羅堯治，蔡朋程，2，孫 斌，童若飛，沈雁彬，王洽親

(1.浙江大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心 浙江省空間結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058;2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)集團(tuán)上海建筑設(shè)計(jì)研究，上海 200041)

隨著結(jié)構(gòu)體系、建筑材料、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代建筑朝著高度越來(lái)越高﹑跨度越來(lái)越大的方向發(fā)展，使得工程結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)質(zhì)量輕、柔度大﹑阻尼小和自振頻率較低的特性，風(fēng)荷載往往成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載。目前，風(fēng)洞試驗(yàn)方法仍然是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的最主要方法，但由于其是縮尺模型試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得的結(jié)果相比仍會(huì)有很多區(qū)別，如風(fēng)洞模擬的湍流度難以達(dá)到實(shí)際值，描述流體特征的重要參數(shù)雷諾數(shù)也比實(shí)際值低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)?？傊L(fēng)洞試驗(yàn)雖然是現(xiàn)在最主流的風(fēng)工程研究方法，但其仍存在許多問(wèn)題。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是最直接可靠的手段，可以有效驗(yàn)證和改進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)﹑數(shù)值風(fēng)洞的結(jié)果及模擬方法，促進(jìn)整個(gè)風(fēng)工程研究方法的發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛開(kāi)展了土木工程領(lǐng)域的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，取得了一些研究成果。李秋勝等［1-2］開(kāi)發(fā)了移動(dòng)式臺(tái)風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，研究了我國(guó)沿海多個(gè)城市和地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性和建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)。申建紅等［3］對(duì)一超高層建筑進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)下風(fēng)速、風(fēng)壓場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)同步實(shí)測(cè)，研究了強(qiáng)風(fēng)作用下超高層建筑風(fēng)場(chǎng)特性及表面的風(fēng)壓分布特征。顧明等［4］在上海環(huán)球金融中心大樓頂部放置了超聲風(fēng)速儀，對(duì)超高層建筑上的風(fēng)速進(jìn)行了采集和分析。徐安等［5］采用兩種超聲風(fēng)速儀對(duì)臺(tái)風(fēng)近地風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程﹑風(fēng)向角﹑風(fēng)攻角變化進(jìn)行了分析。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)費(fèi)用高﹑難度大﹑布線困難，有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的文獻(xiàn)仍較少，尤其對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究極少。本文首次將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［6］以及3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)這一典型大跨度空間結(jié)構(gòu)的屋蓋上表面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)，取得了初步的數(shù)據(jù)和研究成果。

1 國(guó)家體育場(chǎng)大跨度屋蓋風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)概況

國(guó)家體育場(chǎng)是2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)，外形結(jié)構(gòu)主要是由巨大的門式鋼架組成，支撐在24根桁架柱上。建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸方向最大尺寸為332.3 m，短軸方向最大尺寸為296.4 m，最高點(diǎn)高度為68.5 m，最低點(diǎn)高度為40.1 m，屋蓋中間開(kāi)洞長(zhǎng)度為185.3 m，寬度為 127.5 m，場(chǎng)地地面粗糙度類別為 B 類［7］。在體育場(chǎng)屋蓋上表面放置了4個(gè)風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置布置見(jiàn)圖1，其中風(fēng)速風(fēng)向測(cè)點(diǎn)1﹑2﹑3周圍開(kāi)闊，而測(cè)點(diǎn)4在“鳥(niǎo)巢”火炬東南方向約5 m范圍處。風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在距屋蓋頂部0.8 m高度處，距地面約50 m左右，圖2為實(shí)物安裝圖。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置平面示意圖Fig.1 Plan view of sensor location

圖2 風(fēng)速傳感器實(shí)物圖Fig.2 Wind speed sensor

2 風(fēng)場(chǎng)特性分析方法

2.1 脈動(dòng)風(fēng)速概率分布

現(xiàn)有的風(fēng)特性分析方法假定脈動(dòng)風(fēng)速的概率分布為高斯分布(正態(tài)分布)，而特殊環(huán)境或大氣湍流受到干擾時(shí)，風(fēng)速記錄可能不符合高斯分布。實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析中，通常將偏度和峰度結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，以判斷變量分布是否接近于高斯分布，其中偏度度量概率密度分布的偏斜程度及偏向，峰度度量概率密度分布在平均值處峰值高低。

2.2 順風(fēng)向湍流度與陣風(fēng)系數(shù)

大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)柔度大﹑自振頻率低，大氣湍流特征對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu)共振效應(yīng)有重要影響。湍流度和陣風(fēng)系數(shù)是建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)中兩個(gè)基本的湍流特征信息。順風(fēng)向湍流度Iu定義為10 min時(shí)距內(nèi)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值σu與水平平均風(fēng)速U的比值:

順風(fēng)向陣風(fēng)系數(shù)Gu定義為順風(fēng)向陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間tg(本文取3 s)內(nèi)平均風(fēng)速最大值與基本時(shí)距(10 min)內(nèi)平均風(fēng)速U之比:

2.3 順風(fēng)向湍流積分長(zhǎng)度

大氣邊界層中的湍流渦旋可以視為頻率為n的周期脈動(dòng)，定義渦旋的波長(zhǎng)λ=U/n，其中U為平均風(fēng)速，那么這個(gè)波長(zhǎng)就是渦旋大小的量度，湍流積分尺度是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。對(duì)于順風(fēng)向的湍流積分尺度根據(jù)泰勒(Taylor)假設(shè)［8］，即假設(shè)湍流渦旋以平均風(fēng)速U沿順風(fēng)向遷移，則順風(fēng)向的湍流積分尺度Lxu可以表示為:

式中R(τ)為脈動(dòng)風(fēng)速自相關(guān)函數(shù)。計(jì)算時(shí)以10 min為基本時(shí)距，積分上限取到R(τ)=0.05σ2u，σu表示順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速的根方差。

2.4 脈動(dòng)風(fēng)速功率譜

脈動(dòng)風(fēng)速功率譜用來(lái)描述湍流中不同尺度的旋渦的動(dòng)能對(duì)湍流脈動(dòng)動(dòng)能的貢獻(xiàn)。它在頻域上的分布代表了湍流動(dòng)能在不同尺度上的能量分布比例。其中達(dá)文波特(Davenport)譜﹑馮·卡門(Von Karman)譜和卡曼(Kaimal)譜應(yīng)用較多［9］。

(1)馮·卡門(Karman)譜

卡門譜是1948年美國(guó)著名空氣動(dòng)力學(xué)家 Von Karman根據(jù)湍流各向同性假設(shè)提出的，表達(dá)式為:

(2)達(dá)文波特(Davenport)譜

1961年，加拿大著名風(fēng)工程專家Davenport提出了第一個(gè)大氣邊界層中的水平脈動(dòng)風(fēng)功率譜:

(3)卡曼(Kaimal)譜

卡曼提出的風(fēng)速譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用遠(yuǎn)程風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)同步采集和觀測(cè)，獲得了國(guó)家體育場(chǎng)屋蓋上的風(fēng)速記錄。數(shù)據(jù)分析選取3段平均風(fēng)速較大風(fēng)速時(shí)程，見(jiàn)表1。由于風(fēng)速風(fēng)向測(cè)點(diǎn)4位于“鳥(niǎo)巢”火炬區(qū)域，火炬本身及火炬拆除期間工具的堆放對(duì)測(cè)點(diǎn)4數(shù)據(jù)有明顯影響，表現(xiàn)為風(fēng)速數(shù)據(jù)偏小，風(fēng)向角與其他測(cè)點(diǎn)相差較大，湍流度偏大，故在數(shù)據(jù)分析時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)4數(shù)據(jù)予以剔除。

表1 實(shí)測(cè)樣本記錄Tab.1 The records of the measured samples

3.1 脈動(dòng)風(fēng)速概率分布

圖3為4次風(fēng)速樣本中風(fēng)速風(fēng)向測(cè)點(diǎn)1在1個(gè)小時(shí)內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度函數(shù)。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布，其峰度系數(shù)和偏度系數(shù)分別為3和0。峰度系數(shù)大于3，表明落在風(fēng)速均值附近的概率分布大于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布;而偏度系數(shù)大于0，表明概率分布向右偏斜，數(shù)據(jù)右端有較多的極端值。3次風(fēng)速樣本的概率分布呈現(xiàn)出不同程度的非高斯特征。脈動(dòng)風(fēng)速可以看作是穩(wěn)定流場(chǎng)和一系列旋渦疊加的結(jié)果［5］，在風(fēng)速構(gòu)成以穩(wěn)定流為主時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)速近似為高斯分布。而對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)而言，屋蓋上表面主要受分離的旋渦作用，風(fēng)場(chǎng)較為紊亂，因而非高斯特性表現(xiàn)明顯。

圖3 1 h脈動(dòng)風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)概率分布Fig.3 1 h wind speed fluctuation and standard probability distribution

3.2 平均風(fēng)速與風(fēng)向

兩個(gè)均以10 min為基本時(shí)距的實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速和風(fēng)向如圖4(a)﹑圖4(b)﹑圖4(c)和圖4(d)所示。“0915”樣本總體平均風(fēng)速為3.0 m/s，其中最大10 min平均風(fēng)速為4.5 m/s，總體平均風(fēng)向?yàn)?62°，即風(fēng)向以西南方向?yàn)橹鳌！?927”樣本的總體平均風(fēng)速為4.0 m/s，其中最大10 min平均風(fēng)速為5.5m/s，總體平均風(fēng)向?yàn)?8°，即風(fēng)向以西北方向?yàn)橹?。圖中顯示位于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)上位置對(duì)稱且距離較遠(yuǎn)的3個(gè)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)點(diǎn)，平均風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間變化規(guī)律趨于一致，但數(shù)值存在一定差異。以10 min為時(shí)距的平均風(fēng)速屬于風(fēng)速中長(zhǎng)周期部分，其能量源自風(fēng)速來(lái)流，因此位于空間上不同位置上風(fēng)速雖受屋蓋繞流影響，但平均值變化規(guī)律仍一致。

3.3 湍流度與陣風(fēng)因子

以10 min為基本時(shí)距的湍流度和陣風(fēng)隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5(a)﹑圖5(b)﹑圖5(c)和圖5(d)所示。“0915”樣本順風(fēng)向湍流度平均值為0.27，陣風(fēng)系數(shù)的平均值為1.63?！?927”樣本順風(fēng)向湍流度平均值為0.35，陣風(fēng)系數(shù)的平均值為1.96。在日本建筑荷載規(guī)范［10］中，與本測(cè)試地點(diǎn)相似﹑相同高度處，順向風(fēng)湍流度約為0.148。李秋勝等利用超聲風(fēng)速儀在位于有較多高大建筑群城市中心的北京氣象塔47 m高度處，得到以10 min為分析時(shí)距的兩次強(qiáng)風(fēng)樣本縱向湍流的平均值分別為0.289和0.344，與本文實(shí)測(cè)湍流度較為接近。注意到“鳥(niǎo)巢”周圍較為開(kāi)闊，無(wú)高大建筑群，為典型的B類地貌地區(qū)，理論上應(yīng)比北京氣象塔相應(yīng)高度處縱向湍流度小。但本文實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)象并非大氣邊界層自然來(lái)流，而是遇到建筑物后，產(chǎn)生分離、再附著和旋渦脫落等繞流現(xiàn)象的湍流，故而湍流度較相應(yīng)地貌自然風(fēng)速來(lái)流湍流度偏大。

順風(fēng)向陣風(fēng)系數(shù)隨湍流度增大而增大，見(jiàn)圖6所示，對(duì)兩次實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行如式y(tǒng)=ax+b線性擬合發(fā)現(xiàn):“0915”樣本a=2.747，b=0.907;“0927”樣本a=3.390，b=0.763。

圖5(a) “0915”湍流度變化Fig.5(a)Turbulence intensity of“0915”

圖5(b) “0927”湍流度變化Fig.5(b)Turbulence intensity of“0927”

圖5(c) “0915”陣風(fēng)系數(shù)變化Fig.5(c)Gust factor of“0915”

圖5(d)“0927”陣風(fēng)系數(shù)變化Fig.5(d)Gust factor of“0927”

圖6 縱向陣風(fēng)系數(shù)與湍流度之間關(guān)系Fig.6 Longitudinal gust factor versus turbulence

3.4 湍流積分尺度與相關(guān)性分析

在時(shí)域內(nèi)描述脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性可采用空間兩個(gè)位置處風(fēng)速的相關(guān)函數(shù)來(lái)表示。三次風(fēng)速實(shí)測(cè)樣本下，3個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)函數(shù)見(jiàn)圖7。通常認(rèn)為相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值大于0.5時(shí)屬?gòu)?qiáng)相關(guān)，而小于0.2則可認(rèn)視為弱相關(guān)。圖中相關(guān)函數(shù)峰值在0.1～0.36之間，表明風(fēng)速測(cè)點(diǎn)之間相關(guān)性很小。

當(dāng)脈動(dòng)風(fēng)空間兩點(diǎn)位置小于湍流平均尺度時(shí)，說(shuō)明這兩點(diǎn)處于同一旋渦內(nèi)，則兩點(diǎn)的脈動(dòng)速度相關(guān);相反，處于不同旋渦中的兩點(diǎn)的速度是不相關(guān)的［9］。兩次風(fēng)速樣本下湍流積分尺度隨時(shí)間變化關(guān)系如如圖8所示，其中“0915”樣本中，測(cè)點(diǎn)1﹑2和3的湍流積分尺度平均值分別為 64.7 m﹑ 68.7 m 和 99.1 m;“0927”樣本中測(cè)點(diǎn)1﹑2和3的湍流積分尺度平均值分別為 33.2 m ﹑ 44.8 m 和19.5 m。

在日本建筑荷載規(guī)范［10］中，與本測(cè)試地點(diǎn)相似和相同高度處，順向風(fēng)湍流積分尺度取130 m，本文實(shí)測(cè)風(fēng)速平均值較小且受屋蓋繞流影響湍流度較大，實(shí)測(cè)湍流積分尺度較規(guī)范推薦小，尤其對(duì)于“0927”樣本，湍流積分平均值在19.5～44.8之間，表明大跨度屋蓋上風(fēng)場(chǎng)較為紊亂，以小尺度旋渦為主。而各測(cè)點(diǎn)之間水平距離在100～160 m之間，大于上述計(jì)算出的湍流積分長(zhǎng)度的平均值，依此可推斷風(fēng)速測(cè)點(diǎn)1﹑2和3之間脈動(dòng)風(fēng)速之間相關(guān)性較小，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

圖7 脈動(dòng)風(fēng)速之間的相關(guān)函數(shù)Fig.7 Correlation coefficients among wind speed fluctuations

圖8 湍流積分尺度Fig.8 Turbulence integral scale

3.5 脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度

圖9顯示了風(fēng)速樣本“1 004”下3個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速功率及與上文提到的3種典型的來(lái)流風(fēng)速譜對(duì)比，其中達(dá)文波特﹑馮·卡門和卡曼譜譜峰對(duì)應(yīng)的莫寧坐標(biāo)(折減頻率)nz/U均在0.1左右，而風(fēng)速測(cè)點(diǎn)1﹑測(cè)點(diǎn)3分別在莫寧坐標(biāo)分別為0.5和0.7時(shí)達(dá)到峰值，與典型的風(fēng)速譜存在一定差異;風(fēng)速測(cè)點(diǎn)2在莫寧坐標(biāo)0.12附近達(dá)到峰值，與典型的風(fēng)速譜較為接近。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)風(fēng)速未受干擾時(shí)，其縱向脈動(dòng)風(fēng)速實(shí)測(cè)譜均在莫寧坐標(biāo)0.1附近達(dá)到峰值，并能較好的符合馮·卡門譜。

注意到風(fēng)速樣本“1 004”風(fēng)向?yàn)槲髂戏较?，此時(shí)測(cè)點(diǎn)2處于上風(fēng)區(qū)域的前段，能量主要源自于風(fēng)速來(lái)流，因而低頻能量占控制地位;隨著測(cè)點(diǎn)位置距上風(fēng)區(qū)域變遠(yuǎn)，屋蓋上旋渦脫落占主要作用，許多小尺度的旋渦生成并產(chǎn)生分離，使得測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3風(fēng)速譜譜峰出現(xiàn)在較高頻率區(qū)域。在相同來(lái)流方向角下，以上風(fēng)速實(shí)測(cè)功率譜與文獻(xiàn)［11］中“鳥(niǎo)巢”風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的風(fēng)壓功率譜呈現(xiàn)出了相同的特征。本文認(rèn)為，結(jié)構(gòu)表面某點(diǎn)的風(fēng)壓脈動(dòng)能量是來(lái)源于該點(diǎn)附近的實(shí)際風(fēng)速脈動(dòng)，因而實(shí)測(cè)風(fēng)速功率譜與風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)壓功率譜特征相似。

準(zhǔn)定常假定認(rèn)為結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓脈動(dòng)取決于來(lái)流風(fēng)速脈動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)表面某點(diǎn)的風(fēng)壓脈動(dòng)能量是來(lái)源于該點(diǎn)附近的實(shí)際風(fēng)速脈動(dòng)，若準(zhǔn)定常假定適用于“鳥(niǎo)巢”屋蓋結(jié)構(gòu)，則屋蓋表面的風(fēng)速脈動(dòng)應(yīng)與來(lái)流風(fēng)速脈動(dòng)呈現(xiàn)大致相同的規(guī)律，換句話說(shuō)，屋蓋表面的風(fēng)速實(shí)測(cè)功率譜應(yīng)與馮·卡門譜等典型的風(fēng)速功率譜較為相近，實(shí)測(cè)風(fēng)速功率譜不應(yīng)受到渦脫的較大影響，而以上實(shí)測(cè)的結(jié)果表明并非如此，屋蓋實(shí)測(cè)風(fēng)速功率譜明顯受到分離、渦脫及再附等作用的較強(qiáng)影響。本文從風(fēng)速實(shí)測(cè)角度證實(shí)了準(zhǔn)定常假定不適用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。

圖9 “1 004”脈動(dòng)風(fēng)速功率譜Fig.9 Longitudinal power spectral density of“1 004”

4 結(jié)論

(1)通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的基于無(wú)線傳感技術(shù)的遠(yuǎn)程風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)獲得了國(guó)家體育場(chǎng)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)上風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明大跨度屋蓋上流場(chǎng)受分離、再附著和旋渦脫落影響，湍流度較大，脈動(dòng)風(fēng)速非高斯分布特性明顯。

(2)大跨度屋蓋不同位置上10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向變化規(guī)律趨于一致，但脈動(dòng)風(fēng)速相關(guān)性較小，表現(xiàn)為陣風(fēng)系數(shù)變化規(guī)律相差較大。

(3)陣風(fēng)系數(shù)隨縱向湍流度增加而增大，且二者呈近似線性關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行了擬合。

(4)大跨度屋蓋上表面上順向脈動(dòng)功率譜與典型的來(lái)流風(fēng)速功率譜存在一定差異，通常在莫寧坐標(biāo)0.1以上較高頻率處達(dá)到峰值，“鳥(niǎo)巢”實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜沿屋蓋上表面變化規(guī)律與“鳥(niǎo)巢”風(fēng)洞試驗(yàn)中脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜表現(xiàn)出相似的特征;文章從實(shí)測(cè)角度證明了大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)不適用準(zhǔn)定常假定。

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