某体育建筑风洞测压试验研究

2019-07-20王志坤

建材发展导向 2019年18期

王志坤

（大同市重点工程建设办公室，山西大同 037000）

1 建筑结构风洞模拟试验基本原理

1.1 简介

在风工程中，风洞模拟试验是支持这类工程效果检验和工程施工推进的一个最为典型的试验。由于其应用的广泛性比较强，因此在技术的成熟度上也是相对较高的，其具体操作方法是，将建筑实体按照常规的比例进行缩小，建立成模型，并且在风洞中模拟风的作用效果，做好相关测量工作。

在具体的试验过程中，需要应用到几何缩尺模型作为工具，并且依据相似率以及量纲分析作为试验的理论基础。其中，相似率的基本原理是，一个独立的物理系统的行为与它的控制方程和初始条件等有密切的关系。而这些条件和方程的内容，可以通过纲量分析法将他们无量纲化。由此产生无量纲参数，当这些参数相等，则意味着相应的方程内容以及条件内容也存在一种相等关系，这最终意味着所有模拟计算得到的数据和遇到的实际情况，可以全面运用到实际的关系建立和情况处理中去。

当具体试验的目的产生差异，则风荷载试验又可以进行进一步的分类，即刚性模型试验和气动弹性模型试验，其中，刚性模型背景下的试验，主要的目的是获取结构表面的风压分布情况内容和受力情况内容。但在这个过程中无法考虑外部振动的影响。而弹性模型实验则主要是为了模拟结构物的风致振动等效应效果。从这个角度来看，两种试验的具体目标是有所差异的。气动弹性模型试验在模型制作、测量手段上都比较复杂，难度比较大，在桥梁、高耸细长结构的试验中运用较多。但是对于薄膜、薄壳、柔性大跨结构，它们的气动弹性模拟试验技术还是风工程研究中比较前沿的课题，还有很多问题有待解决。因而在实际的工程研究中运用比较少。

1.2 相似准则

关于具体的准则类型，包括了以下几方面相似条件，下文将具体阐述。

1）几何相似，所谓的几何相似，主要是要求建筑结构本身与所建立起来的模型在外部的几何形状上具备高度的一致性。而且除了进行研究的建筑主体外，周边如果出现大型建筑，则其他主要的建筑主体也应当在外观上达到一定的几何相似度。

2）动力相似，从动力相似的特点上来看，这种相似的达成包括了多种类型的相似参数。其中比较典型的是雷诺数。它的具体表征是流体惯性力和粘性力的比，是组织流动控制方程的重要参数。

式中：U表示来流风速，L表示特征长度，ν 表示空气的粘性系数。

从表达式中可以观察到，模型的缩尺比一般保持在1%的量级上，而且，风洞中的风俗也接近于自然状态下的风速，一次你在试验状态下，雷诺数通常比实际数量级要低，这种差别是试验中需要考虑到的一个具体问题。

雷诺数的主要影响体现在流态指标和流动分离指标上。而对于锐缘建筑物，其分离点具有固定性的特征。因此，流态指标受到雷诺数的影响相对较小。所以，在具体的实验环节中，模型如果也呈现出比较分明的额棱角，则一般不考虑雷诺数指标带来的影响。

对于物体结构表面呈现连续曲面的情况，则这一参数的影响就会体现出复杂性较高的特点，如果建筑物又有实测数据的情况，通常利用加大其表面粗糙度的方式来降低这一参数指标的数值。促使是模型结构中的表面压力分布与实际数据保持一致。如果没有实物数据作参考，则通常需要结合实际经验进行相应的判断。

根据本试验的具体情况，流动分离的区域在边缘上，因此，分离点的位置固定，可以通过试验的方式，确定压力系数不受到雷诺数的影响。

3）来流条件相似，关于大自然环境中的风的来历，通常是由于太阳对地球的大气产生的不均匀加热现象引发的。这时地球表面会对大气的运动造成一种水平方向的阻力。使其在达到靠近地面的区域时，速度减慢。这种影响的主要特征是，影响的范围可以达到几公里的范围内。这就形成了一种边界层。在边界层的风速分布中，顶层风速通常称作梯度风速。从实际出发，建筑物一定是处在大气的边界中的，这就意味着想要实现风与结构物的真实相互作用。则应当在风洞中将自然界和大气边界层的相似流动模拟出来。

而对于刚性模型试验而言，来流条件模拟的关键点在于，将大气边界层的风速剖面和湍流度剖面模拟出来，其中的指数律参数表示为：

其中：Ug代表大气边界层梯度风速度，zg代表大气边界层高度。而幂指数指标与大气边界层的高度zg则与地表环境具有很高的相关性。编号GB50009-2001 的《建筑结构荷载规范》为中采用的是指数形式的风剖面表达式，并将地貌分为A、B、C、D 四类，分别取风剖面指数为0.12、0.16、0.22 和0.30，对应以下四种地貌范围：

表1 地貌类型

1.3 试验概况

模型比例： 1∶250

地貌类别： B 类

测点数量: 929 (含290 个双面测点)

风向角：间隔度数10，风向角数量36

常规风压： 50 年重现期0.55kN/m2

2 试验装置与设备

2.1 大气边界层风洞

关于边界风洞，其与其他类型的风洞的主要差别在于这种封冻的试验段相对较长，需要通过布置粗糙圆或者尖劈的方法将所需要的大气边界层剖面模拟出来，在本次试验中，风洞的形式是直流下吹式，全长96.5m。包含了两个不同而试验段，本文讨论的试验段具体的尺寸是宽4m、高3m、长22m。风速最大30m/s，最小2m/s。

2.2 试验模型与测压孔布置

测压孔的布置，需要考虑风洞阻塞要去以及转盘和原型的尺寸。试验模型缩尺比确定为1∶250。根据图纸对建筑外形进行模拟，从而观察得出外形对于风压分布情况的影响。

图1 模型在风洞中的照片

试验中使用Dantec 生产的恒温式热线风速仪配合单丝热线探头测量风速剖面，采样时间需要维持在15s，采样频率设置为1kHz。

试验设备为进口的电子压力扫描阀系统，扫描的指标主要是平均脉动压力指标。扫描结果校准应用扫描阀，测量均由计算机控制。

试验风速设置为16m/s，压力采样频率设置为400.6Hz，采样时间21 秒。保证所有测点压力数据的获取同步性。

2.3 试验设备与试验条件

设备类型为进口设备，设备具体包括了风速仪、扫描阀系统。

图2 D SM 3400 测压系统

3 试验内容

3.1 风速剖面模拟

本试验地貌为B 型地貌。图3 为尖劈法和粗糙元法混合应用的背景下所得到的风俗剖面图。

3.2 不同状态下的测压试验

本试验测量了试验模型在不同风向角下的表面压力分布。从0 度风向开始，按照上文所述的10°为测量间隔，获得了模型在36 个风向角。

4 数据分析方法

4.1 平均压力系数和脉动压力系数的计算

图3 试验风速剖面

图4 测点及风向角

在建筑物表面存在的不同测量点的压力都会随之时间的推移发生随机变化。具体可分为瞬时平均压力和脉动压力两个部分。

这里x表示的是不同测点的编号，而p(x)是p(x;t)在一定时间T内的平均值。

p(x;t)是随机量，其均方根值p定义为：

为了提高实验结果的广泛适用性，在压力值的计算和表达方面，主要应用的都是无量纲压力系数进行表达，试验过程中将模型的原理距离选择在2.2m 的位置区域，参考点也选择在这一区域内。另外，需要将这一家区域的流动压力标准为参考将测点压力进行无量纲化。另外，为了便于对试验结果的规范应用。可将压力系数进行科学的转换，提高其标准化程度。具体的计算方法如下。

其中p是来流的静压。由于风洞中已经获取的结合实际地形的要求进行了模拟，因此，这时所得到的平均压力系数实际上已经将大气边界层的高度变化影响考虑在内，这时的平均压力系数是体形系数与高度变化系数的乘积。

另外，如果观测点有对应的内外关系，可同时计算其合压力系数的分布情况。另外，关于内外表面压力的时间相关性方面，现阶段仍然是位置的，因此在计算时，需要首先获得瞬时压力差的时间序列，随后在进行统计数据，从而获得准确的压力值指标。

4.2 极值压力系数的计算

基于风压的脉动特点，其表面的风压通常都要高出平均压力瞬时值很大的分为，这时，可以将即指风压纳入考虑的范围内，即极值风压=平均压力＋脉动压力，即：

其中g 为峰值因子，当右边的两式相加，可获得压力的极大值，相减则获得极小值，按照概率统计的原理，如果压力时间序列形成一个平稳的高斯序列，则峰值因子值一个多囊选取在3.0 的范围内，以保证瞬时压力的概率水平达到99.7%。不超过计算所得的极限压力值，随后再结合B 类的地形高度的10m 处得到流动压力，以及极值压力系数。

需要说明的一点是，大气湍流的信号并不具备随机性，而是通过分流作何用导致负压时序的状态。从分布状态上来讲，其概率分布状态与正态分布状态处在分离的状态下，因此，测点的压力会出现偏度。

5 风荷载标准值的计算方法

《建筑结构荷载规范》中规定当计算主要承重结构时，风荷载标准值应按下式计算：

式中wk即风荷载标准值(kN/m2)，βz指高度z处的风振系数，μs为风荷载体型系数，μz为风压高度变化系数，w0 为基本风压(kN/m2)。在计算围护结构的风荷载时，公式的其它部分不变，只是风振系数用阵风系数代替，而风荷载体型系数变为局部风压体型系数。设计时采用的基本风压根据《建筑结构荷载规范》取值。

如前所述，本试验中的平均压力系数等于风荷载体型系数与风压高度变化系数的乘积，因此在确定风荷载标准值时，应按下式进行计算：