大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)研究綜述

1風(fēng)洞試驗(yàn)研究眾所周知，風(fēng)災(zāi)災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了巨大的人員傷亡。大跨度空間結(jié)構(gòu)因其跨度大、造型復(fù)雜,導(dǎo)致作用其上的風(fēng)效應(yīng)異常明顯。歷史上由大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)引起大跨度空間結(jié)構(gòu),尤其是膜結(jié)構(gòu)屋蓋撕裂、損毀的實(shí)例不勝枚舉。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在該方面獲得了不少的研究成果,但大多是建立在數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上,少量學(xué)者進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,雖然風(fēng)洞試驗(yàn)可以方便地模擬不同工況條件下的風(fēng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng),但在真實(shí)建筑與模型相似比問(wèn)題上又會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)之間存在較大誤差,而基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度空間結(jié)構(gòu)屋蓋上方風(fēng)環(huán)境的研究相對(duì)較少。鑒于此,本文實(shí)測(cè)了河北體育館上方的風(fēng)速和風(fēng)壓數(shù)據(jù),下面將對(duì)其風(fēng)荷載的多項(xiàng)指標(biāo)展開細(xì)致研究2湍流積分尺度湍流強(qiáng)度反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度,是確定結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)。定義湍流強(qiáng)度為10min時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差與水平平均風(fēng)速的比值式中:u、v、w分別為空間坐標(biāo)的3個(gè)方向;σ湍流積分尺度可以評(píng)價(jià)氣流中湍流渦旋的平均尺寸,從而反映出脈動(dòng)風(fēng)速或風(fēng)壓的空間相關(guān)性,湍流積分尺度越大,脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性就越強(qiáng),湍流積分尺度是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度?？v向湍流積分尺度L式中:R湍流積分尺度是與湍流空間相關(guān)性有關(guān)的參數(shù),如果結(jié)構(gòu)上兩點(diǎn)的距離超過(guò)湍流積分尺度,則這兩點(diǎn)間的脈動(dòng)風(fēng)速的相關(guān)程度就會(huì)相應(yīng)降低,其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用也會(huì)相互抵消,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也會(huì)減小。湍流積分尺度計(jì)算精度主要取決于計(jì)算分析所采用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及平穩(wěn)程度。對(duì)于湍流積分尺度計(jì)算,可按照vonKarman譜計(jì)算公式并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算得到功率譜分布值,利用最小二乘法擬合其湍流積分尺度L由于風(fēng)荷載具有較強(qiáng)的脈動(dòng)特性,因此,如何分析統(tǒng)計(jì)其強(qiáng)度特性至關(guān)重要,顯然用10min內(nèi)平均風(fēng)速去衡量其強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重低估風(fēng)荷載的瞬時(shí)強(qiáng)度,當(dāng)風(fēng)荷載的平均時(shí)距取得越小時(shí),其統(tǒng)計(jì)結(jié)果就越大,也越保守,顯然是不合理的,因此,可用陣風(fēng)因子去衡量風(fēng)荷載的瞬時(shí)風(fēng)強(qiáng)度特性。按照經(jīng)驗(yàn),陣風(fēng)因子計(jì)算時(shí)距取3s式中:V3結(jié)構(gòu)屋蓋上風(fēng)場(chǎng)的不穩(wěn)定性分析圖1為建筑和風(fēng)向儀的方向示意。圖2為平均風(fēng)速和風(fēng)向的監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖3可以看出,結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境風(fēng)速的縱向湍流強(qiáng)度值集中在67%~70%之間;橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度值集中在67%~70%之間;豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度值則主要分布在99%~102%之間。各湍流強(qiáng)度值明顯高于空曠地面、低多層建筑物及超高層建筑周圍的強(qiáng)度值,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)屋蓋上方風(fēng)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,風(fēng)的脈動(dòng)性較強(qiáng),同時(shí)從圖2的平均風(fēng)速和風(fēng)向監(jiān)測(cè)結(jié)果也可看出風(fēng)荷載的不穩(wěn)定性,應(yīng)該由屋蓋表面凹凸不平的氣枕所致,分析結(jié)果符合實(shí)際情況。從圖4中可以看出,該建筑上方的湍流積分尺度主要集中在0~50m范圍內(nèi),而通常情況下湍流積分尺度應(yīng)在100~200m范圍內(nèi),說(shuō)明該建筑物屋蓋上方風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)性較小,同樣地,導(dǎo)致該結(jié)果的主要原因還是由于建筑物上方的不平坦性增加了流體的湍流特性,使其空間、時(shí)間相關(guān)性降低。從圖5可以看出,結(jié)構(gòu)屋蓋上方風(fēng)場(chǎng)的順風(fēng)向陣風(fēng)因子主要分布在1.8~2.0之間;橫風(fēng)向陣風(fēng)因子主要分布在0.7~1.0之間;豎風(fēng)向陣風(fēng)因子則主要分布在1.3~1.7之間,其豎風(fēng)向陣風(fēng)因子異常的大。該值通常情況下較小,眾所周知,風(fēng)的來(lái)流方向通常為水平方向,只有當(dāng)風(fēng)在遇到某一阻擋物時(shí)才會(huì)發(fā)生爬升現(xiàn)象,從而增大風(fēng)在豎向的攻角,考慮到該建筑正北方有建筑群阻擋,使該建筑處于其尾流之中,這也就解釋了豎風(fēng)向陣風(fēng)因子異常(較大)的原因。4屋頂風(fēng)壓分布出現(xiàn)正壓過(guò)程出現(xiàn)正壓風(fēng)壓系數(shù)可表示為式中:C從圖6可以看出,當(dāng)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí),屋蓋北緣角部的風(fēng)壓梯度變化較大,而屋蓋中央的梯度變化較小,且屋蓋角部的風(fēng)壓系數(shù)多為負(fù)值,這就意味著此處正發(fā)生著大面積的旋渦脫落,風(fēng)在此處發(fā)生分離,從而產(chǎn)生了風(fēng)吸力,而在屋蓋靠南的區(qū)域風(fēng)壓力系數(shù)為正值,說(shuō)明風(fēng)荷載在此處發(fā)生了再附現(xiàn)象,從而產(chǎn)生了正壓,該監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論及風(fēng)洞結(jié)果吻合較好。當(dāng)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí),屋蓋南緣的風(fēng)壓系數(shù)趨近于負(fù)值,而屋蓋北緣為正,說(shuō)明此時(shí)的風(fēng)荷載在屋蓋南緣發(fā)生分離,產(chǎn)生旋渦,而在北緣發(fā)生再附現(xiàn)象,因而,屋蓋北部出現(xiàn)正壓區(qū),而南部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。而當(dāng)風(fēng)向偏西北時(shí),屋蓋北緣的西北角仍存在負(fù)壓區(qū),而正壓區(qū)卻向東南方移動(dòng),該種現(xiàn)象符合以往的風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果,也符合流體的繞流特性。從統(tǒng)計(jì)的脈動(dòng)風(fēng)壓力分布圖可以看出:處在尾流之中的區(qū)域,其流體的脈動(dòng)性較強(qiáng),主要原因?yàn)?由于屋蓋表面的粗糙度較高,當(dāng)流體流經(jīng)屋面時(shí),隨著所流經(jīng)路徑長(zhǎng)度的增加,其流體的平均風(fēng)速降低,而脈動(dòng)風(fēng)速相對(duì)升高,由此導(dǎo)致脈動(dòng)風(fēng)壓的增加。5現(xiàn)代風(fēng)荷載作用方向不同,其影響到結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于大跨度空間結(jié)構(gòu)而言,風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不僅體現(xiàn)在靜力方面還尤其體現(xiàn)在動(dòng)力方面,即便當(dāng)風(fēng)荷載強(qiáng)度相同時(shí),由于風(fēng)荷載作用方向不同,其對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的靜、動(dòng)力影響也大不相同。因此,有必要研究建筑物周圍風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布規(guī)律,為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供更為細(xì)致、可靠的荷載信息。5.1平均風(fēng)方向極值分布函數(shù)本文所采用的聯(lián)合分布概型反映了風(fēng)速和風(fēng)向的聯(lián)合分布作用,其極值分布函數(shù)是由風(fēng)向頻度函數(shù)和各風(fēng)向風(fēng)速分布函數(shù)組成的,如下式式中:f(θ)為是反映平均風(fēng)方向的風(fēng)向出現(xiàn)頻度函數(shù);而P5.2極值風(fēng)速樣本—極值風(fēng)速樣本的抽取和整理確定考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布的基本風(fēng)速的前提是在進(jìn)行平均風(fēng)速觀測(cè)采樣時(shí)記錄風(fēng)速大小的同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的風(fēng)向。由于本項(xiàng)目采集到的風(fēng)速、風(fēng)向樣本有限,因此采用小時(shí)最大風(fēng)速及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向作為極值樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析結(jié)果見表1。根據(jù)30d數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出的小時(shí)極值平均風(fēng)速、風(fēng)向出現(xiàn)頻度,風(fēng)速劃分區(qū)間間隔為2m/s,風(fēng)向劃分區(qū)間長(zhǎng)度為22.5°,共16個(gè)子區(qū)間。如圖7所示。由表1中可以看出,此時(shí)的風(fēng)荷載以西北風(fēng)為主,完全符合北京地區(qū)冬季的季風(fēng)特性。在擬合聯(lián)合分布函數(shù)時(shí)需引入兩個(gè)基本假定:1)同一地點(diǎn)不同方向的平均風(fēng)速服從同一種類型的極值分布概型,并且由該地點(diǎn)所有方向上的極值風(fēng)速樣本來(lái)擬合最優(yōu)極值分布概型。2)同一地點(diǎn)不同方向的平均風(fēng)速分布概型參數(shù)是相互獨(dú)立的,并且由該方向的極值風(fēng)速樣本來(lái)優(yōu)化估計(jì)。根據(jù)3種極值風(fēng)速分布概型和本文采用的風(fēng)向風(fēng)速聯(lián)合分布概型方法的原理,可得到風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布的3種聯(lián)合分布模型:1)Gumbel分布:式中:f(θ)為反映極值風(fēng)速樣本在各個(gè)風(fēng)向分布情況的頻度函數(shù),可以從極值風(fēng)速樣本在各個(gè)風(fēng)速和各個(gè)風(fēng)向范圍內(nèi)的頻度統(tǒng)計(jì)表的最后一列得出,聯(lián)合分布函數(shù)的其他參數(shù)均為風(fēng)向的函數(shù)。2)Frechet分布:3)Weibull分布:對(duì)風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布概型進(jìn)行擬合時(shí)參數(shù)估計(jì)的方法有多種選擇,本文采用最小二乘法。5.3兩相關(guān)系數(shù)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差的擬合分析用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合的擬合效果檢驗(yàn)標(biāo)志是剩余標(biāo)準(zhǔn)差S和相關(guān)系數(shù)R,其表達(dá)式分別為:從表2—表4的分析結(jié)果可以看出:Weibull分布相關(guān)系數(shù)最大,剩余標(biāo)準(zhǔn)差最小,其擬合的效果最好。因此,可認(rèn)為該建筑所受風(fēng)荷載的風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布規(guī)律符合Weibull分布。6來(lái)流和專業(yè)化建筑風(fēng)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析本文利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新型大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了細(xì)致研究,得出以下結(jié)論:1)受周圍建筑群及結(jié)構(gòu)自身特性影響,該建筑上方湍流強(qiáng)度值明顯高于空曠地面低多層建筑物及超高層建筑的強(qiáng)度值,湍流積分尺度也小于常規(guī)結(jié)構(gòu),主要集中在0~50m范圍內(nèi),同時(shí),受正北方建筑群影響