定風(fēng)向下結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布規(guī)律及特性分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27786定風(fēng)向下結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布規(guī)律及特性分析案例 1223761.1工程概況 168281.2模型風(fēng)洞試驗介紹 229961.1.1試驗設(shè)備介紹 2299061.1.2試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作 3324541.1.3試驗測點布置 3253921.1.4試驗參數(shù)條件 4308701.1.5測壓試驗數(shù)據(jù)處理 4215391.3風(fēng)荷載特性分析 58121.3.1平均風(fēng)壓系數(shù) 6128541.3.2脈動風(fēng)壓系數(shù) 7在大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論的框架下，由于一些大跨屋蓋結(jié)構(gòu)外形特殊，自振頻率低等原因，無法通過查閱規(guī)范和經(jīng)驗公式獲得風(fēng)荷載參數(shù)，如風(fēng)壓系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)等，進而無法獲得結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載時程數(shù)據(jù)和風(fēng)壓分布形式（風(fēng)壓系數(shù)）。但這些數(shù)據(jù)可以通過風(fēng)洞試驗的同步測壓得到，再通過數(shù)學(xué)處理得到風(fēng)荷載時程數(shù)據(jù)。本章就以擬建于中國沿海強風(fēng)區(qū)的青島火車站為背景進行風(fēng)洞試驗研究，分析大跨屋蓋結(jié)構(gòu)表面在定風(fēng)向下的風(fēng)壓分布規(guī)律及特性。1.1工程概況青島北站作為當(dāng)?shù)乇夭豢缮俚慕煌屑~，提高了城市的運輸能力，激發(fā)了青島創(chuàng)造的無限活力。其建筑整體猶如展翅飛翔的海鳥，靈動飄逸，挺拔有力，寓示青島寬廣的胸懷和遠大的前景，完美體現(xiàn)出人與自然的和諧相處，成為青島新的標(biāo)志性建筑。青島北站位于山東半島膠州灣北側(cè)，處于強風(fēng)區(qū)，所在位置地形平坦，地勢開闊，受海洋影響較大。它的主站房和雨棚均采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，主站房跨長352m，屋頂最高點離地面46.44m。由于青島北站主站房和站臺雨棚結(jié)構(gòu)具有跨度大、自振頻率低、質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)特殊等特點，它們的風(fēng)荷載參數(shù)就不能直接通過查規(guī)范或參考其它建筑獲得，這使得對北站這一大跨屋蓋結(jié)構(gòu)進行抗風(fēng)設(shè)計相當(dāng)困難，故需要通過剛性模型試驗來確定其屋蓋結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布情況。圖2-1青島北站鳥瞰圖1.2模型風(fēng)洞試驗介紹1.1.1試驗設(shè)備介紹（1）試驗風(fēng)洞XNJD-1風(fēng)洞，位于西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，于1992年建成，是當(dāng)時全國最大的工業(yè)風(fēng)洞。具有兩個試驗段，第一段截面寬3.6m，高3m，試驗可控制風(fēng)速最低為0.5m/s，最高風(fēng)速為22m/s；第二段截面寬1.4m，高2m，控制風(fēng)速最低為1m/s，最高為45m/s。XNJD-1風(fēng)洞內(nèi)有準確性較高的數(shù)據(jù)采集工具，能夠較為準確地模擬建筑物的真實風(fēng)場情況。用Matlab進行試驗數(shù)據(jù)處理，可以非高斯特性分析，非平穩(wěn)特性分析等，計算峰值響應(yīng)等，用途廣泛。風(fēng)洞可控制的風(fēng)速在1.0～16.5m/s范圍內(nèi)，主要技術(shù)水平已處于世界前沿。該風(fēng)洞試驗段配有大氣邊界層模擬裝置，低壁裝有能360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。圖2-2西南交通大學(xué)XNJD-1風(fēng)洞實驗室（2）測量系統(tǒng)壓力測量儀器：美國Scanvalve電子掃描閥風(fēng)速測量：風(fēng)速儀1.1.2試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作根據(jù)此大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何形狀和風(fēng)洞試驗段的尺寸，以及考慮風(fēng)洞阻塞率的要求，其在風(fēng)洞中的阻塞率不得超過5%，這里將模型縮尺比設(shè)為1:300。（2-1）式中，是模型在風(fēng)洞中的阻塞比，是模型正面的寬度，是模型正面的高度，和是風(fēng)洞試驗段的寬度和高度。由式（2-1）計算得到的阻塞率為3.7%，滿足要求。該模型完全按照設(shè)計單位所給的設(shè)計圖紙，以及幾何相似性的要求，由復(fù)合3D打印制作完成。青島北站模型安裝在XNJD-1風(fēng)洞中，如圖2-3。圖2-3安裝在風(fēng)洞內(nèi)的模型1.1.3試驗測點布置為便于計算大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)致響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)屋蓋測點區(qū)域布置了15個測點，各測壓點的位置如圖2-4所示。圖2-4屋蓋表面布點及分區(qū)示意圖1.1.4試驗參數(shù)條件試驗時，對青島北站模型結(jié)構(gòu)表面的15個測點采樣，采樣頻率為256Hz，采樣時間為60s。每間隔20°和45°設(shè)置一個試驗風(fēng)向，順時針轉(zhuǎn)動，共24個試驗風(fēng)向，試驗風(fēng)速為12m/s，每個風(fēng)向角測兩組數(shù)據(jù)，如圖2-5。另外按照3°/s的轉(zhuǎn)速順時針轉(zhuǎn)動模型，測得風(fēng)向變化下青島北站模型結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓。圖2-5青島北站實驗風(fēng)向示意圖1.1.5測壓試驗數(shù)據(jù)處理對風(fēng)洞試驗測得的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓數(shù)據(jù)進行處理的過程中，結(jié)構(gòu)表面的壓力值一般用風(fēng)壓系數(shù)表示，將獲得的結(jié)構(gòu)表面各典型測點的壓力值由Matlab處理，得到各測點的風(fēng)壓系數(shù)，公式如下：（2-2）式中，為模型前方來流未擾動區(qū)、相當(dāng)于結(jié)構(gòu)屋蓋頂部高度處的平均風(fēng)速，為該高度處參考靜壓，為模型各測壓點處的壓力，為空氣密度。由式（2-2）得到平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)，公式如下：平均風(fēng)壓系數(shù)：（2-3）脈動風(fēng)壓系數(shù):（2-4）1.3風(fēng)荷載特性分析對大跨屋蓋進行抗風(fēng)研究首先就要了解它的風(fēng)荷載特性，本節(jié)分析了青島北站模型結(jié)構(gòu)表面典型測點的風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。模型結(jié)構(gòu)通過風(fēng)洞試驗測得的壓力值經(jīng)過處理后，可以得到各測點的風(fēng)壓系數(shù)時程，以0°風(fēng)向角的試驗數(shù)據(jù)為例，分析大跨屋蓋結(jié)構(gòu)上表面典型測點的風(fēng)壓系數(shù)時程，選取的測點號為：7、8、9、10、15，測點號見圖2-4，風(fēng)壓系數(shù)時程如圖2-5。圖2-5a)測點7圖2-5b)測點8圖2-5c)測點9圖2-5d)測點10圖2-5e)測點15圖2-50°風(fēng)向角下各測點風(fēng)壓系數(shù)時程從大跨屋蓋結(jié)構(gòu)上表面典型測點的風(fēng)壓系數(shù)時程可以看出，結(jié)構(gòu)上表面基本全為負壓，即屋蓋受到向上的吸力。處于迎風(fēng)面屋蓋挑檐拐點處的測點15出現(xiàn)較大的負壓分布，負壓系數(shù)極值達到-1.32，這說明迎風(fēng)面屋蓋挑檐拐點處有較大的渦旋和氣流分離，同時，處于模型邊緣的測點9在迎風(fēng)面也出現(xiàn)較大的負壓分布。模型中部測點8的風(fēng)壓系數(shù)仍以負壓為主，但負壓系數(shù)不大，因為來流對結(jié)構(gòu)最高點處的干擾不大。模型靠后位置的測點7、10的風(fēng)壓系數(shù)雖然為負，但都比其它測點的風(fēng)壓系數(shù)較大。1.3.1平均風(fēng)壓系數(shù)由于模型結(jié)構(gòu)對稱，故選取屋蓋結(jié)構(gòu)的典型測點進行分析，對屋蓋選取的測點為測點7、測點8、測點10、測點12和測點13，用Origin軟件繪制出典型測點的平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，如圖2-6。圖2-6典型測點的平均風(fēng)壓系數(shù)從圖2-6可以分析得出如下結(jié)論：屋蓋上表面風(fēng)壓基本為負，且在屋蓋挑檐拐點處的測點能達到負壓極值，如測點12在屋蓋迎風(fēng)前緣時，即180°風(fēng)向角下，達到負壓系數(shù)極值-1.57，這是風(fēng)在屋蓋前緣形成氣流分離導(dǎo)致的。在屋蓋挑檐處的測點7同樣在迎風(fēng)面時，即200°風(fēng)向角下，達到它負壓系數(shù)極值-0.91。測點8在0°風(fēng)向角下達到負壓極值-0.87，即判斷測點8的最不利風(fēng)向角為0°；測點10的最不利風(fēng)向角為180°，平均風(fēng)壓系數(shù)達到負壓極值-1.01；測點13的最不利風(fēng)向角為80°，負壓系數(shù)極值為-0.93?？紤]青島北站大跨屋蓋結(jié)構(gòu)對稱，且測點7和測點8剛好處于對稱軸上，測點10靠近對稱軸，從圖3-1可以看出它們的風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線基本關(guān)于180°對稱。屋蓋中心測點8的風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的波動范圍相比其它測點較小，而屋蓋挑檐拐點處的測點12的風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化的波動范圍最大。1.3.2脈動風(fēng)壓系數(shù)為了更全面的研究大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，還需要分析結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的脈動特性，該特性除了受到特征湍流的影響，還與來流的湍流有關(guān)，其決定了結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)的強弱，而脈動風(fēng)壓系數(shù)就可以衡量結(jié)構(gòu)表面脈動特性。圖2-7典型測點的脈動風(fēng)壓系數(shù)從圖2-7分析可知：（1）測點7的脈動風(fēng)壓系數(shù)先不斷遞減，再遞增，再遞減，最后遞增，而測點7的平均風(fēng)