基于現(xiàn)場實測的膜結(jié)構(gòu)風場特性研究

張建勝，李偉杭，王建東，陶　瑾，吳力平

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310018)

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基于現(xiàn)場實測的膜結(jié)構(gòu)風場特性研究

張建勝1，李偉杭1，王建東1，陶瑾1，吳力平2

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310018)

摘要：為了研究膜結(jié)構(gòu)的風特性和風壓分布，對一雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)的風場特性進行了現(xiàn)場實測。通過分析2015年7月一次大風過程的數(shù)據(jù)，得到了該膜結(jié)構(gòu)屋面的風特性和風壓分布情況，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。分析結(jié)果表明：屋面來流風一側(cè)以負風壓為主，且來流風一側(cè)屋面的風壓較大，另一側(cè)則反之；隨著風速的增大，屋面的風壓系數(shù)基本保持不變；屋面的風壓系數(shù)實測值略小于數(shù)值模擬的數(shù)值，但兩者分布一致且相差不大.

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)；現(xiàn)場實測；風特性；數(shù)值模擬

隨著結(jié)構(gòu)體系和建筑材料的進步，膜結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展.膜結(jié)構(gòu)屋面具有自重輕、剛度小、跨度大等特點，因此風荷載會成為控制結(jié)構(gòu)荷載的主要荷載.目前我國對膜結(jié)構(gòu)屋面的風荷載分布和抗風性能的研究還不多，而中國的荷載規(guī)范[1]僅規(guī)定了規(guī)則形狀的屋面風荷載體型系數(shù)，因此有必要對其進行現(xiàn)場實測的研究.

近年來，國內(nèi)外學者開展的結(jié)構(gòu)風場實測，并取得了具有重要參考意義的研究成果.如戴益民等[2-3]通過現(xiàn)場實測研究了低矮房屋屋面的風壓系數(shù)特征，總結(jié)了不同風環(huán)境下屋面局部風壓峰值的分布和脈動規(guī)律.朱丙虎等[4]通過對世博軸屋面進行長達兩年的風特性監(jiān)測，得到了屋面的風特性和風壓分布特性并將其結(jié)果與風洞試驗數(shù)據(jù)進行比較，實測結(jié)果略小于風洞試驗值但兩者分布趨勢基本一致，驗證其試驗的可靠性.羅堯治等[5]對國家體育場大跨度屋蓋進行了實測研究，分析表明大跨度屋蓋上風場與自然來流特性存在較大的差別，證明了大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)不適用準定常假定.筆者基于理論和實驗分析，利用FLUENT分析軟件，采用Realizablek-ε湍流模型[6-8]，模擬膜結(jié)構(gòu)屋面的風壓特性，并與實測的結(jié)果進行了對比.

1實驗方法

1.1實驗概況

實測膜結(jié)構(gòu)屋面的形狀為雙曲拋物面，包括支撐結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)，全長36 m,寬4 m，立桿高度4.5 m，屋面與桿節(jié)點高度分別為3.6，1.9 m.膜結(jié)構(gòu)位于城市中心，因此地面粗糙度類型為C類.圖形如圖1所示.

圖1　雙曲面膜結(jié)構(gòu)Fig.1　Hyperbolic parabolicmembrane structure

1.2實驗設(shè)備

圖2　采集設(shè)備Fig.2　Monitoring instruments

風速儀采用R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的81000超聲風速儀，可以測量三維風速，測量范圍0～40 m/s，誤差精度1%；風向角范圍0°～360°，風仰角范圍-60°～60°，誤差精度均為-2%～2%.風壓傳感器采用的是武漢超宇測控有限公司生產(chǎn)的CY2000F風壓傳感器(已被國內(nèi)多所高校所采用)，測壓范圍為-1.5～1.5 kP，精度為0.5%.監(jiān)測儀器如圖2所示.為了研究膜結(jié)構(gòu)的風場特性，選擇膜結(jié)構(gòu)表面的中間段為監(jiān)測對象，風速儀安裝在支座頂部距離地面5 m處.由于該膜結(jié)構(gòu)是一個開放式結(jié)構(gòu)，因此需要在其上表面和下表面的同一位置都安裝傳感器.總共安裝12 個傳感器，每一個表面上有6 個監(jiān)測點，監(jiān)測點布局如圖3所示.

1.3風場特性

圖4分別為在2015年7月一次大風實測中10分鐘時距的平均風速和平均風向角.由圖4可知:平均風速在1.4～3.2 m/s之間，而風向為80°～180°之間，即以西北風為主.由于結(jié)構(gòu)的高度比較低，以及受到周圍建筑物的影響，膜結(jié)構(gòu)處于強湍流區(qū)域.圖5表示了脈動風湍流度隨速度的變化情況，因為10 min時距的平均風速很小，陣風特性明顯，得不到3 m/s以上穩(wěn)定風速的湍流度樣本,因此平均風速的時距取5 s.圖5表明脈動風湍流度隨風速的變快而減小，平均湍流度在20%左右.

圖3　測點布置Fig 3　Layout of the measuring point

圖4　平均風速和風向角Fig.4　Mean wind speed and direction

圖5　湍流度隨風速的變化情況Fig.5　Turbulence intensity of fluctuating wind varying with speed

脈動風譜反映了湍流能量在頻域內(nèi)的分布情況.Karman根據(jù)湍流的各向同性假設(shè)提出了Karman譜[9-10]，其表達式為

圖6　風速譜Fig.6　Spectra of fluctuant wind

2數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)的風荷載通常是用結(jié)構(gòu)風荷載形狀系數(shù)或屋面風壓系數(shù)來表示.風壓系數(shù)是由屋面表面上的風壓力和風速換算的風壓力之比.由于該結(jié)構(gòu)是一個開放式結(jié)構(gòu)，因此實測風壓為上下表面的壓力之差，風壓系數(shù)的計算公式為

圖7　各點的實測風壓Fig.7　measured wind pressure of each point

式中：Cpi為風壓系數(shù)；Pi(t)為實測的風壓值；P∞為參考靜壓力；ρ為來流風的密度；U為來流風度平均風速.圖7依次為1～6號點10min時距風壓數(shù)據(jù).表1為v=6.2 m/s,θ=187°時的平均風壓系數(shù)，由表1可知：雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)屋面的來流風一側(cè)以負壓力為主.屋面結(jié)構(gòu)其中對角兩端高，另兩端低，平均風壓系數(shù)隨高度的增大而增大.

表1　平均風壓系數(shù)分布

根據(jù)現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，對同一風向不同風速下的2組數(shù)據(jù)進行分析，得到了風速與平均風壓系數(shù)之間的關(guān)系.由圖8可知：平均風壓系數(shù)隨著風速的增大基本保持不變.

圖8　不同風速下的對比Fig.8　Comparison of different wind speeds

3實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)的對比

采用ANSYS對膜結(jié)構(gòu)進行找形分析，如圖9(a)所示.然后根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的尺寸，計算流場模型，計算流域大小為180 m×120 m×60 m，膜結(jié)構(gòu)放在整個流域的1/3的位置，入口10 m高度處風速26.83 m/s，湍流模型采用RSM模型.如圖9(b)所示.

圖9　膜結(jié)構(gòu)模型Fig.9　Model of the membrane structure

圖10為實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的對比，由表1可知實測的風壓系數(shù)小于數(shù)值模擬的結(jié)果.兩者差異的原因是實測的膜結(jié)構(gòu)屋面是柔性的，在風荷載作用下膜面會張拉產(chǎn)生較大的變形，而數(shù)值模型的膜結(jié)構(gòu)屋面卻是剛性的.且實測的膜結(jié)構(gòu)周圍建筑較多情況比較復(fù)雜，因此有所差異，但總體結(jié)果比較相近.

圖10　實測風壓系數(shù)與模擬風壓系數(shù)的對比Fig.10　Comparison of mean preesure coefficient between measured data and numerical data

4結(jié)論

通過采集的風速和風壓數(shù)據(jù)，研究了雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)屋面的風壓分布特性，針對開敞式結(jié)構(gòu)風壓的實測采取了上下表面同步測壓的有效方法.在對于結(jié)構(gòu)所處陣風效應(yīng)明顯的情況下取5 s時距的風壓樣本，得出如下結(jié)論：膜結(jié)構(gòu)所處風環(huán)境的湍流強度較大，平均值為20%，脈動風譜基本與卡曼譜相同；膜結(jié)構(gòu)屋面的風壓主要以負壓為主，且來流來流風一側(cè)屋面的風壓較大，另一側(cè)則反之；平均風壓系數(shù)隨風速的增大基本保持不變；膜結(jié)構(gòu)屋面的實測風壓系數(shù)小于數(shù)值模擬的風壓系數(shù)，但二者的結(jié)果十分接近且其分布趨勢基本相同.

參考文獻：

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[2]戴益民，李秋勝，李正農(nóng).低矮房屋屋風載特性的實測及風洞試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2009，39(7)：88-89.

[3]戴益民，李秋勝，李正農(nóng).低矮房屋屋面風壓特性的實測研究[J].土木工程學報，2008，41(6)：9-13.

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[5]羅堯治，蔡朋程，孫斌.國家體育場大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風場實測研究[J].振動與沖擊，2012，31(3)：64-68.

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[10]黃本才.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應(yīng)用[M].上海：同濟大學出版社，2008.

(責任編輯：陳石平)

A study of the wind characteristics of membrane structures based on field measurements

ZHANG Jiansheng1, LI Weihang1, WANG Jiandong1, TAO Jin1, WU Liping2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Hangzhou Vocational & Technical College, Hangzhou 310018, China)

Abstract:In order to study the wind characteristics and wind pressure distributions of membrane structures, field measurements were conducted on the wind characteristics of a pair of hyperbolic parabolic membrane structures. By analyzing the data of a big wind in July 2015, the wind characteristics and wind pressure distributions of the membrane structures were obtained and compared with the results of numerical simulations. The analysis results indicate that negative wind pressure predominates on the wind inflow side of the roof and the wind pressure is higher. However, the situation is the opposite on the other side. The wind pressure coefficient is basically invariable as the wind speed increases. Although the measured wind pressure is slightly smaller than the results of numerical simulations, their distributions are similar.

Keywords:membrane structure; field measurement; wind characteristics; numerical simulation

收稿日期：2015-10-26

基金項目：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項目(2014C33031)

作者簡介：張建勝(1981—)，男，浙江樂清人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗風研究，E-maiil:jszhang@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TU312.1

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)02-0216-05