建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫研究

王鶴鶴

【摘 要】本文主要介紹了國內(nèi)外幾個較為重要的風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫，包括美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫，日本東京工藝大學(xué)氣動數(shù)據(jù)庫、美國圣母大學(xué)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫等，分析了各數(shù)據(jù)庫中所收錄的建筑模型種類、數(shù)據(jù)內(nèi)容等，以便工程人員和研究人員參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；風(fēng)工程；數(shù)據(jù)庫；在線計(jì)算

0 引言

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，高層建筑的數(shù)量與日俱增，其高度也在不斷突破，從起初的幾十米已然發(fā)展到了現(xiàn)在的800多米，沙特甚至提出建造高達(dá)千米的超高層建筑“王國塔。一般而言，隨著高度的增大以及輕質(zhì)建材的大量使用，結(jié)構(gòu)變得越來越柔，其基頻更加接近自然界風(fēng)的卓越頻率，風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用也隨之增大，風(fēng)荷載逐漸成為建筑結(jié)構(gòu)的控制荷載。與此同時，高層建筑的造型也已不再是簡單的長方體形狀，而是變得更為復(fù)雜，比如，倒角形，連體形，Y字截面形等。復(fù)雜的建筑造型使得建筑的風(fēng)荷載分析變得更為棘手。對于這些復(fù)雜且超高的建筑，往往需要進(jìn)行專門的風(fēng)洞試驗(yàn)研究以確定結(jié)構(gòu)響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載。

近年來，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)為了某些研究項(xiàng)目完成了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，而項(xiàng)目完成以后這些風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往會被閑置起來，造成了基礎(chǔ)資料的浪費(fèi)。因此，為了更好地保存和展示這些風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)基于本機(jī)構(gòu)所完成的試驗(yàn)紛紛建立了建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫。其中包括了美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫，日本東京工藝大學(xué)氣動數(shù)據(jù)庫，美國圣母大學(xué)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫，哈爾濱工業(yè)大學(xué)風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)庫所收錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型各不相同，依據(jù)所包含的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煞譃楦邔咏ㄖL(fēng)工程數(shù)據(jù)庫，低矮建筑風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫，大跨建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)庫?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)庫為研究人員提供了一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，為風(fēng)工程科研事業(yè)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

1 幾個重要的風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫分析

目前主要的風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫是由北美和日本等地的一些研究機(jī)構(gòu)所完成的。其中，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會（NIST）建立的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫[xx]是專門的低矮建筑數(shù)據(jù)庫，收錄了大量低矮建筑模型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Zhou & Kareem [xx]建立的美國圣母大學(xué)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫高層建筑氣動力網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫以及Wang & Cheng [xx]建立的高層建筑抗風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫是專門的高層建筑風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫，僅收錄了高層建筑模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。東京工藝大學(xué)氣動數(shù)據(jù)庫則是綜合性的數(shù)據(jù)庫，收錄了單獨(dú)高層建筑模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，干擾高層建筑模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及低矮建筑模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫則主要是收錄了若干個大跨結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，除此之外還收錄了少量高層建筑模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是以大跨建筑為主的綜合性風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫。此外，美國圣母大學(xué)高層建筑數(shù)據(jù)庫還配套有風(fēng)荷載在線計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入信息調(diào)取模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.1 美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫

美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會（NIST）將加拿大西安大略大學(xué)（UWO）邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)室得到的關(guān)于低矮房屋的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并建立了相應(yīng)的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫[xx]。該數(shù)據(jù)庫收錄了由西安大略大學(xué)大學(xué)邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成的95個雙坡面屋頂模型的剛體模型測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些模型的屋頂傾斜度、房屋高度、房屋底面尺寸、開洞情況、幾何縮尺比以及地貌各有不同。該數(shù)據(jù)庫根據(jù)這些模型特征將模型列于表中，研究人員選擇模型后可查看該模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括了測試工況、模型測點(diǎn)圖以及各測點(diǎn)風(fēng)壓時程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 日本東京工藝大學(xué)氣動數(shù)據(jù)庫

該氣動數(shù)據(jù)庫包括高層建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫、干擾下高層建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫以及低矮建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫三部分。其中高層建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫收錄了13個簡單長方體模型在兩種風(fēng)場下的剛體模型測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各模型尺寸比例如表1所示，其中α指地面粗糙度指數(shù)。研究人員選擇要查看的模型后進(jìn)入風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果展示頁面。該頁面可查看的內(nèi)容包括模型幾何參數(shù)、風(fēng)壓測點(diǎn)布置圖、立面風(fēng)壓分布等值線圖、立面風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)值、測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)等。該數(shù)據(jù)庫提供了測壓試驗(yàn)的風(fēng)壓基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，工程人員或研究人員可以借助這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的計(jì)算或研究。

干擾下高層建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫收錄了受擾建筑模型剛體模型測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中施擾建筑是處于周邊特定位置的單個相同建筑模型。受擾建筑模型共有5種，其尺寸如表2所示。施擾建筑相對于受擾建筑共有37個相對位置，研究人員選擇受擾模型以及施擾建筑位置后，可查看該工況下受擾建筑模型的表面風(fēng)壓分布等值線圖以及各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時程文件。

東京工藝大學(xué)低矮建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫包含了有屋檐低矮建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫，無屋檐低矮建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫和群體低矮建筑風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫。

表3 美國圣母大學(xué)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫模型

研究人員根據(jù)建筑尺寸、屋檐情況、建筑群體情況選擇相應(yīng)的模型和實(shí)驗(yàn)工況后，可查看模型各表面風(fēng)壓分布等直線圖、各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時程文件等。鑒于本文主要研究高層建筑數(shù)據(jù)庫，本部分暫不做詳細(xì)介紹，有興趣的研究人員可自行詳細(xì)了解。

1.3 美國圣母大學(xué)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫包括了27種直棱柱模型在兩種風(fēng)場下的剛體模型測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些模型包括21個矩形截面模型，3個三角形截面模型以及3個平行四邊形截面模型，各模型參數(shù)如表3所示。

該數(shù)據(jù)庫附帶在線計(jì)算平臺，工程人員根據(jù)實(shí)際建筑幾何特性選擇模型，并輸入實(shí)際建筑的幾何參數(shù)、動力參數(shù)和風(fēng)場信息后系統(tǒng)計(jì)算并輸入實(shí)際建筑的風(fēng)力系數(shù)功率譜以及等效靜力風(fēng)荷載等信息供工程人員參考。該在線平臺使得數(shù)據(jù)庫的使用更為便利化，特別是對于關(guān)注等效靜力風(fēng)荷載的工程設(shè)計(jì)人員來說，該平臺的使用極大地提升了設(shè)計(jì)工作的效率。

1.4 同濟(jì)大學(xué)高層建筑抗風(fēng)軟件平臺

該數(shù)據(jù)庫是由同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課題組所構(gòu)建，包括了測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)庫以及基于規(guī)范的荷載響應(yīng)在線計(jì)算平臺。數(shù)據(jù)庫收錄了大量形狀各異模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了基底剪力時程、表面風(fēng)壓分布等基礎(chǔ)資料。

2 總結(jié)

本文主要分析了國內(nèi)外幾個建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程數(shù)據(jù)庫的建設(shè)狀況?？偟膩碚f，這類數(shù)據(jù)庫為研究人員和工程人員提供了重要的基礎(chǔ)資料來源，同時也解決了風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的保存問題，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)資料的共享和再利用。為風(fēng)工程學(xué)科的健全和發(fā)展具有一定意義。目前，這類數(shù)據(jù)庫的建設(shè)仍有一些不足之處，比如，多數(shù)數(shù)據(jù)庫收錄的模型較少，對于研究人員而言，無法獲得成系統(tǒng)的研究資料；大多數(shù)模型為標(biāo)準(zhǔn)的長方體模型，與現(xiàn)實(shí)情況不符。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]