大型體育場看臺罩棚抗風性能的多維度探究與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代社會，大型體育場作為舉辦各類體育賽事、文藝演出及大型集會的重要場所，不僅是城市的標志性建筑，更是承載著豐富社會文化活動的關(guān)鍵設(shè)施。隨著城市化進程的加速和體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型體育場的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加，其造型也日益多樣化和復雜化，以滿足不同的功能需求和審美追求。然而，體育場看臺罩棚作為體育場的重要組成部分，通常具有大跨度、輕質(zhì)、柔性的結(jié)構(gòu)特點，這使得其在風荷載作用下的受力性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng)變得尤為復雜，成為風敏感結(jié)構(gòu)。風災是一種常見且具有強大破壞力的自然災害，對建筑結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴重威脅。據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年里，全球范圍內(nèi)因風災導致的建筑物損壞和人員傷亡事件時有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。對于大型體育場而言，其看臺罩棚一旦在風災中受損，不僅會影響賽事的正常舉辦，還可能危及觀眾和工作人員的生命安全，引發(fā)嚴重的社會問題。例如，2018年超強臺風“山竹”登陸我國南部沿海地區(qū)，部分地區(qū)的體育場看臺罩棚在強風作用下出現(xiàn)了不同程度的損壞，有的罩棚結(jié)構(gòu)局部坍塌，有的屋面材料被掀起，導致體育場設(shè)施遭受嚴重破壞，修復工作耗費了大量的人力、物力和時間。此外，2005年颶風“卡特里娜”襲擊美國新奧爾良市，該市的一些體育場看臺罩棚也未能幸免，風災過后，體育場滿目瘡痍，許多設(shè)施需要重建，這不僅給當?shù)氐捏w育事業(yè)帶來了沉重打擊，也對城市的經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生了長期的負面影響。在風荷載作用下，體育場看臺罩棚會受到多種復雜的作用力。風的紊流特性會使罩棚表面產(chǎn)生脈動風壓，這種脈動風壓會導致罩棚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，長期的振動作用可能使結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生疲勞損傷，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。當風繞過罩棚時，會在其周圍形成復雜的氣流場，導致罩棚表面的風壓分布不均勻，某些部位可能會承受較大的吸力或壓力，從而對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。此外，風的動力效應(yīng)還可能引發(fā)罩棚結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，進一步加劇結(jié)構(gòu)的破壞程度。如果不能準確掌握體育場看臺罩棚在風荷載作用下的受力性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，就難以保證其在風災中的安全性。因此，開展大型體育場看臺罩棚抗風研究具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。從保障建筑安全的角度來看，通過深入研究罩棚的抗風性能，可以為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學依據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗風能力，從而有效降低風災對體育場的破壞風險，保障觀眾和工作人員的生命財產(chǎn)安全。從降低風災損失的角度出發(fā)，合理的抗風設(shè)計可以減少風災發(fā)生時體育場的受損程度，降低修復和重建成本，減少因體育場設(shè)施損壞而導致的經(jīng)濟損失，包括賽事取消、商業(yè)活動中斷等間接損失。這對于維護社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。對體育場看臺罩棚抗風性能的研究成果，還可以為相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計提供參考和借鑒，推動整個建筑行業(yè)在抗風設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)進步，促進建筑結(jié)構(gòu)抗風理論和方法的不斷完善和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著風工程學科的發(fā)展，大型體育場看臺罩棚抗風研究在國內(nèi)外均受到了廣泛關(guān)注，并取得了豐富的研究成果。國外在該領(lǐng)域的研究起步較早，風洞試驗是其早期研究的主要手段。墨爾本（Melbourne）進行了多個氣彈模型試驗，提出用三角形等效靜力荷載來計算風荷載，澳大利亞規(guī)范中懸挑屋蓋風荷載設(shè)計建議大多基于他的成果。但墨爾本進一步指出，在復雜環(huán)境下，如體育場看臺屋蓋相對布置時，處于下風向的屋蓋受上風向屋蓋尾流作用影響，屋蓋上可能產(chǎn)生向下的風荷載，這一情況易被設(shè)計人員忽視。Kawai等研究了體育場懸挑屋蓋的氣動特性及屋面質(zhì)量、屋蓋傾角、阻尼比等參數(shù)對風致響應(yīng)的影響，然而，該研究未考慮屋蓋下看臺的影響，因此在體育場看臺設(shè)計中的應(yīng)用存在局限性。Killen和Letchford系統(tǒng)地研究了懸挑屋蓋基本幾何參數(shù)、通氣孔位置、屋蓋前邊緣設(shè)置廣告牌等因素對屋蓋風壓的影響，發(fā)現(xiàn)屋蓋傾角及懸挑長度與屋蓋高度之比（L／H）的變化對作用在屋蓋上的荷載極值影響不明顯，且通過與澳大利亞規(guī)范結(jié)果比較，指出規(guī)范給出的荷載在某些情況下偏不安全，建議采用梯形等效靜力荷載形式。在風荷載特性研究方面，早期剛性模型測壓試驗主要針對單側(cè)主看臺且俯視呈矩形的簡單挑篷，試驗發(fā)現(xiàn)挑篷上主要產(chǎn)生向上的風壓（負壓），這是由于氣流在上表面形成分離泡，且挑篷下部傾斜主看臺的阻塞作用抑制了下表面的分離。為減小風荷載，Cook和Melbourne提出了前緣開槽的氣動措施。九十年代初，剛性模型測壓試驗研究更加成熟，開始考慮將試驗結(jié)果應(yīng)用于響應(yīng)計算等定量分析，如丹麥的Hansen在測壓試驗中將挑篷劃分為多塊，通過平均壓力時程與結(jié)構(gòu)模態(tài)振型組合積分得到廣義氣動力，并嘗試用隨機振動譜分析方法計算風振響應(yīng)，還進行了可靠性分析。在風振響應(yīng)分析方面，國外學者運用多種理論和方法進行研究。一些學者采用頻域分析方法，基于隨機振動理論，通過建立結(jié)構(gòu)的動力方程和功率譜密度函數(shù)，求解結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)。也有學者采用時域分析方法，直接對結(jié)構(gòu)進行時程分析，考慮風荷載的隨機性和時間相關(guān)性，得到結(jié)構(gòu)的位移、加速度等響應(yīng)時程。國內(nèi)的研究雖起步相對較晚，但發(fā)展迅速。目前，國內(nèi)研究大多針對某些具體結(jié)構(gòu)形式，研究風壓分布形式及風場干擾問題。K.M.Lam和A.PTo通過系列風洞試驗對矩形懸挑屋蓋進行系統(tǒng)的參數(shù)比較，得到了一些有意義的結(jié)論。隨著計算流體力學（CFD）技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)學者開始運用CFD數(shù)值模擬對大跨度矩形體育場看臺挑篷結(jié)構(gòu)在近地面風作用下的繞流情況進行系統(tǒng)研究，論述了風向角、屋蓋跨高比、長寬比、坡度及下部看臺等因素對屋蓋上、下表面風壓分布的影響，提出了大跨度體育場看臺挑篷中跨及邊跨豎向風荷載的計算方法，可用于實際工程的初步設(shè)計計算。在風振響應(yīng)分析方面，國內(nèi)學者采用風洞模型試驗和計算機數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對體育場看臺屋蓋的風振機理、風振形態(tài)、風振響應(yīng)以及風振系數(shù)進行系統(tǒng)研究。如對臺州體育中心看臺屋蓋，通過剛性模型風洞試驗獲得屋面風壓分布規(guī)律，建立有限元模型，在頻域內(nèi)采用背景模態(tài)分析法，在時域內(nèi)采用直接積分法進行風振響應(yīng)分析，并通過兩種方法計算結(jié)果的對比，指出在準定常假設(shè)基礎(chǔ)上的背景模態(tài)分析法所得風振響應(yīng)規(guī)律和時程分析法所得基本吻合，且能考慮高階頻率對振動的影響。在抗風設(shè)計方法上，國內(nèi)外都在不斷探索和完善。國外一些先進的設(shè)計理念和方法逐漸被引入國內(nèi)，國內(nèi)學者也結(jié)合我國的實際情況和工程經(jīng)驗，對現(xiàn)有的抗風設(shè)計規(guī)范進行補充和修訂，提出了一些適合我國國情的抗風設(shè)計方法和建議。例如，在確定風荷載體型系數(shù)和風振系數(shù)時，考慮更多的影響因素，采用更精確的計算模型和方法，以提高抗風設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于大型體育場看臺罩棚抗風性能，綜合運用多種方法展開全面深入的研究，旨在揭示其在風荷載作用下的力學機理和響應(yīng)規(guī)律，為工程設(shè)計提供堅實的理論支撐和實踐指導。在研究內(nèi)容方面，風荷載特性分析是關(guān)鍵的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。通過深入探究大氣邊界層風特性，精準掌握平均風、脈動風的特性以及湍流強度、脈動風速譜等重要概念。運用風洞試驗和數(shù)值模擬等先進手段，詳細分析不同風向角、地貌條件下體育場看臺罩棚表面的風壓分布規(guī)律，明確風荷載體型系數(shù)的取值。同時，深入研究風場干擾對罩棚風荷載的影響，全面考量周邊建筑物、地形地貌等因素所產(chǎn)生的復雜作用。風振響應(yīng)研究也是重要內(nèi)容，其目的在于建立科學合理的有限元模型，結(jié)合風荷載特性分析結(jié)果，在頻域和時域內(nèi)分別進行風振響應(yīng)分析。在頻域分析中，運用隨機振動理論和背景模態(tài)分析法，準確計算結(jié)構(gòu)脈動響應(yīng)的均方根值，深入探究高階頻率對振動的影響。在時域分析中，采用直接積分法求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時間歷程，全面獲取位移、加速度等關(guān)鍵響應(yīng)參數(shù)。通過對比兩種分析方法的結(jié)果，深入揭示風振響應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律，為結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計提供關(guān)鍵依據(jù)。抗風設(shè)計方法探討是本研究的核心目標之一。綜合考慮風荷載特性和風振響應(yīng)研究成果，深入探討適合大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計方法。對現(xiàn)行抗風設(shè)計規(guī)范進行細致分析，結(jié)合實際工程案例，提出針對性的改進建議和優(yōu)化措施。例如，在確定風荷載體型系數(shù)和風振系數(shù)時，充分考慮更多的影響因素，采用更精確的計算模型和方法，以提高抗風設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。同時，研究結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、材料性能等因素對結(jié)構(gòu)抗風性能的影響，為優(yōu)化抗風設(shè)計提供科學指導。在研究方法上，本研究采用理論分析、數(shù)值模擬、風洞試驗和案例分析相結(jié)合的方式。理論分析基于空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學等基礎(chǔ)理論，推導風荷載計算理論和結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)分析方法，為整個研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。運用CFD數(shù)值模擬軟件對體育場看臺罩棚周圍的風場進行模擬，獲取詳細的風壓分布數(shù)據(jù)，深入分析風場特性。數(shù)值模擬具有成本低、可重復性強、能夠模擬復雜工況等優(yōu)勢，能夠為研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。風洞試驗作為風工程研究的重要手段，按照相似原理制作剛性模型和氣動彈性模型，在模擬大氣邊界層流場的風洞中進行試驗。通過測量模型表面的風壓分布和結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)，獲得真實可靠的數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果提供驗證和校準。案例分析選取國內(nèi)外具有代表性的大型體育場看臺罩棚，對其抗風設(shè)計、施工及運行過程中的實際情況進行深入分析，總結(jié)成功經(jīng)驗和存在的問題，為其他工程提供寶貴的參考和借鑒。二、大型體育場看臺罩棚結(jié)構(gòu)與風荷載特性2.1看臺罩棚結(jié)構(gòu)形式與特點大型體育場看臺罩棚作為體育場的重要圍護結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，每種形式都具有獨特的力學性能和建筑美學價值。常見的罩棚結(jié)構(gòu)形式包括空間網(wǎng)架、桁架、網(wǎng)殼、懸索、薄膜以及組合結(jié)構(gòu)等?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由多根桿件按照特定規(guī)律的幾何圖形，通過節(jié)點連接形成空間結(jié)構(gòu)。其桿件布置靈活，可根據(jù)建筑需求呈現(xiàn)出多種平面和空間形狀。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力均勻，能充分發(fā)揮材料的力學性能，具有重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點。以兩向正交正放網(wǎng)架為例，它由兩個方向的平面桁架相互正交組成，在兩個方向上的桿件受力較為均勻，適用于平面形狀較為規(guī)則的體育場看臺罩棚。四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如正放四角錐網(wǎng)架，通過將四角錐體單元組合在一起，形成穩(wěn)定的空間受力體系，具有良好的空間剛度和承載能力。在實際工程中，許多體育場采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為看臺罩棚，如某城市的大型體育場，其罩棚采用了正放四角錐網(wǎng)架形式，在滿足建筑功能需求的同時，展現(xiàn)出簡潔大方的建筑外觀，且在長期使用過程中，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，經(jīng)受住了各種荷載的考驗。桁架結(jié)構(gòu)是由桿件通過節(jié)點連接而成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，可分為平面桁架和空間桁架。平面桁架在一個平面內(nèi)受力，而空間桁架則在三維空間內(nèi)承受荷載。桁架結(jié)構(gòu)的桿件主要承受軸向力，能夠充分利用材料的強度，具有受力明確、構(gòu)造簡單、施工方便等特點。在體育場看臺罩棚中，常采用的是空間桁架結(jié)構(gòu)，它可以根據(jù)罩棚的形狀和受力要求進行靈活布置。例如，一些體育場的罩棚采用三角形桁架作為基本單元，通過不同的組合方式形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，不僅提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，還為建筑造型提供了更多的可能性。某體育場的看臺罩棚采用了三角形空間桁架結(jié)構(gòu)，其獨特的造型與體育場的整體風格相融合，成為城市的標志性建筑之一。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是曲面形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。它兼具桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的特性，桿件受力合理，結(jié)構(gòu)剛度大，跨越能力強。球面網(wǎng)殼是一種常見的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，其受力均勻，穩(wěn)定性好，能夠覆蓋較大的空間范圍。雙曲拋物面網(wǎng)殼則具有獨特的曲面形狀，在建筑造型上富有創(chuàng)意，常用于一些對建筑外觀要求較高的體育場。例如，某國際知名體育場的看臺罩棚采用了雙曲拋物面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其優(yōu)美的曲線造型不僅為觀眾帶來了獨特的視覺體驗，還體現(xiàn)了建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)力學的完美結(jié)合。懸索結(jié)構(gòu)以受拉的鋼索作為主要承重構(gòu)件，通過索的拉力來抵抗外荷載。懸索結(jié)構(gòu)具有自重輕、跨越能力大、結(jié)構(gòu)形式靈活等優(yōu)點，能夠創(chuàng)造出獨特的建筑空間。在體育場看臺罩棚中，懸索結(jié)構(gòu)常與其他結(jié)構(gòu)形式組合使用，以提高結(jié)構(gòu)的整體性能。例如，某體育場的看臺罩棚采用了懸索-桁架組合結(jié)構(gòu)，利用懸索的大跨度跨越能力和桁架的空間剛度，實現(xiàn)了大空間的覆蓋，同時也增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。薄膜結(jié)構(gòu)是一種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，通過膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。薄膜結(jié)構(gòu)具有自重輕、建筑造型自由豐富、施工方便等特點，其透光性和自潔性也為體育場營造了獨特的室內(nèi)環(huán)境。一些現(xiàn)代化的體育場采用薄膜結(jié)構(gòu)作為看臺罩棚，如某體育場的罩棚采用了張拉式膜結(jié)構(gòu)，通過巧妙的張拉設(shè)計，使膜面呈現(xiàn)出流暢的曲線，不僅滿足了建筑功能需求，還展現(xiàn)出輕盈、靈動的建筑風格。組合結(jié)構(gòu)則是將上述兩種或多種結(jié)構(gòu)形式有機結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以滿足體育場復雜的功能和建筑要求。例如，索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種典型的組合結(jié)構(gòu)，它將索結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用索的拉力和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的空間剛度，實現(xiàn)了大跨度、大懸挑的結(jié)構(gòu)形式，同時也提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。鄭州奧體中心體育場罩棚采用車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在國內(nèi)屬于新型空間鋼結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)上弦為剛性單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，下弦為車輻式布置的張拉索桿體系，通過合理的結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在滿足承載能力要求的同時，展現(xiàn)出獨特的建筑造型。這些大型體育場看臺罩棚結(jié)構(gòu)通常具有大跨度、懸挑、輕質(zhì)、柔性等特點。大跨度使得罩棚能夠覆蓋廣闊的空間，滿足大量觀眾的觀賽需求；懸挑結(jié)構(gòu)則為觀眾提供了更好的觀賽視野，避免了立柱對視線的遮擋。輕質(zhì)和柔性特點使得罩棚在自身重量較輕的情況下，能夠適應(yīng)風荷載等動態(tài)荷載的作用，但同時也增加了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的敏感性。風荷載的脈動特性會使罩棚產(chǎn)生振動，當風的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，可能引發(fā)共振現(xiàn)象，導致結(jié)構(gòu)的響應(yīng)急劇增大，從而對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成威脅。此外，風荷載在罩棚表面的分布不均勻，會在某些部位產(chǎn)生較大的吸力或壓力，容易造成結(jié)構(gòu)局部破壞。因此，深入研究大型體育場看臺罩棚的結(jié)構(gòu)形式與特點，對于準確把握其在風荷載作用下的力學性能和響應(yīng)規(guī)律，保障結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。2.2風荷載的基本概念與組成風荷載是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力，其形成機理源于大氣中氣壓分布的不均勻性。太陽輻射使地球表面受熱不均，導致不同區(qū)域的空氣溫度和密度存在差異，從而產(chǎn)生氣壓差。在氣壓差的作用下，空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動，形成風。當風遇到建筑物時，其流動狀態(tài)受到阻礙，氣流在建筑物表面發(fā)生分離、繞流和再附等復雜現(xiàn)象，進而在建筑物表面產(chǎn)生壓力或吸力，這些壓力或吸力就是風荷載。風荷載由平均風荷載和脈動風荷載兩部分組成。平均風荷載是在較長時間內(nèi)（一般取10分鐘）風速的平均值所產(chǎn)生的風荷載，它具有相對穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)的作用類似于靜力荷載，主要影響結(jié)構(gòu)的整體變形和內(nèi)力分布。例如，在一座位于城市郊區(qū)的體育場看臺罩棚中，平均風荷載會使罩棚產(chǎn)生整體的彎曲和變形，其大小與風速的平均值、建筑物的體型和高度等因素密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究和實際工程經(jīng)驗，在相同的風速條件下，體型復雜、高度較高的罩棚所承受的平均風荷載相對較大。脈動風荷載則是由于風速的脈動特性而產(chǎn)生的。大氣邊界層中的風具有明顯的紊流特性，風速在短時間內(nèi)會圍繞平均值發(fā)生隨機波動，這種波動導致了脈動風荷載的產(chǎn)生。脈動風荷載的周期較短，且具有隨機性，其作用會引起結(jié)構(gòu)的振動，對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。當脈動風的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，可能引發(fā)共振現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大。在某大型體育場看臺罩棚的風洞試驗中發(fā)現(xiàn)，當脈動風的頻率與罩棚的某一階自振頻率接近時，罩棚的振動加速度明顯增大，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也顯著增加，這表明脈動風荷載對結(jié)構(gòu)的安全性具有潛在威脅。風吸力和風壓力是風荷載作用在建筑物表面的兩種表現(xiàn)形式。風壓力是指風作用在建筑物迎風面上的壓力，它使建筑物表面受到向外的推力。風吸力則是指風作用在建筑物背風面、側(cè)面以及某些特殊部位（如懸挑結(jié)構(gòu)的下表面）的吸力，它使建筑物表面受到向內(nèi)的拉力。在體育場看臺罩棚中，迎風面通常承受較大的風壓力，而背風面和懸挑部位則可能承受較大的風吸力。以某體育場的懸挑罩棚為例，在強風作用下，罩棚的迎風面風壓較大，而背風面和懸挑下表面則出現(xiàn)了明顯的風吸力，這種不均勻的風壓分布對罩棚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。風荷載體型系數(shù)是描述風荷載在建筑物表面分布特性的重要參數(shù)，它反映了建筑物體型和表面狀況對風荷載的影響。不同形狀和尺寸的建筑物，其風荷載體型系數(shù)各不相同。對于常見的矩形平面體育場看臺罩棚，其迎風面的風荷載體型系數(shù)一般為正值，表示風壓力；背風面的風荷載體型系數(shù)一般為負值，表示風吸力。而對于一些復雜形狀的罩棚，如曲面形、不規(guī)則形等，風荷載體型系數(shù)的分布更為復雜，需要通過風洞試驗或數(shù)值模擬等方法來準確確定。在某不規(guī)則形狀的體育場看臺罩棚設(shè)計中，通過風洞試驗獲得了其表面詳細的風荷載體型系數(shù)分布，結(jié)果顯示，在某些特殊部位，風荷載體型系數(shù)的絕對值較大，這些部位在設(shè)計中需要特別加強。風壓高度變化系數(shù)是考慮風速隨高度變化對風荷載影響的系數(shù)。隨著離地面高度的增加，風速逐漸增大，風壓也隨之增大。風壓高度變化系數(shù)與地面粗糙度密切相關(guān)，地面粗糙度越大，風速隨高度的變化越緩慢，風壓高度變化系數(shù)相對較??；反之，地面粗糙度越小，風速隨高度的變化越迅速，風壓高度變化系數(shù)相對較大。在體育場看臺罩棚的設(shè)計中，需要根據(jù)場地的地面粗糙度類別確定相應(yīng)的風壓高度變化系數(shù)，以準確計算不同高度處的風荷載。例如，對于位于城市市區(qū)（地面粗糙度為C類）的體育場，其風壓高度變化系數(shù)與位于鄉(xiāng)村（地面粗糙度為B類）的體育場相比，在相同高度處會有所不同，這在風荷載計算中必須予以考慮。2.3影響看臺罩棚風荷載的因素大型體育場看臺罩棚所承受的風荷載受到多種復雜因素的綜合影響，深入研究這些因素對于準確評估罩棚的抗風性能、確保結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。建筑外形是影響看臺罩棚風荷載的關(guān)鍵因素之一。不同的建筑外形會導致氣流在其表面產(chǎn)生不同的繞流特性，從而使風荷載的分布和大小發(fā)生顯著變化。對于常見的矩形平面體育場看臺罩棚，當風垂直吹向其迎風面時，氣流在迎風面受阻，形成高壓區(qū)，產(chǎn)生較大的風壓力；在背風面，氣流分離形成低壓區(qū)，產(chǎn)生風吸力。而當罩棚為曲面形時，如球面、雙曲拋物面等，氣流的繞流情況更為復雜。以球面罩棚為例，氣流在球面上的流動會產(chǎn)生不均勻的壓力分布，在頂部區(qū)域，氣流速度相對較快，壓力較小，可能產(chǎn)生吸力；而在底部區(qū)域，氣流速度相對較慢，壓力較大，可能產(chǎn)生壓力。對于一些造型獨特的體育場看臺罩棚，如鳥巢體育場，其復雜的空間結(jié)構(gòu)和獨特的外形使得氣流在其表面的流動呈現(xiàn)出高度的非線性和復雜性。風洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鳥巢體育場的某些部位在特定風向角下會出現(xiàn)較大的局部風壓，這些部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要特別加強，以確保在強風作用下的安全性。風向角的變化對看臺罩棚風荷載有著顯著影響。隨著風向角的改變，氣流與罩棚表面的夾角發(fā)生變化，導致風荷載的大小和分布規(guī)律也相應(yīng)改變。在某一風向角下，罩棚的迎風面和背風面所承受的風壓力和吸力大小會有所不同。當風向角為0°時，即風垂直吹向罩棚的某一側(cè)面，該側(cè)面為迎風面，承受較大的風壓力，而背風面承受較大的風吸力；當風向角逐漸增大時，迎風面和背風面的風荷載大小會發(fā)生變化，且可能出現(xiàn)一些特殊的風壓分布情況。在風向角為45°時，罩棚的角部區(qū)域可能會出現(xiàn)較大的局部風壓，這是由于氣流在角部的交匯和分離導致的。研究表明，對于不同形狀的體育場看臺罩棚，其最不利風向角也有所不同。對于矩形平面的罩棚，0°和90°風向角通常是較為不利的情況；而對于不規(guī)則形狀的罩棚，最不利風向角需要通過詳細的風洞試驗或數(shù)值模擬來確定。在實際工程設(shè)計中，必須考慮多種風向角的作用，以確保罩棚在各種風況下的安全性。地形地貌條件對看臺罩棚風荷載也有著重要影響。不同的地形地貌，如山地、平原、海邊等，會導致大氣邊界層風的特性發(fā)生變化，從而影響罩棚所承受的風荷載。在山地地區(qū)，由于地形的起伏和山體的阻擋，氣流會發(fā)生加速、繞流和分離等現(xiàn)象，使得風荷載的分布更加復雜。在山峰附近，氣流會被加速，風速增大，導致風荷載顯著增加；而在山谷地區(qū)，氣流可能會形成漩渦，產(chǎn)生不穩(wěn)定的風壓，對罩棚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。在海邊地區(qū)，由于海面的粗糙度較小，氣流在海面上的流動較為順暢，風速相對較大，且海風還可能攜帶鹽分等腐蝕性物質(zhì)，對罩棚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用。根據(jù)相關(guān)研究，海邊地區(qū)的體育場看臺罩棚所承受的風荷載通常比內(nèi)陸地區(qū)要大。在某海邊城市的體育場建設(shè)中，通過對當?shù)氐匦蔚孛驳脑敿毧辈旌头治觯Y(jié)合風洞試驗結(jié)果，對罩棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化，增加了結(jié)構(gòu)的強度和抗風能力，以適應(yīng)海邊復雜的風環(huán)境。周邊建筑環(huán)境同樣會對看臺罩棚風荷載產(chǎn)生影響。當體育場周圍存在其他建筑物時，這些建筑物會改變氣流的流動狀態(tài)，形成風場干擾，從而影響罩棚表面的風壓分布。如果周邊建筑物較高且距離較近，可能會對體育場看臺罩棚形成遮擋，減小罩棚所承受的風荷載；但在某些情況下，周邊建筑物的存在也可能會導致氣流在罩棚周圍產(chǎn)生復雜的繞流和漩渦，增大罩棚的風荷載。在某城市的體育中心，多個體育場相鄰建設(shè)，由于周邊體育場的存在，氣流在各體育場看臺罩棚之間形成了復雜的干擾效應(yīng)。通過風洞試驗發(fā)現(xiàn)，在特定風向條件下，部分看臺罩棚的某些部位風荷載明顯增大，這在設(shè)計中需要予以充分考慮。周邊建筑物的布局和形狀也會影響風場干擾的程度。例如，周邊建筑物呈密集排列時，風場干擾效應(yīng)會更加明顯；而周邊建筑物布局較為分散時，風場干擾相對較小。在體育場的規(guī)劃和設(shè)計階段，應(yīng)合理考慮周邊建筑環(huán)境的影響，通過優(yōu)化建筑布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小風場干擾對看臺罩棚風荷載的不利影響。三、風荷載的獲取方法與數(shù)值模擬3.1風洞試驗原理與應(yīng)用風洞試驗作為研究空氣動力學特性的重要手段，在大型體育場看臺罩棚抗風研究中具有不可替代的作用。其基本原理基于相對性原理和相似性原理。根據(jù)相對性原理，當體育場看臺罩棚靜止不動，空氣以一定速度流過時，與罩棚在靜止空氣中以相同速度運動所受到的空氣動力效果是一致的。這為在實驗室環(huán)境下模擬實際風場提供了理論基礎(chǔ)。而相似性原理則是風洞試驗的關(guān)鍵，它要求風洞流場與真實風場之間滿足一系列相似準則，包括幾何相似、運動相似、動力相似和熱力學相似等。通過滿足這些相似準則，可以將縮尺模型在風洞中的試驗結(jié)果準確地推算到實際結(jié)構(gòu)上。在風洞試驗中，首先需要根據(jù)體育場看臺罩棚的實際尺寸和研究要求，按照一定比例制作縮尺模型。模型的材料通常選擇輕質(zhì)、高強度且易于加工的材料，如ABS塑料、鋁合金等，以保證模型在滿足強度和剛度要求的同時，能夠準確模擬實際結(jié)構(gòu)的幾何形狀和表面特性。對于復雜形狀的體育場看臺罩棚，如具有曲面、不規(guī)則外形的罩棚，模型制作需要采用先進的加工工藝和技術(shù)，以確保模型的精度和質(zhì)量。某體育場的看臺罩棚具有復雜的雙曲面造型，在模型制作過程中，采用了3D打印技術(shù)，精確地復制了罩棚的外形，為后續(xù)的風洞試驗提供了可靠的模型基礎(chǔ)。將制作好的模型放置在風洞的試驗段中，通過風機等設(shè)備產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，模擬不同風速、風向和湍流特性的大氣邊界層風場。在氣流流動過程中，利用各種先進的測量設(shè)備，如壓力傳感器、風速儀、熱線風速儀等，對模型表面的風壓分布、風速變化以及結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)等參數(shù)進行精確測量。壓力傳感器可以測量模型表面各個測點的壓力，從而得到風壓分布情況；風速儀和熱線風速儀則可以測量氣流的速度和湍流特性。這些測量設(shè)備的精度和可靠性直接影響到試驗結(jié)果的準確性，因此在試驗前需要對設(shè)備進行嚴格的校準和調(diào)試。在某體育場看臺罩棚的風洞試驗中，采用了高精度的壓力傳感器，其測量精度可以達到±0.1Pa，能夠準確地測量出模型表面微小的壓力變化，為研究罩棚的風壓分布規(guī)律提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。通過風洞試驗，可以獲得大量關(guān)于體育場看臺罩棚在風荷載作用下的重要數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于深入了解罩棚的氣動特性、風荷載分布規(guī)律以及風振響應(yīng)特性具有重要意義。通過測量模型表面的風壓分布，可以確定風荷載體型系數(shù)的分布情況，了解不同部位的風荷載大小和方向，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供準確的風荷載取值。研究表明，在不同風向角下，體育場看臺罩棚的風荷載體型系數(shù)分布存在顯著差異，某些部位可能會出現(xiàn)較大的吸力或壓力，這在設(shè)計中需要特別關(guān)注。通過測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，可以研究罩棚的風振特性，包括振動頻率、振幅、加速度等參數(shù)，評估風振對結(jié)構(gòu)安全的影響，為結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計提供關(guān)鍵依據(jù)。在某體育場看臺罩棚的風洞試驗中，通過測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在特定風速下，罩棚的某些部位出現(xiàn)了較大的振動加速度，這表明該部位的結(jié)構(gòu)在風振作用下可能存在安全隱患，需要在設(shè)計中采取相應(yīng)的加強措施。氣彈模型試驗是風洞試驗中的一種重要類型，它能夠更真實地模擬結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動力響應(yīng)。對于大型體育場看臺罩棚這種輕質(zhì)、柔性的結(jié)構(gòu)，氣彈模型試驗具有獨特的優(yōu)勢。在氣彈模型試驗中，模型不僅要滿足幾何相似，還要模擬實際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度和阻尼等動力特性，以確保模型在風洞中的振動響應(yīng)與實際結(jié)構(gòu)相似。為了實現(xiàn)這一目標，氣彈模型的設(shè)計和制作需要考慮多個因素。在材料選擇方面，通常采用輕質(zhì)且具有一定彈性的材料，如碳纖維復合材料、橡膠等，以滿足質(zhì)量和剛度的相似要求。在模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需要合理布置構(gòu)件，使其能夠準確模擬實際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式。某體育場看臺罩棚的氣彈模型采用了碳纖維復合材料制作，通過精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)布置，成功地模擬了實際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度特性，在風洞試驗中獲得了準確的風振響應(yīng)數(shù)據(jù)。在氣彈模型試驗過程中，通過測量模型在風荷載作用下的位移、速度、加速度等振動響應(yīng)參數(shù)，可以深入研究結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)特性。這些參數(shù)能夠反映結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動態(tài)行為，為評估結(jié)構(gòu)的抗風性能提供重要依據(jù)。通過分析位移響應(yīng)，可以了解結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的變形情況，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求；通過分析速度和加速度響應(yīng)，可以評估結(jié)構(gòu)的振動強度和穩(wěn)定性，預測結(jié)構(gòu)在極端風荷載作用下的破壞模式。在某體育場看臺罩棚的氣彈模型試驗中，通過測量模型的振動響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在強風作用下，罩棚的懸挑部位出現(xiàn)了較大的位移和加速度響應(yīng)，這表明該部位的結(jié)構(gòu)在風振作用下較為敏感，需要加強設(shè)計以提高其抗風能力。3.2數(shù)值風洞模擬技術(shù)數(shù)值風洞模擬技術(shù)作為風工程研究的重要手段，基于計算流體力學（CFD）理論，通過建立數(shù)學模型和數(shù)值算法，在計算機上模擬氣流的流動過程，從而獲取結(jié)構(gòu)表面的風壓分布和周圍風場特性。這一技術(shù)的發(fā)展為大型體育場看臺罩棚抗風研究提供了新的途徑，能夠有效彌補風洞試驗的局限性，如模型縮尺效應(yīng)、試驗成本高、周期長等問題。CFD的基本原理是將描述流體運動的基本方程，如連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，通過數(shù)值方法進行離散化處理，將連續(xù)的流場轉(zhuǎn)化為離散的計算網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格節(jié)點上求解方程，從而得到流場中各物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布。以連續(xù)性方程為例，它反映了流體在流動過程中的質(zhì)量守恒原理，其數(shù)學表達式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0其中，\rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為速度矢量。在CFD計算中，通過對該方程進行離散化處理，如采用有限體積法，將流場劃分為一系列控制體積，對每個控制體積內(nèi)的質(zhì)量守恒進行計算，從而得到整個流場的密度分布。動量方程則描述了流體的動量變化與外力之間的關(guān)系，其通用形式為：\frac{\partial(\rho\vec{v})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v}\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{f}其中，p為壓力，\tau為應(yīng)力張量，\vec{f}為體積力。動量方程在CFD計算中用于求解流場中的速度分布，它考慮了流體的慣性力、壓力梯度力、粘性力和體積力等因素。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的流動問題和計算需求，會對動量方程進行適當?shù)暮喕吞幚?。在CFD模擬中，常用的湍流模型包括標準k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型等。標準k-ε模型是一種基于渦粘性假設(shè)的兩方程湍流模型，通過求解湍動能k和湍動耗散率ε的輸運方程，來確定湍流粘性系數(shù)，進而求解動量方程和連續(xù)性方程。該模型在工程應(yīng)用中較為廣泛，具有計算效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但在模擬復雜流動時，如強旋流、分離流等，其精度可能會受到一定限制。RNGk-ε模型是在標準k-ε模型的基礎(chǔ)上，通過重整化群理論對湍流耗散率方程進行修正，使其能夠更好地模擬高應(yīng)變率和旋轉(zhuǎn)流等復雜流動。該模型在處理流動分離和再附等問題時，表現(xiàn)出比標準k-ε模型更高的精度，但計算復雜度也相對較高。Realizablek-ε模型則對湍流粘性系數(shù)和耗散率方程進行了改進，引入了新的產(chǎn)生項和耗散項，使其在模擬邊界層流動、射流和尾流等問題時具有更好的性能。該模型能夠更準確地預測流動的分離和再附現(xiàn)象，以及湍流的各向異性特性，但在某些情況下，其計算穩(wěn)定性可能不如標準k-ε模型。在對CFD方程進行數(shù)值離散時，常用的方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法是將連續(xù)的偏微分方程在離散的網(wǎng)格節(jié)點上進行差分近似，通過求解差分方程組來得到流場的數(shù)值解。該方法計算簡單、直觀，但對于復雜的幾何形狀和邊界條件，網(wǎng)格生成較為困難。有限元法是將求解區(qū)域劃分為有限個單元，通過對每個單元內(nèi)的物理量進行插值逼近，建立單元的離散方程，然后將所有單元的方程組裝成總體方程進行求解。有限元法對復雜幾何形狀和邊界條件的適應(yīng)性強，但計算量較大，且在處理大變形和流固耦合問題時，需要采用特殊的算法和技術(shù)。有限體積法是將控制方程在有限大小的控制體積上進行積分，利用積分形式的守恒定律來建立離散方程。該方法在物理意義上更為明確，能夠較好地保證守恒性，且對網(wǎng)格的適應(yīng)性較強，因此在CFD計算中得到了廣泛應(yīng)用。在有限體積法中，常用的數(shù)值通量計算方法有中心差分格式、迎風格式和Roe格式等，不同的格式具有不同的精度和穩(wěn)定性特點，需要根據(jù)具體的計算問題進行選擇。在求解CFD方程時，通常采用迭代求解的方法，如SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）及其改進算法SIMPLER、SIMPLEC等。SIMPLE算法是一種基于壓力修正的迭代算法，其基本思想是通過求解動量方程得到速度的初步解，然后根據(jù)連續(xù)性方程構(gòu)造壓力修正方程，對壓力和速度進行修正，經(jīng)過多次迭代，使速度和壓力滿足連續(xù)性方程和動量方程。在實際計算中，還需要合理設(shè)置迭代收斂條件，以確保計算結(jié)果的準確性和可靠性。收斂條件通常包括殘差收斂和物理量收斂等，殘差收斂是指計算過程中各方程的殘差（如連續(xù)性方程、動量方程的殘差）小于設(shè)定的閾值，物理量收斂則是指流場中的物理量（如速度、壓力）在多次迭代后不再發(fā)生明顯變化。在對大型體育場看臺罩棚進行數(shù)值風洞模擬時，首先需要根據(jù)實際工程尺寸和設(shè)計要求，建立精確的幾何模型。對于復雜的罩棚結(jié)構(gòu)，如具有曲面、不規(guī)則外形的罩棚，通常采用三維建模軟件（如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等）進行建模，確保模型能夠準確反映實際結(jié)構(gòu)的幾何特征。在建立幾何模型時，需要考慮罩棚的形狀、尺寸、懸挑長度、坡度等因素，以及周邊環(huán)境（如地形、周邊建筑物等）對風場的影響。將體育場看臺罩棚及周邊一定范圍內(nèi)的地形、建筑物等進行建模，形成一個完整的計算區(qū)域，以準確模擬風在該區(qū)域內(nèi)的流動情況。劃分高質(zhì)量的計算網(wǎng)格是數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟之一。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計算結(jié)果的精度和計算效率。對于復雜的體育場看臺罩棚結(jié)構(gòu)，通常采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，如四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格及其混合網(wǎng)格等。在劃分網(wǎng)格時，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和流場的變化特點，合理控制網(wǎng)格的尺寸和分布。在罩棚表面和流場變化劇烈的區(qū)域，如迎風面、背風面、懸挑部位等，采用較小的網(wǎng)格尺寸，以提高計算精度；而在遠離罩棚的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸可以適當增大，以減少計算量?？梢酝ㄟ^網(wǎng)格加密技術(shù)，如局部加密、自適應(yīng)加密等，進一步提高關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量。在罩棚的懸挑部位，采用局部加密的方法，使該區(qū)域的網(wǎng)格更加細密，從而更準確地捕捉流場的變化。設(shè)置合理的邊界條件也是數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)。常見的邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對稱邊界條件等。入口邊界條件通常采用速度入口或壓力入口，根據(jù)實際風場的特性，設(shè)置入口風速、風向、湍流強度等參數(shù)。在模擬大氣邊界層風場時，需要根據(jù)地面粗糙度類別，按照相應(yīng)的風速剖面公式設(shè)置入口風速隨高度的變化。出口邊界條件一般采用壓力出口或自由出流邊界，使流場在出口處能夠自由發(fā)展。壁面邊界條件根據(jù)罩棚表面的物理特性，選擇無滑移邊界條件或滑移邊界條件，對于粗糙的罩棚表面，還需要考慮壁面粗糙度對流動的影響。如果體育場看臺罩棚具有對稱性，可以采用對稱邊界條件，以減少計算量，提高計算效率。在完成上述設(shè)置后，即可進行數(shù)值計算。在計算過程中，需要密切關(guān)注計算的收斂情況和計算結(jié)果的合理性。如果計算不收斂，需要分析原因，如網(wǎng)格質(zhì)量、邊界條件設(shè)置、數(shù)值算法選擇等，并進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。通過數(shù)值風洞模擬，可以獲得體育場看臺罩棚表面的風壓分布、風荷載體型系數(shù)、周圍風場的速度分布和壓力分布等重要信息，為罩棚的抗風設(shè)計和分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。3.3風荷載獲取方法對比分析風洞試驗和數(shù)值風洞模擬技術(shù)作為獲取大型體育場看臺罩棚風荷載的兩種主要方法，各自具有獨特的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中發(fā)揮著不同的作用。從成本角度來看，風洞試驗的成本相對較高。風洞的建設(shè)需要投入大量的資金，包括場地建設(shè)、設(shè)備購置、安裝調(diào)試等費用。一個大型的建筑風洞，其建設(shè)成本可能高達數(shù)千萬元甚至上億元。風洞試驗過程中的運行成本也不容忽視，包括風機運行、模型制作、測試設(shè)備使用、人員投入等費用。對于一些復雜的體育場看臺罩棚風洞試驗，可能需要進行多次試驗，每次試驗的成本都在數(shù)萬元到數(shù)十萬元不等。相比之下，數(shù)值風洞模擬技術(shù)的成本相對較低。它主要依賴于計算機硬件和軟件，雖然高性能計算機和專業(yè)CFD軟件的購置也需要一定的費用，但與風洞試驗相比，總體成本要低得多。對于一般的工程應(yīng)用，使用數(shù)值風洞模擬進行風荷載分析，所需的成本可能僅為風洞試驗的幾分之一甚至更低。在精度方面，風洞試驗能夠提供較為真實可靠的結(jié)果。它通過在實際的流場中對縮尺模型進行測試，能夠直接測量模型表面的風壓分布和結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)，考慮了各種復雜的物理因素，如氣流的粘性、湍流效應(yīng)、邊界層特性等，其結(jié)果具有較高的可信度。在某體育場看臺罩棚的風洞試驗中，通過高精度的壓力傳感器測量模型表面的風壓，測量精度可達±0.1Pa，能夠準確地獲取風荷載數(shù)據(jù)。然而，風洞試驗也存在一定的局限性，如模型縮尺效應(yīng)、支架干擾、邊界效應(yīng)等，這些因素可能會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，導致結(jié)果存在一定的誤差。數(shù)值風洞模擬技術(shù)的精度則受到多種因素的影響，包括湍流模型的選擇、網(wǎng)格劃分的質(zhì)量、邊界條件的設(shè)置以及數(shù)值算法的精度等。不同的湍流模型對復雜流場的模擬能力存在差異，選擇不合適的湍流模型可能會導致計算結(jié)果與實際情況存在較大偏差。在模擬體育場看臺罩棚周圍的復雜氣流時，標準k-ε模型可能無法準確捕捉到氣流的分離和再附現(xiàn)象，而Realizablek-ε模型則可能表現(xiàn)出更好的性能。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也至關(guān)重要，粗糙的網(wǎng)格可能無法準確描述流場的細節(jié)，從而影響計算精度。如果在罩棚表面的網(wǎng)格劃分不夠細密，可能會導致計算得到的風壓分布不準確。盡管數(shù)值風洞模擬技術(shù)在不斷發(fā)展和完善，但其精度在某些復雜情況下仍難以與風洞試驗相媲美。在適用范圍方面，風洞試驗適用于各種復雜形狀和結(jié)構(gòu)的體育場看臺罩棚，能夠模擬不同的風環(huán)境和工況，包括不同的風向角、風速、湍流強度等。對于一些具有獨特造型和復雜結(jié)構(gòu)的體育場，如鳥巢體育場，風洞試驗能夠準確地測量其表面的風壓分布和結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。然而，風洞試驗受到模型尺寸和試驗設(shè)備的限制，對于一些大型的體育場看臺罩棚，可能無法制作全尺寸模型進行試驗，縮尺模型可能會引入一定的誤差。數(shù)值風洞模擬技術(shù)則具有更強的靈活性，它可以方便地改變各種參數(shù)，如建筑外形、風向角、地形地貌等，快速地進行多方案對比分析。在體育場看臺罩棚的設(shè)計階段，可以通過數(shù)值風洞模擬快速評估不同設(shè)計方案的風荷載特性，為設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。數(shù)值風洞模擬還可以模擬一些在實際風洞試驗中難以實現(xiàn)的工況，如極端風荷載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。但數(shù)值風洞模擬技術(shù)對于一些復雜的物理現(xiàn)象，如流固耦合、大氣邊界層的精細模擬等，還存在一定的困難，需要進一步的研究和發(fā)展。綜上所述，風洞試驗和數(shù)值風洞模擬技術(shù)在成本、精度、適用范圍等方面存在明顯的差異。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的研究目的、工程需求和預算等因素，合理選擇風荷載獲取方法。對于一些對精度要求較高、結(jié)構(gòu)復雜的大型體育場看臺罩棚項目，風洞試驗仍然是獲取風荷載的重要手段；而數(shù)值風洞模擬技術(shù)則可以作為一種輔助工具，用于初步設(shè)計階段的方案評估和參數(shù)優(yōu)化，以及在無法進行風洞試驗時提供參考數(shù)據(jù)。在條件允許的情況下，將兩者結(jié)合使用，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高風荷載獲取的準確性和可靠性，為大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計提供更有力的支持。四、大型體育場看臺罩棚風振響應(yīng)分析4.1風振響應(yīng)的基本理論風振響應(yīng)是指結(jié)構(gòu)在風荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)，其產(chǎn)生機理源于風荷載的脈動特性以及結(jié)構(gòu)自身的動力特性。當風作用于大型體育場看臺罩棚時，平均風荷載使罩棚產(chǎn)生一定的靜態(tài)位移，而脈動風荷載則導致罩棚在靜態(tài)位移附近產(chǎn)生振動。脈動風的隨機性使得風振響應(yīng)成為一個復雜的隨機振動問題，需要運用相關(guān)的理論和方法進行分析。風振響應(yīng)主要由背景響應(yīng)和共振響應(yīng)兩部分組成。背景響應(yīng)是由于脈動風的非相干部分引起的，它在整個結(jié)構(gòu)上呈連續(xù)分布，與結(jié)構(gòu)的自振頻率關(guān)系不大。共振響應(yīng)則是當脈動風的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，導致結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著增大。共振響應(yīng)具有明顯的選擇性，只在結(jié)構(gòu)的某些特定頻率下發(fā)生，且其響應(yīng)幅值通常比背景響應(yīng)大得多。隨機振動理論是研究風振響應(yīng)的重要理論基礎(chǔ)。在隨機振動理論中，風荷載被視為隨機過程，其特性可以通過概率統(tǒng)計的方法進行描述。脈動風速可以用均值、方差、功率譜密度等參數(shù)來表征。均值表示脈動風速的平均大小，方差反映了脈動風速的波動程度，功率譜密度則描述了脈動風速在不同頻率上的能量分布。通過對脈動風速的功率譜密度分析，可以了解脈動風的頻率組成和能量分布情況，為風振響應(yīng)分析提供重要依據(jù)。頻域分析和時域分析是求解風振響應(yīng)的兩種主要方法，各有其特點和適用范圍。頻域分析方法基于傅里葉變換，將時域的風荷載信號轉(zhuǎn)換到頻域進行分析。在頻域內(nèi)，通過建立結(jié)構(gòu)的動力方程和功率譜密度函數(shù)，求解結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)幅值和相位。頻域分析方法的優(yōu)點是計算效率高，能夠快速得到結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)特性，適用于線性結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)風荷載作用下的風振響應(yīng)分析。在對某大型體育場看臺罩棚進行風振響應(yīng)分析時，采用頻域分析方法，通過求解結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)，得到了結(jié)構(gòu)在不同風向角下的風振系數(shù)和位移響應(yīng)均方根值，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要參考。但頻域分析方法需要對風荷載進行平穩(wěn)化假設(shè)，對于非平穩(wěn)風荷載和非線性結(jié)構(gòu)的分析存在一定的局限性。時域分析方法則直接在時間域內(nèi)對結(jié)構(gòu)進行時程分析，考慮風荷載的隨機性和時間相關(guān)性。通過將風荷載時程離散化，采用數(shù)值積分方法求解結(jié)構(gòu)的動力方程，得到結(jié)構(gòu)的位移、加速度等響應(yīng)時程。時域分析方法能夠準確考慮風荷載的各種特性，包括非平穩(wěn)性、空間相關(guān)性等，適用于復雜結(jié)構(gòu)和非穩(wěn)態(tài)風荷載作用下的風振響應(yīng)分析。在對某復雜形狀的體育場看臺罩棚進行風振響應(yīng)分析時，采用時域分析方法，考慮了風荷載的非平穩(wěn)特性和結(jié)構(gòu)的非線性行為，得到了結(jié)構(gòu)在強風作用下的位移和加速度時程響應(yīng)，為評估結(jié)構(gòu)的安全性提供了準確的數(shù)據(jù)。然而，時域分析方法計算量較大，對計算機性能要求較高，且計算結(jié)果的準確性依賴于風荷載時程的模擬精度和數(shù)值積分方法的選擇。4.2風振系數(shù)的確定方法風振系數(shù)作為衡量結(jié)構(gòu)在風荷載作用下動力效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，其準確確定對于大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計至關(guān)重要。風振系數(shù)是指結(jié)構(gòu)總響應(yīng)與平均風壓引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值，它綜合反映了脈動風對結(jié)構(gòu)的動力放大作用。在風荷載作用下，平均風壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的靜態(tài)位移，而脈動風壓則使結(jié)構(gòu)在靜態(tài)位移附近產(chǎn)生振動，風振系數(shù)正是用于考慮這種振動對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。對于大型體育場看臺罩棚這種大跨度、輕質(zhì)、柔性的結(jié)構(gòu)，風振系數(shù)的取值直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。如果風振系數(shù)取值過小，可能導致結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的實際響應(yīng)超過設(shè)計預期，從而危及結(jié)構(gòu)安全；反之，如果取值過大，則會增加結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載，導致材料浪費和成本增加。在我國現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009）中，對于風振系數(shù)的取值給出了相應(yīng)的規(guī)定和計算方法。對于高度不超過30m且高寬比小于1.5的建筑結(jié)構(gòu)，可近似認為脈動風壓對結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)較小，風振系數(shù)取為1.0。而對于高度超過30m且高寬比大于1.5的高層建筑以及構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，規(guī)范給出了基于結(jié)構(gòu)基本自振周期、脈動風特性等參數(shù)的風振系數(shù)計算公式。該公式考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性和脈動風的隨機特性，通過一定的經(jīng)驗系數(shù)和計算方法來確定風振系數(shù)的取值。然而，對于大型體育場看臺罩棚這類特殊的大跨度結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)形式復雜、風荷載分布不均勻以及邊界條件的特殊性，規(guī)范中的取值方法往往難以準確適用。體育場看臺罩棚的體型系數(shù)分布與建筑外形密切相關(guān)，不同的外形會導致氣流在其表面產(chǎn)生不同的繞流特性，從而使風振系數(shù)的取值存在較大差異。一些具有獨特造型的體育場看臺罩棚，其風振系數(shù)可能需要通過專門的風洞試驗或數(shù)值模擬來確定。時程分析是確定風振系數(shù)的一種重要方法，它基于結(jié)構(gòu)動力學原理，通過對結(jié)構(gòu)在風荷載時程作用下的動力響應(yīng)進行直接積分求解，從而得到結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度等響應(yīng)時程。在時程分析中，首先需要根據(jù)風洞試驗或數(shù)值模擬結(jié)果，獲取作用在結(jié)構(gòu)上的風荷載時程。這些風荷載時程應(yīng)考慮脈動風的隨機性、時間相關(guān)性和空間相關(guān)性，以準確模擬實際風場的特性。利用結(jié)構(gòu)動力學軟件，如ANSYS、SAP2000等，建立體育場看臺罩棚的有限元模型，將風荷載時程施加到模型上，采用合適的數(shù)值積分算法，如Newmark法、Wilson-θ法等，對結(jié)構(gòu)的動力方程進行求解，得到結(jié)構(gòu)在不同時刻的響應(yīng)。通過對結(jié)構(gòu)響應(yīng)時程的統(tǒng)計分析，如計算響應(yīng)的最大值、均方根值等，可以確定結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)。在某體育場看臺罩棚的時程分析中，通過模擬100個不同的風荷載時程樣本，對結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進行統(tǒng)計分析，得到結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)為1.5，這表明該罩棚在風荷載作用下的動力響應(yīng)明顯大于平均風壓作用下的響應(yīng)。頻域分析也是確定風振系數(shù)的常用方法之一，它基于隨機振動理論，將風荷載視為平穩(wěn)隨機過程，通過對結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)進行分析來確定風振系數(shù)。在頻域分析中，首先需要根據(jù)脈動風的功率譜密度函數(shù)，將風荷載在頻域內(nèi)進行描述。脈動風的功率譜密度函數(shù)反映了脈動風在不同頻率上的能量分布情況，常用的功率譜密度函數(shù)有Davenport譜、Kaimal譜等。利用結(jié)構(gòu)動力學理論，建立結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)方程，通過求解該方程，可以得到結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)幅值和相位。通過對結(jié)構(gòu)頻域響應(yīng)的積分運算，可以得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的均方根值，進而確定結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)。在某大型體育場看臺罩棚的頻域分析中，采用Davenport譜描述脈動風，利用隨機振動理論計算結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)為1.45，與通過時程分析得到的結(jié)果相近，驗證了頻域分析方法的有效性。在實際工程應(yīng)用中，時程分析和頻域分析各有優(yōu)缺點。時程分析能夠考慮風荷載的各種復雜特性，如非平穩(wěn)性、空間相關(guān)性等，計算結(jié)果較為準確，但計算量較大，對計算機性能要求較高，且計算結(jié)果的準確性依賴于風荷載時程的模擬精度和數(shù)值積分方法的選擇。頻域分析方法計算效率高，能夠快速得到結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)，但需要對風荷載進行平穩(wěn)化假設(shè)，對于非平穩(wěn)風荷載和非線性結(jié)構(gòu)的分析存在一定的局限性。因此，在確定大型體育場看臺罩棚的風振系數(shù)時，應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合考慮采用時程分析和頻域分析方法，或者結(jié)合風洞試驗結(jié)果，以確保風振系數(shù)的取值準確合理。4.3算例分析：某大型體育場看臺罩棚風振響應(yīng)計算以某大型體育場看臺罩棚為具體算例，深入開展風振響應(yīng)計算研究，旨在通過實際案例分析，更直觀地揭示大型體育場看臺罩棚在風荷載作用下的風振響應(yīng)特性，為同類工程的抗風設(shè)計提供有力的參考依據(jù)。該體育場看臺罩棚采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其平面呈橢圓形，長軸長度為200m，短軸長度為150m，罩棚最大懸挑長度達30m，最高點高度為25m。這種結(jié)構(gòu)形式在大跨度建筑中應(yīng)用廣泛，具有受力均勻、空間剛度大等優(yōu)點，但同時也對風荷載較為敏感。場地地面粗糙度類別為B類，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，該地區(qū)的基本風壓為0.5kN/m2，這是計算風荷載的重要基礎(chǔ)參數(shù)。運用有限元分析軟件ANSYS建立精確的罩棚結(jié)構(gòu)有限元模型。在建模過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的實際構(gòu)造和力學特性，對各構(gòu)件進行合理簡化和模擬。對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件，采用梁單元進行模擬，梁單元能夠較好地模擬桿件的彎曲和軸向受力特性。節(jié)點連接方式按照實際情況進行設(shè)置，確保模型能夠準確反映結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)。在劃分網(wǎng)格時，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和分析精度要求，采用合適的網(wǎng)格尺寸和劃分方式。對于懸挑部位等關(guān)鍵區(qū)域，加密網(wǎng)格，以提高計算精度，確保能夠準確捕捉這些部位的應(yīng)力和變形情況。經(jīng)過細致的建模和網(wǎng)格劃分，最終得到的有限元模型共有節(jié)點10000余個，單元8000余個，為后續(xù)的風振響應(yīng)計算提供了可靠的模型基礎(chǔ)。通過風洞試驗和數(shù)值風洞模擬兩種方法獲取風荷載數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進行對比分析。在風洞試驗中，按照1:200的比例制作剛性模型，將模型放置在模擬大氣邊界層風場的風洞中進行測試。利用高精度壓力傳感器測量模型表面多個測點的風壓，通過對這些測點風壓數(shù)據(jù)的處理和分析，得到罩棚表面的風壓分布情況。在數(shù)值風洞模擬中，采用ANSYSFluent軟件進行模擬?；谟嬎懔黧w力學（CFD）理論，建立包含體育場看臺罩棚及周邊一定范圍區(qū)域的計算模型，設(shè)置合理的邊界條件和湍流模型，對風場進行模擬。通過模擬計算，得到罩棚表面的風壓分布和周圍風場的特性參數(shù)。對比風洞試驗和數(shù)值風洞模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者在風壓分布規(guī)律上基本一致，但在某些局部區(qū)域存在一定差異。在罩棚的懸挑端部，風洞試驗測得的風壓值略大于數(shù)值風洞模擬結(jié)果，這可能是由于風洞試驗中模型支架的干擾以及數(shù)值風洞模擬中湍流模型的局限性等因素導致的。在整體趨勢上，兩種方法得到的風壓分布能夠相互驗證，為后續(xù)的風振響應(yīng)計算提供了較為可靠的風荷載數(shù)據(jù)。在頻域分析中，基于隨機振動理論，采用背景模態(tài)分析法計算結(jié)構(gòu)的脈動響應(yīng)。首先，通過有限元模型計算得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，確定結(jié)構(gòu)的動力特性。該體育場看臺罩棚的前幾階自振頻率分別為1.2Hz、2.5Hz、3.8Hz等，振型表現(xiàn)為整體彎曲、扭轉(zhuǎn)以及局部振動等形式。根據(jù)脈動風的功率譜密度函數(shù)，將風荷載在頻域內(nèi)進行描述。采用Davenport譜作為脈動風的功率譜密度函數(shù)，該譜能夠較好地反映大氣邊界層脈動風的頻率特性。通過對結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)進行積分運算，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的均方根值，進而確定結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)。經(jīng)過計算，該罩棚在特定風向角下的風振系數(shù)為1.45，這表明在風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)相對較大，需要在設(shè)計中充分考慮風振的影響。在時域分析中，采用直接積分法求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時間歷程。利用線性濾波法編制Matlab程序，模擬出具有隨機性、時間相關(guān)性和空間相關(guān)性的脈動風速時程序列。將模擬得到的脈動風速時程序列轉(zhuǎn)化為風荷載時程，并施加到有限元模型上。采用Newmark法對結(jié)構(gòu)的動力方程進行求解，得到結(jié)構(gòu)在不同時刻的位移、速度和加速度響應(yīng)時程。通過對響應(yīng)時程的統(tǒng)計分析，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大值、最小值和均方根值等參數(shù)。在某一強風作用時段，結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)達到了0.2m，最大加速度響應(yīng)為0.5m/s2，這表明在極端風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形和振動較為明顯，需要采取相應(yīng)的抗風措施來確保結(jié)構(gòu)的安全。對比頻域分析和時域分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的風振系數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。頻域分析得到的風振系數(shù)略小于時域分析結(jié)果，這可能是由于頻域分析中對風荷載的平穩(wěn)化假設(shè)以及背景模態(tài)分析法的局限性導致的。在結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面，時域分析能夠更準確地反映結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，而頻域分析則更側(cè)重于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮兩種方法的結(jié)果，根據(jù)具體情況選擇合適的分析方法和參數(shù)取值，以確保結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計安全可靠。五、大型體育場看臺罩棚抗風設(shè)計方法與措施5.1抗風設(shè)計的基本原則與規(guī)范大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計需遵循安全性、適用性和經(jīng)濟性的基本原則，以確保結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的可靠性、使用功能和經(jīng)濟效益。安全性是抗風設(shè)計的首要原則，要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)，能承受可能出現(xiàn)的各種風荷載作用，不發(fā)生破壞或倒塌，保障人員和財產(chǎn)的安全。在設(shè)計過程中，需依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標準，準確確定風荷載的取值，進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計算，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求。對于重要的體育場看臺罩棚，還需進行抗風性能的專項評估，確保在極端風荷載條件下結(jié)構(gòu)仍能保持安全。適用性原則關(guān)注結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的正常使用功能。結(jié)構(gòu)的變形和振動應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，避免因過大的變形或振動影響觀眾的舒適度和使用安全。在風荷載作用下，罩棚的位移不能過大，以免影響屋面防水和排水功能；振動加速度應(yīng)滿足人體舒適度要求，避免觀眾產(chǎn)生不適。經(jīng)濟性原則要求在滿足安全性和適用性的前提下，盡量降低抗風設(shè)計的成本。合理選擇結(jié)構(gòu)形式、材料和構(gòu)件尺寸，優(yōu)化設(shè)計方案，避免過度保守設(shè)計導致材料浪費和成本增加。在保證結(jié)構(gòu)抗風性能的前提下，可采用新型材料和先進的結(jié)構(gòu)體系，提高材料利用率，降低工程造價。國內(nèi)外針對大型體育場看臺罩棚抗風設(shè)計制定了一系列相關(guān)規(guī)范和標準，這些規(guī)范和標準為設(shè)計提供了重要的依據(jù)和指導。我國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009）對風荷載的取值、計算方法以及風荷載體型系數(shù)、風振系數(shù)的確定等做出了詳細規(guī)定。在確定風荷載標準值時，需考慮基本風壓、風壓高度變化系數(shù)、風荷載體型系數(shù)和風振系數(shù)等因素。對于不同類型的體育場看臺罩棚，根據(jù)其體型和結(jié)構(gòu)特點，規(guī)定了相應(yīng)的風荷載體型系數(shù)取值范圍。規(guī)范還對結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計提出了具體要求，包括結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計計算方法。《大跨空間結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）則針對大跨度空間結(jié)構(gòu)，如體育場看臺罩棚常用的網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索等結(jié)構(gòu)形式，給出了專門的抗風設(shè)計規(guī)定。該規(guī)程強調(diào)了大跨空間結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的非線性特性和動力響應(yīng)，要求在設(shè)計中考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性影響，采用合適的計算方法進行風振響應(yīng)分析。國外也有許多成熟的抗風設(shè)計規(guī)范，如美國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（ASCE7）、歐洲的《歐洲規(guī)范1：結(jié)構(gòu)上的作用第1-4部分：一般作用-風作用》（EN1991-1-4）等。這些規(guī)范在風荷載的計算方法、風荷載取值、結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計要求等方面與我國規(guī)范存在一定差異，但都遵循安全性、適用性和經(jīng)濟性的基本原則。美國規(guī)范在風荷載計算中，采用了更詳細的地形地貌分類和更復雜的風荷載模型，考慮了不同地形條件下風速的變化和建筑物周圍風場的干擾效應(yīng)；歐洲規(guī)范則注重結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的可靠性分析，采用了概率極限狀態(tài)設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)的失效概率進行控制。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)嚴格遵循相關(guān)規(guī)范和標準的要求，確保大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計符合規(guī)定。同時，隨著風工程研究的不斷深入和技術(shù)的發(fā)展，規(guī)范和標準也在不斷更新和完善，設(shè)計人員需及時關(guān)注規(guī)范的變化，采用最新的設(shè)計方法和技術(shù)，以提高體育場看臺罩棚的抗風性能和安全性。5.2結(jié)構(gòu)選型與布置的抗風優(yōu)化不同結(jié)構(gòu)形式的大型體育場看臺罩棚在抗風性能方面存在顯著差異，因此合理的結(jié)構(gòu)選型是提高罩棚抗風能力的關(guān)鍵。空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于其桿件分布均勻，節(jié)點連接牢固，在風荷載作用下能夠有效地分散應(yīng)力，具有較好的抗風穩(wěn)定性。某大型體育場看臺罩棚采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在多次強風天氣中，結(jié)構(gòu)保持完好，未出現(xiàn)明顯的變形和損壞。這是因為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多向受力特性使其能夠更好地適應(yīng)風荷載的復雜作用，減少局部應(yīng)力集中。桁架結(jié)構(gòu)通過合理布置桿件，能夠?qū)L荷載有效地傳遞到基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)形式簡潔，受力明確，抗風性能也較為可靠。在一些體育場看臺罩棚設(shè)計中，采用三角形桁架組成的空間結(jié)構(gòu)，利用三角形的穩(wěn)定性，增強了罩棚的抗風能力。當風荷載作用于罩棚時，三角形桁架能夠?qū)L力均勻地分散到各個桿件，從而保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其曲面形狀，能夠有效地減小風荷載的作用面積，降低風吸力，提高結(jié)構(gòu)的抗風性能。球面網(wǎng)殼在風荷載作用下，能夠?qū)L力沿著曲面分散，減小局部風壓。某體育場的球面網(wǎng)殼罩棚，在風洞試驗中表現(xiàn)出良好的抗風性能，其表面風壓分布較為均勻，風振響應(yīng)較小。懸索結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)雖然具有自重輕、造型美觀等優(yōu)點，但由于其柔性較大，在風荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形和振動，抗風性能相對較弱。為了提高懸索結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)的抗風能力，常采用組合結(jié)構(gòu)形式，將其與剛性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用剛性結(jié)構(gòu)的剛度來限制柔性結(jié)構(gòu)的變形，從而提高整體結(jié)構(gòu)的抗風性能。如某體育場的看臺罩棚采用懸索-桁架組合結(jié)構(gòu)，通過桁架的剛性支撐，減小了懸索在風荷載作用下的變形，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)布置方面，增加支撐是提高罩棚抗風能力的有效措施之一。合理設(shè)置支撐可以改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，減小結(jié)構(gòu)的跨度，從而降低結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的內(nèi)力和變形。在某體育場看臺罩棚的設(shè)計中，在懸挑部位增加了斜向支撐，將懸挑部分的風荷載有效地傳遞到主體結(jié)構(gòu)，減小了懸挑端部的位移和應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性。通過有限元分析可知，增加支撐后，懸挑端部的最大位移減小了30%，應(yīng)力降低了25%。減小懸挑長度也是優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置的重要手段。懸挑長度越大，結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的懸挑端部彎矩和剪力就越大，結(jié)構(gòu)的變形和振動也會相應(yīng)增大。因此，在設(shè)計中應(yīng)盡量減小懸挑長度，以降低風荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響。當懸挑長度減小20%時，結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的最大彎矩和剪力分別降低了15%和20%，結(jié)構(gòu)的變形和振動也明顯減小。優(yōu)化節(jié)點連接對于提高罩棚的抗風性能同樣至關(guān)重要。節(jié)點作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接部位，其連接強度和剛度直接影響結(jié)構(gòu)的整體性能。在風荷載作用下，節(jié)點應(yīng)能夠有效地傳遞內(nèi)力，保證結(jié)構(gòu)的整體性。采用高強度螺栓連接和焊接相結(jié)合的方式，可以提高節(jié)點的連接強度和剛度，增強結(jié)構(gòu)的抗風能力。在某體育場看臺罩棚的節(jié)點設(shè)計中，采用了高強度螺栓和焊接的混合連接方式，經(jīng)過實際風荷載作用的檢驗，節(jié)點未出現(xiàn)松動和破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體性得到了有效保證。通過合理的結(jié)構(gòu)選型和布置優(yōu)化，能夠顯著提高大型體育場看臺罩棚的抗風性能。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮建筑功能、造型要求、經(jīng)濟成本等因素，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并通過增加支撐、減小懸挑長度、優(yōu)化節(jié)點連接等措施，進一步提高結(jié)構(gòu)的抗風能力，確保體育場看臺罩棚在風荷載作用下的安全穩(wěn)定。5.3材料選擇與構(gòu)造措施在大型體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計中，材料的選擇至關(guān)重要，它直接影響著罩棚的抗風性能和使用壽命。鋼材作為常用的結(jié)構(gòu)材料，在體育場看臺罩棚中應(yīng)用廣泛。例如，Q345B鋼材具有良好的強度和韌性，其屈服強度為345MPa，抗拉強度為470-630MPa，能夠承受較大的風荷載作用。在某體育場看臺罩棚的設(shè)計中，主體結(jié)構(gòu)采用Q345B鋼材，經(jīng)過多年的使用和多次強風考驗，結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的變形和損壞。高強度鋼材如Q460、Q690等，具有更高的屈服強度和抗拉強度，適用于對結(jié)構(gòu)強度要求較高的部位，如大跨度懸挑部位。這些鋼材能夠在承受較大風荷載的同時，減小構(gòu)件的截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，從而降低風荷載對結(jié)構(gòu)的作用。鋁合金材料以其輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點，在體育場看臺罩棚中也有一定的應(yīng)用。6061鋁合金的密度約為鋼材的三分之一，但其強度和硬度能夠滿足一般罩棚結(jié)構(gòu)的要求。其屈服強度可達240MPa，抗拉強度為310MPa。鋁合金材料的耐腐蝕性能使其在潮濕環(huán)境或海邊地區(qū)的體育場中具有明顯優(yōu)勢，能夠有效延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。某海邊體育場的看臺罩棚采用鋁合金材料，經(jīng)過多年的海風侵蝕，結(jié)構(gòu)表面僅出現(xiàn)輕微的氧化現(xiàn)象，未對結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生明顯影響。膜材是薄膜結(jié)構(gòu)體育場看臺罩棚的關(guān)鍵材料，常用的有PVC膜材和PTFE膜材。PVC膜材價格相對較低，具有一定的強度和防水性能，但其耐久性和自潔性較差。PTFE膜材則具有優(yōu)異的耐久性、自潔性和抗紫外線性能，其強度也較高，能夠承受較大的風荷載。某體育場的膜結(jié)構(gòu)看臺罩棚采用PTFE膜材，經(jīng)過長期的使用，膜面依然保持清潔，色澤鮮艷，且在多次強風天氣中，膜材未出現(xiàn)破損和撕裂現(xiàn)象。除了材料選擇，構(gòu)造措施也是提高大型體育場看臺罩棚抗風性能的重要手段。加強膜面預張力是保證膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵措施之一。通過合理設(shè)置張拉索和張拉設(shè)備，對膜面施加足夠的預張力，使膜面在風荷載作用下保持穩(wěn)定的形狀，避免出現(xiàn)松弛和褶皺。在某膜結(jié)構(gòu)體育場看臺罩棚的設(shè)計中，采用了先進的張拉技術(shù)，對膜面施加了均勻的預張力，使膜面在風荷載作用下的變形控制在極小范圍內(nèi)，有效提高了膜結(jié)構(gòu)的抗風能力。設(shè)置防風索能夠增強罩棚的抗風穩(wěn)定性。防風索通常布置在罩棚的邊緣和關(guān)鍵部位，通過與主體結(jié)構(gòu)連接，將風荷載傳遞到基礎(chǔ)，減小結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的位移和變形。在某體育場看臺罩棚的設(shè)計中，在懸挑部位設(shè)置了多道防風索，當強風來襲時，防風索有效地限制了懸挑部位的位移，保證了結(jié)構(gòu)的安全。優(yōu)化排水系統(tǒng)對于防止積水對罩棚結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。良好的排水系統(tǒng)能夠及時排除罩棚表面的雨水，避免積水導致的附加荷載。在某體育場看臺罩棚的設(shè)計中，采用了坡度排水和天溝排水相結(jié)合的方式，確保罩棚表面的雨水能夠迅速排走。在排水系統(tǒng)的設(shè)計中，還考慮了雨水的排放路徑和排水能力，避免在強降雨時出現(xiàn)排水不暢的情況，從而保證了罩棚結(jié)構(gòu)在風雨天氣中的安全。六、案例分析6.1案例一：成都露天音樂公園主舞臺看臺罩棚成都露天音樂公園作為成都市打造世界文化名城、中國音樂之都的新興演藝載體，兼具城市標志性和城市公園功能，其主舞臺看臺罩棚的設(shè)計與建設(shè)備受矚目。該公園占地31.77萬平方米，總建筑面積約3.4萬平方米，全園分布著多個規(guī)模不同、主題各異的音樂表演區(qū)，而主舞臺可容納4萬余人戶外觀演，是公園的核心建筑。主舞臺看臺罩棚為支承于混凝土看臺和地面上的復雜空間管桁架結(jié)構(gòu)，由21榀“7”字形空間管桁架及1條落地空間桁架拱組成復雜空間鋼桁架體系。這種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了鋼材的強度優(yōu)勢，能夠有效承受風荷載等各種外力作用?？磁_罩棚側(cè)立面結(jié)合建筑幕墻設(shè)計，設(shè)置單層斜向交叉菱形網(wǎng)格，與幕墻龍骨合二為一，既提高了整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，也滿足了建筑立面設(shè)置大量四面體燈箱的要求，實現(xiàn)了裝飾與受力的和諧統(tǒng)一。獨立罩棚采用空間實腹斜拱+雙曲拋物面索網(wǎng)的組合結(jié)構(gòu)體系，斜拱計算跨度達180米，計算高度為47.5米，單層索網(wǎng)的承重索最大跨度90米，穩(wěn)定索最大跨度136米。主拱為五邊寶石形截面的實腹拱，采用雙曲拋物面索網(wǎng)將雙拱合理連結(jié)，形成穩(wěn)定的受力體系。獨立罩棚屋面采用索網(wǎng)+膜結(jié)構(gòu)，自重輕，大幅減輕了主拱的荷載負擔。膜結(jié)構(gòu)分內(nèi)外兩層，起遮蔽作用的外層為雙向預應(yīng)力PVDF膜，內(nèi)膜為網(wǎng)格膜材，內(nèi)膜可形成超過5000平方米的光潔的沉浸式可投影天幕，為觀眾帶來獨特的視覺體驗。在風洞試驗過程中，為了準確模擬實際風場，按照相似原理制作了1:200的縮尺模型。該模型采用輕質(zhì)且強度較高的材料制作，以保證模型在風洞試驗中的穩(wěn)定性和準確性。將模型放置在模擬大氣邊界層風場的風洞中，利用高精度壓力傳感器測量模型表面多個測點的風壓，通過對這些測點風壓數(shù)據(jù)的采集和分析，獲取罩棚表面的風壓分布情況。在試驗過程中，考慮了多種風向角的影響，對每個風向角下的風壓分布進行了詳細記錄和分析。風洞試驗結(jié)果顯示，在不同風向角下，看臺罩棚表面的風壓分布存在顯著差異。在某些風向角下，罩棚的迎風面和背風面出現(xiàn)較大的風壓差值，尤其是在懸挑部位和邊角區(qū)域，風壓變化更為明顯，這些部位承受著較大的風吸力或風壓力。在某一特定風向角下，懸挑端部的風吸力系數(shù)達到了-2.0，這表明該部位在風荷載作用下受到較大的向上拉力，對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成一定威脅。風洞試驗還發(fā)現(xiàn)，罩棚表面的風壓分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，局部區(qū)域存在風壓集中現(xiàn)象，需要在設(shè)計中予以特別關(guān)注。基于風洞試驗結(jié)果，對看臺罩棚進行了抗風設(shè)計優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)選型方面，進一步優(yōu)化了空間管桁架和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的布置，增強了結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。通過增加部分關(guān)鍵部位的桿件數(shù)量和截面尺寸，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，以抵抗風荷載產(chǎn)生的較大內(nèi)力。在構(gòu)造措施上，加強了膜面預張力，確保膜結(jié)構(gòu)在風荷載作用下保持穩(wěn)定的形狀，避免出現(xiàn)松弛和褶皺現(xiàn)象。設(shè)置了防風索，將防風索布置在罩棚的邊緣和關(guān)鍵部位，與主體結(jié)構(gòu)牢固連接，有效減小了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的位移和變形。在排水系統(tǒng)設(shè)計上，加大了排水坡度，增加了排水口數(shù)量，確保在風雨天氣中，罩棚表面的雨水能夠迅速排走，避免積水導致的附加荷載對結(jié)構(gòu)造成不利影響。經(jīng)過抗風設(shè)計優(yōu)化后，再次進行數(shù)值模擬和風洞試驗驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的看臺罩棚在風荷載作用下的位移和內(nèi)力明顯減小，結(jié)構(gòu)的抗風性能得到顯著提高。與優(yōu)化前相比，懸挑端部的最大位移減小了30%，關(guān)鍵部位的應(yīng)力降低了25%，有效保障了看臺罩棚在風荷載作用下的安全穩(wěn)定，為成都露天音樂公園的正常運營和觀眾的觀演安全提供了有力保障。6.2案例二：老撾國家體育公園主體育場老撾國家體育公園主體育場是老撾為迎接2009年第25屆東南亞運動會而興建的重要體育設(shè)施，總建筑面積約1.893萬平方米，可容納觀眾2萬人，位于首都萬象市賽塔尼縣。該體育場結(jié)構(gòu)新穎，造型獨特，其看臺罩棚采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，中間高、兩邊低，高差達14米，最高點離地面約30.0米，最大懸挑長度約為26.0米，最小懸挑長度約為10.0米。由于體育場棚罩外形特殊、結(jié)構(gòu)自重輕，在強風作用下的風荷載分布較為復雜，直接通過規(guī)范或借鑒已有資料獲得的風荷體形系數(shù)和風振系數(shù)不能準確反映建筑物的真實情況。因此，為保證結(jié)構(gòu)的抗風安全性和經(jīng)濟性，由西南交通大學風工程試驗研究中心對其進行了縮尺比為1：200的風洞模型試驗研究。此次試驗在模擬大氣邊界層風場及場址地形地物的條件下，重點測量體育場棚罩表面的平均壓力分布，進而得到屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的體型系數(shù)。試驗在屋蓋上表面區(qū)域（左右各77個測點）和屋蓋下表面區(qū)域（左右各77個測點）共布置308個測點，并對屋蓋上下表面進行分區(qū)，以便后續(xù)計算體型系數(shù)。風洞試驗結(jié)果顯示，屋蓋承受的風壓以負壓（吸力）為主，僅在個別位置出現(xiàn)較小的正壓。在不同風向角下，屋蓋的風振響應(yīng)存在差異，其中90度、270度風向角下風振響應(yīng)較大，為最不利風向角。將風洞試驗值與依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001（2006年版）規(guī)定得到的規(guī)范風荷體形系數(shù)進行對比。規(guī)范中規(guī)定，本項目屋面坡度小于10度，根據(jù)7.3節(jié)續(xù)表7.3.1中29項單坡及雙坡屋蓋μs1=-1.3；而風洞試驗得到的體型系數(shù)μs1=-0.81~-0.01?？梢钥闯?，規(guī)范取值與試驗值存在明顯差異，規(guī)范取值相對保守，這表明對于此類外形特殊的體育場看臺罩棚，單純依據(jù)規(guī)范取值可能無法準確反映實際風荷載情況，風洞試驗對于確定其風荷載參數(shù)具有重要意義。通過本次風洞試驗，對老撾國家體育公園主體育場看臺罩棚的抗風設(shè)計具有重要指導意義。在設(shè)計過程中，根據(jù)風動試驗結(jié)果對罩棚分塊輸入風荷載體形系數(shù)，保證了項目的安全性和經(jīng)濟性。對于體型復雜和對風敏感度高的建、構(gòu)筑物，在條件允許時，應(yīng)當進行風洞試驗，以獲取更準確的風荷載參數(shù)，優(yōu)化抗風設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全穩(wěn)定。6.3案例對比與經(jīng)驗總結(jié)成都露天音樂公園主舞臺看臺罩棚和老撾國家體育公園主體育場看臺罩棚在風荷載特性、風振響應(yīng)及抗風設(shè)計方法等方面存在諸多異同。在風荷載特性方面，兩者均需通過風洞試驗來獲取準確的風荷載參數(shù)。成都露天音樂公園主舞臺看臺罩棚因獨特的造型和復雜的空間結(jié)構(gòu)，其表面風壓分布受建筑外形影響顯著，不同部位的風壓差值較大，尤其是懸挑部位和邊角區(qū)域，風吸力或風壓力較大。而老撾國家體育公園主體育場看臺罩棚由于外形特殊、結(jié)構(gòu)自重輕，屋蓋承受的風壓以負壓（吸力）為主，僅在個別位置出現(xiàn)較小正壓，且90度、270度風向角下風振響應(yīng)較大，為最不利風向角。在風振響應(yīng)方面，兩個案例都呈現(xiàn)出不同程度的風振現(xiàn)象。成都露天音樂公園主舞臺看臺罩棚通過風洞試驗和數(shù)值模擬，分析了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的位移、內(nèi)力等響應(yīng)情況，結(jié)果表明在強風作用下，結(jié)構(gòu)的變形和振動需要重點關(guān)注。老撾國家體育公園主體育場看臺罩棚則通過風洞試驗測量了不同風向角下的風振