载），但下游受扰建筑的局部风荷载可能增大；施扰建筑在下游时影响较小。围护结构设计时要注意不能取一种工况，要考虑包络。

研究成果2----风荷载体型系数分布规律 T．1轴侧分块体型系数 T．12轴侧分块体型系数 T．A轴侧分块体型系数 T．E轴侧分块体型系数 6、从四个边缘分块体型系数分布图来看，边缘端部风荷载体型系数最小（幅值最大），尤以A-1附近区域最甚，这也与此处周边附属建筑物多有关

研究成果3---风振响应及风振系数 风振响应分析方法 在风洞试验已准确获得主厂房表面风压及风压相关性能的基础上，对结构进行风致抖振的非定常频域计算分析，采用平稳激励下随机振动的模态叠加法--CQC方法。

研究成果3---风振响应及风振系数 结构在抖振荷载作用下的运动方程为 响应在频域中的功率谱密度矩阵为 响应均方根由功率谱密度积分而得

研究成果3---风振响应及风振系数 静力等效风荷载计算方法 采用阵风响应因子法，以位移响应作为控制目标 定义峰值响应与平均响应之比为“阵风响应因子”G（风振系数），以此来表征结构对脉动风荷载的放大作用，即 其中， 表示平均响应；定义峰值响应 为 式中， 为峰值因子; 为计算得到的响应均方根； 式中的 是为了使 取得最大值。 2017年9月9日星期六2017年9月9日星期六

研究成果3---风振响应及风振系数 计算参数 计算工况的选取 参数名称 参数取值 地貌类型 A类 基本风压（100年重现期） 0.60 kPa 阻尼比 0.01，0.025，0.05 峰值因子 2.5 参振模态数目 50阶 计算工况的选取 对于100年重现期风速作用的情况，对0、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150、165、180、195、210、225、240、255、270、285、300、315、330、345度共24个风向角工况进行了结构动力计 算。

研究成果3---风振响应及风振系数 参振模态截止到50阶即可保证计算精度。 关键节点的位移根方差响应在参振模态数目达一定数目后，增加参振模态对位移根方差响应几乎无影响 2480节点竖向位移根方差随参振模态数目变化曲线（独立厂房，270度风向角，阻尼比2.5%）

研究成果3---风振响应及风振系数 典型屋盖方案 重型屋盖：钢屋架上铺压型钢板为底模的现浇钢筋混凝土板 轻型屋盖：钢屋架上铺复合保温压型钢板 重型屋盖A（不考虑屋面板刚度） 重型屋盖B（考虑屋面板刚度） 轻型屋盖A（无端屋架） 轻型屋盖B（有端屋架）

研究成果3---风振响应及风振系数 风振系数 （独立厂房） （单个机组） （二个机组） 位移响应 向上 向下 重型屋盖A（阻尼比0.05） 1.45 -0.59 1.42 -0.54 1.35 -0.53 重型屋盖A（阻尼比0.025） 1.47 -0.67 1.43 -0.60 1.36 -0.58 重型屋盖B（阻尼比0.025） -0.49 1.40 -0.41 1.39 轻型屋盖A（阻尼比0.025） 1.46 -0.77 -0.43 轻型屋盖B（阻尼比0.025） -0.45 1.41 -0.34 轻型屋盖B（阻尼比0.01） 1.48 -0.63 -0.39 1.37 -0.48

研究成果3---风振响应及风振系数 阻尼比影响规律 2480节点竖向位移响应功率谱（独立厂房，270度风向角工况），阻尼比分别为2.5%、1.0% 3414节点竖向位移响应功率谱（独立厂房，165度风向角工况），阻尼比分别为2.5%、1.0%

研究成果3---风振响应及风振系数 风振系数包含了结构风致响应中的背景和共振部分，并考虑了振型之间的交叉项对响应的影响 风振系数相应于屋盖的结构型式差别不大（差值在0.03） 周边建筑物对风振响应有影响，独立厂房时，风振响应最大。 边榀屋架存在局部振动，平均位移与极值位移符号相反，因此得到的风振系数为负值。 大部分节点响应以背景响应为主，阻尼比的变化基本没什么影响。对个别平均响应很小，而且处于屋面边缘的节点，局部振型影响较大，其动力响应中共振响应占较大比例，因此阻尼比的变化有一定的影响（差值在0.28）

研究成果4---温度作用影响规律 一、屋架温度场取值： 重型屋盖温度场取值 混凝土屋面板最大温升工况（考虑太阳辐射）：58.5℃ 混凝土屋面板最大温降工况（不考虑太阳辐射）：-58.68℃ 屋架最大温升工况（考虑太阳辐射）：58.5℃ 屋架最大温降工况（不考虑太阳辐射）：-36℃ 轻型屋盖温度场取值 最大温升工况（考虑太阳辐射）：59℃ 最大温降工况（不考虑太阳辐射）：-36℃

研究成果4---温度作用影响规律 二、下部混凝土结构温度场取值： 三、温度作用折减（混凝土非完全弹性）： 最大温升工况：48℃ 最大温降工况（考虑收缩当量）：-58.68℃ 三、温度作用折减（混凝土非完全弹性）： 通过弹性计算结果乘以折减系数 材料塑性影响：0.85；裂缝影响：0.5；徐变对应力松弛的影响：0.5

研究成果4---温度作用影响规律 1、温度变化对屋架结构的变形起显著作用，温度效应的作用不可忽视，在结构设计时，要充分考虑结构的温度效应，提高结构在正常使用情况下的可靠性要求。 2、靠近山墙的屋面板变形幅值最大，相应的屋架变形也最大。由于E轴下有除氧间的约束作用，使得靠近E轴的屋面板变形较A轴的小。 3、各构件在温度作用下的最大内力均发生在端部的四榀屋架上，因此在设计中应保证构件截面具有足够的安全储备；而对于其余榀屋架构件，考虑到其内力在温度工况下较小，在截面设计中可进行优化设计。

研究成果4---温度作用影响规律 4.与柔性水平支撑相比，刚性水平支撑能使屋架整体的抗震性能显著改善，且使屋架下弦杆件压力减小。 温升工况下2轴上、下弦杆轴力

研究成果4---温度作用影响规律 5.山墙端部设置屋架可以有效的减小屋架水平撑受到的压力，可用于方案优化。 水平撑位置 工况内力分类 内力值（kN） 比值 山墙端部未设置屋架 （方案一） 山墙端部设置屋架 （方案二） 上弦 温升工况最大压力 706.3 378.3 1.9 温升工况最大拉力 108.9 35.3 3.1 温降工况最大压力 109.6 97.6 1.1 温降工况最大拉力 401.1 200.8 2.0 下弦 1563.4 140.4 825.8 0.2 217.9 500.7 0.4 940.6

研究成果4---温度作用影响规律 6.与重型屋盖相比，轻型屋盖在温度作用作用下的受力小很多。重型屋盖最不利温度工况为温降工况，轻型屋盖的的最不利温度工况为温升工况。 海阳一期--重型屋架；海阳二期--轻型屋架 2轴屋架上弦杆件内力图 2轴屋架下弦杆件内力图

屋面与檩条连接可破坏被吹走，檩条与屋架的连接、屋架与主厂房的连接必须完好 研究成果5---屋盖选型 重型屋盖（钢梁上现浇钢筋混凝土屋面板） 轻型屋盖（复合保温压型钢板屋面） 温度应力 大 小 自重 大，地震作用大 小，地震作用小 抗龙卷风 靠增加板厚增加自重抗龙卷风 屋面与檩条连接可破坏被吹走，檩条与屋架的连接、屋架与主厂房的连接必须完好 用钢量 高 低 维护 压型钢板底模壁厚较薄易于腐蚀，腐蚀情况严重时亦无法更换维修；现浇屋面板仅通过栓钉与屋架上弦杆连接， 栓钉与弦杆连接处是腐蚀的集中点，长期处于腐蚀环境中，使栓钉承载力降低极易破坏，使构件受力状态与分析模型不符，且无法维护使用时存在安全风险 防腐蚀易于维护，更新方便 全寿期造价 1280万元 948万元 大跨度屋盖推荐采用轻型屋盖

谢谢 2017年9月9日星期六