1、25 七月 2022大跨屋蓋風振及溫度作用研究成果介紹王勇奉 匯報的主要內容 一、項目背景 二、研究目標 三、研究內容 四、研究成果 25 七月 2022 項目背景 研究目標 研究內容 研究成果 核電機組常規島廠房隨著容量的增加，汽機房的跨度也越來越大，屋蓋跨度也隨之增大，海陽一期工程中，屋蓋跨度達到42m。建筑結構荷載規范規定，跨度大于36m要考慮風振效應，而規范中給出的風振系數基本上只適用于高層建筑的順風向響應。 核島安全殼距汽機房較近，常規島廠房之間的距離也小于廠房長度的3.5倍，按照建筑結構荷載規范規定，風荷載體型系數取值要考慮風力相互干擾的群體效應?；鹆Πl電廠土建結構設計規定對于跨度

2、大于36m的屋架要考慮溫度作用。項目背景-4-大跨屋蓋研究現狀：風振研究、屋蓋溫度作用研究多集中于機場、體育館等結構?；痣姀S汽機房跨度多小于36m，一般不需進行風振計算。國內罕見核電廠常規島汽機房大跨屋蓋這類結構關于風振、溫度作用等方面的文獻。有必要對此類大跨屋蓋結構進行一系列的研究，以期獲得合理經濟安全可靠的結構型式，為后續核電廠房屋蓋設計提供借鑒和指導。 項目背景 項目背景 研究目標 研究內容 研究成果 通過風洞試驗獲取大跨度屋蓋表面風荷載體型系數，用于圍護結構設計及整體結構設計通過風振響應計算得到大跨度屋蓋結構的風振系數。掌握大跨度屋蓋的各受力桿件的溫度作用分布規律，優化結構設計。研究目

3、標 項目背景 研究目標 研究內容 研究成果 屋蓋表面風荷載研究風振響應及靜力等效風荷載研究靜力等效風荷載的影響因素研究屋蓋各受力桿件溫度作用影響規律的研究屋蓋結構選型研究內容 項目背景 研究目標 研究內容 研究成果 風洞試驗工況獨立廠房（僅常規島廠房） ，考慮和規范相比較單個機組工況（核島+常規島主廠房），考慮核島對常規島主廠房影響二個機組工況（主測試機組外，周邊還有另一個機組），考慮多個建筑物的影響風向角每隔15度為一工況，每一輪試驗共有24個風向（即24個試驗工況）。研究成果1-屋蓋表面風荷載研究成果1-屋蓋表面風荷載試驗模型：制作了幾何縮尺比為1:150 的全結構剛體模型；采用電子壓力掃

4、描閥同步測壓。在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的TJ-2邊界層風洞進行試驗，試驗段尺寸為3m寬、2.5m高、15m長。獨立廠房兩個機組單個機組研究成果1-屋蓋表面風荷載研究成果1-屋蓋表面風荷載A類風場平均風速及湍流度剖面A類風場模擬脈動風速功率譜研究成果1-屋蓋表面風荷載試驗風速、采樣頻率和樣本長度風洞測壓試驗的參考點風速為13m/s（參考點高度：1.0m）。測壓信號采樣頻率為312.5Hz ，每個測點采樣樣本總長度為9000 個數據。根據相似比，對應于實際采樣時間約為19分鐘。研究成果1-屋蓋表面風荷載測點布置，汽機房屋面共160個測點。25 七月 2022-16-間隔15度，共24個

5、風向角主廠房項目方位及風向角定義研究成果1-屋蓋表面風荷載風洞試驗得到：1、風壓系數：獨立廠房、單個機組、兩個機組三種工況下的屋面各測點的不同風向角的平均風壓系數、脈動風壓系數2、點體型系數：根據平均風壓系數計算si =C Pmean i (300/z)0.24 建筑結構荷載規范中的體型系數為整個測量面上的平均值3、分塊體型系數：4、圍護結構設計各測點的極值風壓：按規范方法和統計方法計算5、各分塊體型系數的最大值及最小值研究成果1-屋蓋表面風荷載6、按統計方法計算的各測點風壓均大于規范方法計算的風壓，其中，屋面邊緣各點差別不太大，其余處差別比較大。經過計算分析，邊緣各點按統計方法計算的風壓是規

6、范方法計算結果的1.1倍左右，其余處是1.3倍左右（規范中給出的陣風系數基于風速脈動（瞬時風速幅值和10分鐘平均風速的比值）的統計公式，而圍護結構的設計風壓（瞬時風壓）通常由流動分離控制。）研究成果1-屋蓋表面風荷載分塊體型系數極值：圍護結構設計的基本參數獨立廠房的分塊體型系數一研究成果1-屋蓋表面風荷載獨立廠房的分塊體型系數二圍護結構設計的基本參數研究成果1-屋蓋表面風荷載25 七月 2022-21-單個機組的分塊體型系數一圍護結構設計的基本參數研究成果1-屋蓋表面風荷載單個機組的分塊體型系數二圍護結構設計的基本參數研究成果1-屋蓋表面風荷載二個機組的分塊體型系數一圍護結構設計的基本參數研究

7、成果1-屋蓋表面風荷載25 七月 2022-24-二個機組的分塊體型系數二圍護結構設計的基本參數研究成果1-屋蓋表面風荷載結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數（獨立廠房）主廠房90度風向角()分塊體型系數研究成果1-屋蓋表面風荷載（單個機組）結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數主廠房90度風向角()分塊體型系數研究成果1-屋蓋表面風荷載（兩個機組）主廠房90度風向角()分塊體型系數結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數研究成果1-屋蓋表面風荷載主廠房270度風向角()分塊體型系數（獨立廠房）結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數研究成果1-屋

8、蓋表面風荷載（單個機組）主廠房270度風向角()分塊體型系數結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數研究成果1-屋蓋表面風荷載（兩個機組）主廠房270度風向角()分塊體型系數結構整體設計取90度、270度風向角的分塊體型系數研究成果1-屋蓋表面風荷載1、屋面各測點體型系數大部分都是負值風壓合力以向上的吸力為主，結構主要受向上的風吸力，邊緣端部區域風吸力幅值最大各工況基本相似，以獨立廠房為例研究成果2-風荷載體型系數分布規律T.12軸側各點即1區邊緣節點在180度風向角即風垂直吹向屋架時體型系數基本相同，135度風向角和225度風向角時達到最小值（風壓吸力幅值最大）。0度風向角時風壓吸

9、力幅值最小T.A軸側屋面邊緣各點在270度風向角時體型系數基本相同，在225度風向角及315度風向角時最小（風壓吸力幅值最大），邊緣端部各點變化比較激烈。T.1軸側屋面邊緣即4區邊緣各點在0度風向角時體型系數基本相同，在45度風向角及315度風向角時最?。L壓吸力幅值最大），邊緣端部各點變化比較激烈。180度時風壓吸力幅值最小。研究成果2-風荷載體型系數分布規律2、點體型系數隨風向角變化在0度、90度、180度、270度風向角時，與風向角垂直的各部位點體型系數基本相同，當風與屋架成45度夾角吹向屋面時，邊緣各點體型系數最小（風壓吸力幅值最大），邊緣端部變化比較激烈。研究成果2-風荷載體型系數分

10、布規律0度、180度風向角屋面各測點點體型系數分布曲線圖3、屋蓋迎風面前緣荷載最大，尾部荷載較小。0 度及180 度風向角時，由于氣流在前緣的漩渦脫落，因此迎風屋面前沿體型系數絕對值較大；又由于此風向角下屋面縱向距離較長，漩渦會在屋面后緣發生再附等現象，導致屋面后緣部位體型系數絕對值較小研究成果2-風荷載體型系數分布規律90度270度風向角屋面各測點點體型系數分布曲線圖研究成果2-風荷載體型系數分布規律4、風洞試驗結果表明荷載規范規定的風荷載體型系數偏小，與美國標準相近獨立廠房工況時，體型系數與規范中理想的體型情況還是有一定差別的。270 度風向角（風由汽機房吹向除氧間）時，由于氣流在屋面檐口

11、處漩渦脫落，迎風面的體型系數絕對值較大，平均值為-1.0 左右，這與其屋面坡角僅為3 度左右有關。荷載規范中給出的近似情形的屋面體型系數為-0.6，為屋面坡角小于等于15 度的結果。90 度風向角時，風從西方向吹向主廠房，由于主廠房迎風的西側位置有一個高度低一些的附屬廠房，使得氣流流過后有一定抬升，其在主廠房屋面檐口處漩渦脫落的強度降低，因此屋面風荷載體型系數與270 度風向角時相比絕對值有一定程度降低研究成果2-風荷載體型系數分布規律0度風向角T.1軸側點體型系數180度風向角T.12軸側點體型系數90度風向角T.E軸側點體型系數270風向角T.A軸側點體型系數研究成果2-風荷載體型系數分布

12、規律5、群體干擾效應規律復雜0度風向角時，獨立廠房的風荷載體型系數最大，單個機組的風荷載體型系數最小，兩個機組的次之，核島對緊鄰的汽機房有遮蔽作用，對附近的汽機房有增大作用。180度方位角來風時，三種工況的風荷載體型系數比較接近。90度風向角時，三種工況的風荷載體型系數比較接近，270度風向角時，兩個機組工況的屋面邊緣節點風荷載體型系數最小，獨立廠房和單個機組的比較接近，說明臨近廠房對風荷載效應有干擾作用。（單個機組和二個機組）干擾效應的規律比較復雜，一般說施擾建筑在上游時整體是遮擋效應（降低下游建筑的風荷載），但下游受擾建筑的局部風荷載可能增大；施擾建筑在下游時影響較小。圍護結構設計時要注意

13、不能取一種工況，要考慮包絡。研究成果2-風荷載體型系數分布規律T1軸側分塊體型系數T12軸側分塊體型系數TA軸側分塊體型系數TE軸側分塊體型系數6、從四個邊緣分塊體型系數分布圖來看，邊緣端部風荷載體型系數最小（幅值最大），尤以A-1附近區域最甚，這也與此處周邊附屬建筑物多有關 研究成果2-風荷載體型系數分布規律風振響應分析方法在風洞試驗已準確獲得主廠房表面風壓及風壓相關性能的基礎上，對結構進行風致抖振的非定常頻域計算分析，采用平穩激勵下隨機振動的模態疊加法-CQC方法。研究成果3-風振響應及風振系數結構在抖振荷載作用下的運動方程為響應在頻域中的功率譜密度矩陣為響應均方根由功率譜密度積分而得研究

14、成果3-風振響應及風振系數靜力等效風荷載計算方法采用陣風響應因子法，以位移響應作為控制目標 定義峰值響應與平均響應之比為“陣風響應因子”G（風振系數），以此來表征結構對脈動風荷載的放大作用，即25 七月 2022-42-其中，式中，表示平均響應；定義峰值響應為為峰值因子;為計算得到的響應均方根；式中的是為了使取得最大值。研究成果3-風振響應及風振系數計算工況的選取對于100年重現期風速作用的情況，對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個風向角工況進行

15、了結構動力計算。計算參數參數名稱 參數取值 地貌類型 A類 基本風壓（100年重現期） 0.60 kPa 阻尼比 0.01，0.025，0.05 峰值因子 2.5 參振模態數目 50階 研究成果3-風振響應及風振系數參振模態截止到50階即可保證計算精度。關鍵節點的位移根方差響應在參振模態數目達一定數目后，增加參振模態對位移根方差響應幾乎無影響2480節點豎向位移根方差隨參振模態數目變化曲線（獨立廠房，270度風向角，阻尼比2.5%） 研究成果3-風振響應及風振系數典型屋蓋方案重型屋蓋：鋼屋架上鋪壓型鋼板為底模的現澆鋼筋混凝土板輕型屋蓋：鋼屋架上鋪復合保溫壓型鋼板重型屋蓋A（不考慮屋面板剛度）重

16、型屋蓋B（考慮屋面板剛度）輕型屋蓋A（無端屋架）輕型屋蓋B（有端屋架） 研究成果3-風振響應及風振系數（獨立廠房）（單個機組）（二個機組）位移響應向上向下向上向下向上向下重型屋蓋A（阻尼比0.05）風振系數1.45-0.591.42-0.541.35-0.53重型屋蓋A（阻尼比0.025）風振系數1.47-0.671.43-0.601.36-0.58重型屋蓋B（阻尼比0.025）風振系數1.45-0.491.40-0.411.39-0.41輕型屋蓋A（阻尼比0.025）風振系數1.46-0.771.42-0.411.35-0.43輕型屋蓋B（阻尼比0.025）風振系數1.47-0.451.41

17、-0.341.35-0.41輕型屋蓋B（阻尼比0.01）風振系數1.48-0.631.42-0.391.37-0.48風振系數研究成果3-風振響應及風振系數阻尼比影響規律2480節點豎向位移響應功率譜（獨立廠房，270度風向角工況），阻尼比分別為2.5%、1.0%3414節點豎向位移響應功率譜（獨立廠房，165度風向角工況），阻尼比分別為2.5%、1.0%研究成果3-風振響應及風振系數風振系數包含了結構風致響應中的背景和共振部分，并考慮了振型之間的交叉項對響應的影響風振系數相應于屋蓋的結構型式差別不大（差值在0.03）周邊建筑物對風振響應有影響，獨立廠房時，風振響應最大。邊榀屋架存在局部振動，

18、平均位移與極值位移符號相反，因此得到的風振系數為負值。大部分節點響應以背景響應為主，阻尼比的變化基本沒什么影響。對個別平均響應很小，而且處于屋面邊緣的節點，局部振型影響較大，其動力響應中共振響應占較大比例，因此阻尼比的變化有一定的影響（差值在0.28）研究成果3-風振響應及風振系數一、屋架溫度場取值：重型屋蓋溫度場取值混凝土屋面板最大溫升工況（考慮太陽輻射）：58.5混凝土屋面板最大溫降工況（不考慮太陽輻射）：-58.68屋架最大溫升工況（考慮太陽輻射）：58.5屋架最大溫降工況（不考慮太陽輻射）：-36輕型屋蓋溫度場取值最大溫升工況（考慮太陽輻射）：59最大溫降工況（不考慮太陽輻射）：-36

19、研究成果4-溫度作用影響規律二、下部混凝土結構溫度場取值：最大溫升工況：48最大溫降工況（考慮收縮當量）：-58.68三、溫度作用折減（混凝土非完全彈性）：通過彈性計算結果乘以折減系數材料塑性影響：0.85；裂縫影響：0.5；徐變對應力松弛的影響：0.5研究成果4-溫度作用影響規律1、溫度變化對屋架結構的變形起顯著作用，溫度效應的作用不可忽視，在結構設計時，要充分考慮結構的溫度效應，提高結構在正常使用情況下的可靠性要求。2、靠近山墻的屋面板變形幅值最大，相應的屋架變形也最大。由于E軸下有除氧間的約束作用，使得靠近E軸的屋面板變形較A軸的小。3、各構件在溫度作用下的最大內力均發生在端部的四榀屋架上，因此在設計中應保證構件截面具有足夠的安全儲備；而對于其余榀屋架構件，考慮到其內力在溫度工況下較小，在截面設計中可進行優化設計。研究成果4-溫度作用影響規律4.與柔性水平支撐相比，剛性水平支撐能使屋架整體的抗震性能顯著改善，且使屋架下弦桿件壓力減小。溫升工況下2軸上、下弦桿軸力研究成果4-溫度作用影響規律5.山墻端部設置屋架可以有效的減小屋架