定風向下結構風壓分布規(guī)律及特性分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27786定風向下結構風壓分布規(guī)律及特性分析案例 1223761.1工程概況 168281.2模型風洞試驗介紹 229961.1.1試驗設備介紹 2299061.1.2試驗模型設計與制作 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風荷載特性分析 58121.3.1平均風壓系數(shù) 6128541.3.2脈動風壓系數(shù) 7在大跨屋蓋結構抗風設計理論的框架下，由于一些大跨屋蓋結構外形特殊，自振頻率低等原因，無法通過查閱規(guī)范和經(jīng)驗公式獲得風荷載參數(shù)，如風壓系數(shù)、風振系數(shù)等，進而無法獲得結構表面的風荷載時程數(shù)據(jù)和風壓分布形式（風壓系數(shù)）。但這些數(shù)據(jù)可以通過風洞試驗的同步測壓得到，再通過數(shù)學處理得到風荷載時程數(shù)據(jù)。本章就以擬建于中國沿海強風區(qū)的青島火車站為背景進行風洞試驗研究，分析大跨屋蓋結構表面在定風向下的風壓分布規(guī)律及特性。1.1工程概況青島北站作為當?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，成為青島新的標志性建筑。青島北站位于山東半島膠州灣北側，處于強風區(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)格結構，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構具有跨度大、自振頻率低、質量輕和結構特殊等特點，它們的風荷載參數(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構進行抗風設計相當困難，故需要通過剛性模型試驗來確定其屋蓋結構表面的風壓分布情況。圖2-1青島北站鳥瞰圖1.2模型風洞試驗介紹1.1.1試驗設備介紹（1）試驗風洞XNJD-1風洞，位于西南交通大學峨眉校區(qū)，于1992年建成，是當時全國最大的工業(yè)風洞。具有兩個試驗段，第一段截面寬3.6m，高3m，試驗可控制風速最低為0.5m/s，最高風速為22m/s；第二段截面寬1.4m，高2m，控制風速最低為1m/s，最高為45m/s。XNJD-1風洞內有準確性較高的數(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，計算峰值響應等，用途廣泛。風洞可控制的風速在1.0～16.5m/s范圍內，主要技術水平已處于世界前沿。該風洞試驗段配有大氣邊界層模擬裝置，低壁裝有能360°旋轉的轉盤。圖2-2西南交通大學XNJD-1風洞實驗室（2）測量系統(tǒng)壓力測量儀器：美國Scanvalve電子掃描閥風速測量：風速儀1.1.2試驗模型設計與制作根據(jù)此大跨屋蓋結構的幾何形狀和風洞試驗段的尺寸，以及考慮風洞阻塞率的要求，其在風洞中的阻塞率不得超過5%，這里將模型縮尺比設為1:300。（2-1）式中，是模型在風洞中的阻塞比，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。該模型完全按照設計單位所給的設計圖紙，以及幾何相似性的要求，由復合3D打印制作完成。青島北站模型安裝在XNJD-1風洞中，如圖2-3。圖2-3安裝在風洞內的模型1.1.3試驗測點布置為便于計算大跨屋蓋結構的風壓系數(shù)和風致響應，對結構屋蓋測點區(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，對青島北站模型結構表面的15個測點采樣，采樣頻率為256Hz，采樣時間為60s。每間隔20°和45°設置一個試驗風向，順時針轉動，共24個試驗風向，試驗風速為12m/s，每個風向角測兩組數(shù)據(jù)，如圖2-5。另外按照3°/s的轉速順時針轉動模型，測得風向變化下青島北站模型結構表面的風壓。圖2-5青島北站實驗風向示意圖1.1.5測壓試驗數(shù)據(jù)處理對風洞試驗測得的結構風壓數(shù)據(jù)進行處理的過程中，結構表面的壓力值一般用風壓系數(shù)表示，將獲得的結構表面各典型測點的壓力值由Matlab處理，得到各測點的風壓系數(shù)，公式如下：（2-2）式中，為模型前方來流未擾動區(qū)、相當于結構屋蓋頂部高度處的平均風速，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）得到平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)，公式如下：平均風壓系數(shù)：（2-3）脈動風壓系數(shù):（2-4）1.3風荷載特性分析對大跨屋蓋進行抗風研究首先就要了解它的風荷載特性，本節(jié)分析了青島北站模型結構表面典型測點的風壓系數(shù)隨風向角的變化規(guī)律。模型結構通過風洞試驗測得的壓力值經(jīng)過處理后，可以得到各測點的風壓系數(shù)時程，以0°風向角的試驗數(shù)據(jù)為例，分析大跨屋蓋結構上表面典型測點的風壓系數(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°風向角下各測點風壓系數(shù)時程從大跨屋蓋結構上表面典型測點的風壓系數(shù)時程可以看出，結構上表面基本全為負壓，即屋蓋受到向上的吸力。處于迎風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在迎風面也出現(xiàn)較大的負壓分布。模型中部測點8的風壓系數(shù)仍以負壓為主，但負壓系數(shù)不大，因為來流對結構最高點處的干擾不大。模型靠后位置的測點7、10的風壓系數(shù)雖然為負，但都比其它測點的風壓系數(shù)較大。1.3.1平均風壓系數(shù)由于模型結構對稱，故選取屋蓋結構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壓系數(shù)隨風向角的變化曲線，如圖2-6。圖2-6典型測點的平均風壓系數(shù)從圖2-6可以分析得出如下結論：屋蓋上表面風壓基本為負，且在屋蓋挑檐拐點處的測點能達到負壓極值，如測點12在屋蓋迎風前緣時，即180°風向角下，達到負壓系數(shù)極值-1.57，這是風在屋蓋前緣形成氣流分離導致的。在屋蓋挑檐處的測點7同樣在迎風面時，即200°風向角下，達到它負壓系數(shù)極值-0.91。測點8在0°風向角下達到負壓極值-0.87，即判斷測點8的最不利風向角為0°；測點10的最不利風向角為180°，平均風壓系數(shù)達到負壓極值-1.01；測點13的最不利風向角為80°，負壓系數(shù)極值為-0.93?？紤]青島北站大跨屋蓋結構對稱，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可以看出它們的風壓系數(shù)隨風向角的變化曲線基本關于180°對稱。屋蓋中心測點8的風壓系數(shù)隨風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的風壓系數(shù)隨風向角變化的波動范圍最大。1.3.2脈動風壓系數(shù)為了更全面的研究大跨屋蓋結構的風荷載特性，還需要分析結構表面風壓的脈動特性，該特性除了受到特征湍流的影響，還與來流的湍流有關，其決定了結構風致動力響應的強弱，而脈動風壓系數(shù)就可以衡量結構表面脈動特性。圖2-7典型測點的脈動風壓系數(shù)從圖2-7分析可知：（1）測點7的脈動風壓系數(shù)先不斷遞減，再遞增，再遞減，最后遞增，而測點7的平均風