王志坤

（大同市重點工程建設(shè)辦公室，山西 大同 037000）

1 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞模擬試驗基本原理

1.1 簡介

在風(fēng)工程中，風(fēng)洞模擬試驗是支持這類工程效果檢驗和工程施工推進(jìn)的一個最為典型的試驗。由于其應(yīng)用的廣泛性比較強，因此在技術(shù)的成熟度上也是相對較高的，其具體操作方法是，將建筑實體按照常規(guī)的比例進(jìn)行縮小，建立成模型，并且在風(fēng)洞中模擬風(fēng)的作用效果，做好相關(guān)測量工作。

在具體的試驗過程中，需要應(yīng)用到幾何縮尺模型作為工具，并且依據(jù)相似率以及量綱分析作為試驗的理論基礎(chǔ)。其中，相似率的基本原理是，一個獨立的物理系統(tǒng)的行為與它的控制方程和初始條件等有密切的關(guān)系。而這些條件和方程的內(nèi)容，可以通過綱量分析法將他們無量綱化。由此產(chǎn)生無量綱參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)相等，則意味著相應(yīng)的方程內(nèi)容以及條件內(nèi)容也存在一種相等關(guān)系，這最終意味著所有模擬計算得到的數(shù)據(jù)和遇到的實際情況，可以全面運用到實際的關(guān)系建立和情況處理中去。

當(dāng)具體試驗的目的產(chǎn)生差異，則風(fēng)荷載試驗又可以進(jìn)行進(jìn)一步的分類，即剛性模型試驗和氣動彈性模型試驗，其中，剛性模型背景下的試驗，主要的目的是獲取結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布情況內(nèi)容和受力情況內(nèi)容。但在這個過程中無法考慮外部振動的影響。而彈性模型實驗則主要是為了模擬結(jié)構(gòu)物的風(fēng)致振動等效應(yīng)效果。從這個角度來看，兩種試驗的具體目標(biāo)是有所差異的。氣動彈性模型試驗在模型制作、測量手段上都比較復(fù)雜，難度比較大，在橋梁、高聳細(xì)長結(jié)構(gòu)的試驗中運用較多。但是對于薄膜、薄殼、柔性大跨結(jié)構(gòu)，它們的氣動彈性模擬試驗技術(shù)還是風(fēng)工程研究中比較前沿的課題，還有很多問題有待解決。因而在實際的工程研究中運用比較少。

1.2 相似準(zhǔn)則

關(guān)于具體的準(zhǔn)則類型，包括了以下幾方面相似條件，下文將具體闡述。

1） 幾何相似，所謂的幾何相似，主要是要求建筑結(jié)構(gòu)本身與所建立起來的模型在外部的幾何形狀上具備高度的一致性。而且除了進(jìn)行研究的建筑主體外，周邊如果出現(xiàn)大型建筑，則其他主要的建筑主體也應(yīng)當(dāng)在外觀上達(dá)到一定的幾何相似度。

2） 動力相似，從動力相似的特點上來看，這種相似的達(dá)成包括了多種類型的相似參數(shù)。其中比較典型的是雷諾數(shù)。它的具體表征是流體慣性力和粘性力的比，是組織流動控制方程的重要參數(shù)。

式中：U表示來流風(fēng)速，L表示特征長度，ν 表示空氣的粘性系數(shù)。

從表達(dá)式中可以觀察到，模型的縮尺比一般保持在1%的量級上，而且，風(fēng)洞中的風(fēng)俗也接近于自然狀態(tài)下的風(fēng)速，一次你在試驗狀態(tài)下，雷諾數(shù)通常比實際數(shù)量級要低，這種差別是試驗中需要考慮到的一個具體問題。

雷諾數(shù)的主要影響體現(xiàn)在流態(tài)指標(biāo)和流動分離指標(biāo)上。而對于銳緣建筑物，其分離點具有固定性的特征。因此，流態(tài)指標(biāo)受到雷諾數(shù)的影響相對較小。所以，在具體的實驗環(huán)節(jié)中，模型如果也呈現(xiàn)出比較分明的額棱角，則一般不考慮雷諾數(shù)指標(biāo)帶來的影響。

對于物體結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)連續(xù)曲面的情況，則這一參數(shù)的影響就會體現(xiàn)出復(fù)雜性較高的特點，如果建筑物又有實測數(shù)據(jù)的情況，通常利用加大其表面粗糙度的方式來降低這一參數(shù)指標(biāo)的數(shù)值。促使是模型結(jié)構(gòu)中的表面壓力分布與實際數(shù)據(jù)保持一致。如果沒有實物數(shù)據(jù)作參考，則通常需要結(jié)合實際經(jīng)驗進(jìn)行相應(yīng)的判斷。

根據(jù)本試驗的具體情況，流動分離的區(qū)域在邊緣上，因此，分離點的位置固定，可以通過試驗的方式，確定壓力系數(shù)不受到雷諾數(shù)的影響。

3） 來流條件相似，關(guān)于大自然環(huán)境中的風(fēng)的來歷，通常是由于太陽對地球的大氣產(chǎn)生的不均勻加熱現(xiàn)象引發(fā)的。這時地球表面會對大氣的運動造成一種水平方向的阻力。使其在達(dá)到靠近地面的區(qū)域時，速度減慢。這種影響的主要特征是，影響的范圍可以達(dá)到幾公里的范圍內(nèi)。這就形成了一種邊界層。在邊界層的風(fēng)速分布中，頂層風(fēng)速通常稱作梯度風(fēng)速。從實際出發(fā)，建筑物一定是處在大氣的邊界中的，這就意味著想要實現(xiàn)風(fēng)與結(jié)構(gòu)物的真實相互作用。則應(yīng)當(dāng)在風(fēng)洞中將自然界和大氣邊界層的相似流動模擬出來。

而對于剛性模型試驗而言，來流條件模擬的關(guān)鍵點在于，將大氣邊界層的風(fēng)速剖面和湍流度剖面模擬出來，其中的指數(shù)律參數(shù)表示為：

其中：Ug代表大氣邊界層梯度風(fēng)速度，zg代表大氣邊界層高度。而冪指數(shù)指標(biāo)與大氣邊界層的高度zg則與地表環(huán)境具有很高的相關(guān)性。編號GB50009-2001 的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》為中采用的是指數(shù)形式的風(fēng)剖面表達(dá)式，并將地貌分為A、B、C、D 四類，分別取風(fēng)剖面指數(shù)為0.12、0.16、0.22 和0.30，對應(yīng)以下四種地貌范圍：

表1 地貌類型

1.3 試驗概況

模型比例： 1∶250

地貌類別： B 類

測點數(shù)量: 929 (含290 個雙面測點)

風(fēng)向角： 間隔度數(shù)10，風(fēng)向角數(shù)量36

常規(guī)風(fēng)壓： 50 年重現(xiàn)期0.55kN/m2

2 試驗裝置與設(shè)備

2.1 大氣邊界層風(fēng)洞

關(guān)于邊界風(fēng)洞，其與其他類型的風(fēng)洞的主要差別在于這種封凍的試驗段相對較長，需要通過布置粗糙圓或者尖劈的方法將所需要的大氣邊界層剖面模擬出來，在本次試驗中，風(fēng)洞的形式是直流下吹式，全長96.5m。包含了兩個不同而試驗段，本文討論的試驗段具體的尺寸是寬4m、高3m、長22m。風(fēng)速最大30m/s，最小2m/s。

2.2 試驗?zāi)Ｐ团c測壓孔布置

測壓孔的布置，需要考慮風(fēng)洞阻塞要去以及轉(zhuǎn)盤和原型的尺寸。試驗?zāi)Ｐ涂s尺比確定為1∶250。根據(jù)圖紙對建筑外形進(jìn)行模擬，從而觀察得出外形對于風(fēng)壓分布情況的影響。

圖1 模型在風(fēng)洞中的照片

試驗中使用Dantec 生產(chǎn)的恒溫式熱線風(fēng)速儀配合單絲熱線探頭測量風(fēng)速剖面，采樣時間需要維持在15s，采樣頻率設(shè)置為1kHz。

試驗設(shè)備為進(jìn)口的電子壓力掃描閥系統(tǒng)，掃描的指標(biāo)主要是平均脈動壓力指標(biāo)。掃描結(jié)果校準(zhǔn)應(yīng)用掃描閥，測量均由計算機控制。

試驗風(fēng)速設(shè)置為16m/s，壓力采樣頻率設(shè)置為400.6Hz，采樣時間21 秒。保證所有測點壓力數(shù)據(jù)的獲取同步性。

2.3 試驗設(shè)備與試驗條件

設(shè)備類型為進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備具體包括了風(fēng)速儀、掃描閥系統(tǒng)。

圖2 D SM 3400 測壓系統(tǒng)

3 試驗內(nèi)容

3.1 風(fēng)速剖面模擬

本試驗地貌為B 型地貌。圖3 為尖劈法和粗糙元法混合應(yīng)用的背景下所得到的風(fēng)俗剖面圖。

3.2 不同狀態(tài)下的測壓試驗

本試驗測量了試驗?zāi)Ｐ驮诓煌L(fēng)向角下的表面壓力分布。從0 度風(fēng)向開始，按照上文所述的10°為測量間隔，獲得了模型在36 個風(fēng)向角。

4 數(shù)據(jù)分析方法

4.1 平均壓力系數(shù)和脈動壓力系數(shù)的計算

圖3 試驗風(fēng)速剖面

圖4 測點及風(fēng)向角

在建筑物表面存在的不同測量點的壓力都會隨之時間的推移發(fā)生隨機變化。具體可分為瞬時平均壓力和脈動壓力兩個部分。

這里x表示的是不同測點的編號，而p(x)是p(x;t)在一定時間T內(nèi)的平均值。

p(x;t)是隨機量，其均方根值p定義為：

為了提高實驗結(jié)果的廣泛適用性，在壓力值的計算和表達(dá)方面，主要應(yīng)用的都是無量綱壓力系數(shù)進(jìn)行表達(dá)，試驗過程中將模型的原理距離選擇在2.2m 的位置區(qū)域，參考點也選擇在這一區(qū)域內(nèi)。另外，需要將這一家區(qū)域的流動壓力標(biāo)準(zhǔn)為參考將測點壓力進(jìn)行無量綱化。另外，為了便于對試驗結(jié)果的規(guī)范應(yīng)用?？蓪毫ο禂?shù)進(jìn)行科學(xué)的轉(zhuǎn)換，提高其標(biāo)準(zhǔn)化程度。具體的計算方法如下。

其中p是來流的靜壓。由于風(fēng)洞中已經(jīng)獲取的結(jié)合實際地形的要求進(jìn)行了模擬，因此，這時所得到的平均壓力系數(shù)實際上已經(jīng)將大氣邊界層的高度變化影響考慮在內(nèi)，這時的平均壓力系數(shù)是體形系數(shù)與高度變化系數(shù)的乘積。

另外，如果觀測點有對應(yīng)的內(nèi)外關(guān)系，可同時計算其合壓力系數(shù)的分布情況。另外，關(guān)于內(nèi)外表面壓力的時間相關(guān)性方面，現(xiàn)階段仍然是位置的，因此在計算時，需要首先獲得瞬時壓力差的時間序列，隨后在進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而獲得準(zhǔn)確的壓力值指標(biāo)。

4.2 極值壓力系數(shù)的計算

基于風(fēng)壓的脈動特點，其表面的風(fēng)壓通常都要高出平均壓力瞬時值很大的分為，這時，可以將即指風(fēng)壓納入考慮的范圍內(nèi)，即極值風(fēng)壓=平均壓力＋脈動壓力，即：

其中g(shù) 為峰值因子，當(dāng)右邊的兩式相加，可獲得壓力的極大值，相減則獲得極小值，按照概率統(tǒng)計的原理，如果壓力時間序列形成一個平穩(wěn)的高斯序列，則峰值因子值一個多囊選取在3.0 的范圍內(nèi)，以保證瞬時壓力的概率水平達(dá)到99.7%。不超過計算所得的極限壓力值，隨后再結(jié)合B 類的地形高度的10m 處得到流動壓力，以及極值壓力系數(shù)。

需要說明的一點是，大氣湍流的信號并不具備隨機性，而是通過分流作何用導(dǎo)致負(fù)壓時序的狀態(tài)。從分布狀態(tài)上來講，其概率分布狀態(tài)與正態(tài)分布狀態(tài)處在分離的狀態(tài)下，因此，測點的壓力會出現(xiàn)偏度。

5 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算方法

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：

式中wk即風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)，βz指高度z處的風(fēng)振系數(shù)，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，w0 為基本風(fēng)壓(kN/m2)。在計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時， 公式的其它部分不變，只是風(fēng)振系數(shù)用陣風(fēng)系數(shù)代替，而風(fēng)荷載體型系數(shù)變?yōu)榫植匡L(fēng)壓體型系數(shù)。設(shè)計時采用的基本風(fēng)壓根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。

如前所述，本試驗中的平均壓力系數(shù)等于風(fēng)荷載體型系數(shù)與風(fēng)壓高度變化系數(shù)的乘積，因此在確定風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時，應(yīng)按下式進(jìn)行計算：

同理，對建筑物表面的重現(xiàn)期平均和極值風(fēng)壓應(yīng)按下式進(jìn)行計算：

在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，若僅考慮脈動風(fēng)造成的瞬時壓力增大，而不考慮結(jié)構(gòu)風(fēng)振的影響，在極值風(fēng)壓基礎(chǔ)上疊加一定的內(nèi)部壓力值后可認(rèn)為該值等于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。為方便設(shè)計人員使用，報告中給出的重現(xiàn)期極值壓力已經(jīng)根據(jù)規(guī)范要求包含了封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)壓值的影響。

6 試驗結(jié)果

6.1 本試驗使用方法及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算

本試驗中給出的平均壓力系數(shù)等于體型系數(shù)與高度變化系數(shù)的乘積（無量綱）；極值風(fēng)壓相當(dāng)于體型系數(shù)、高度變化系數(shù)、陣風(fēng)系數(shù)和基本風(fēng)壓的乘積（單位: kN/m2）。

在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可根據(jù)不同風(fēng)向的平均壓力系數(shù)云圖，選擇若干不利風(fēng)向，取定平均壓力系數(shù)，再乘上風(fēng)振系數(shù)和基本風(fēng)壓，得出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

6.2 極值風(fēng)壓的變化范圍

極值風(fēng)壓是考慮了風(fēng)壓脈動之后的風(fēng)荷載值，相當(dāng)于規(guī)范中用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對每個測點，可以找出在所有風(fēng)向下該點出現(xiàn)的風(fēng)壓極值的最大和最小結(jié)果。對于附屬面積大于1m2的區(qū)域，尚需要根據(jù)規(guī)范考慮面積折減系數(shù)。

風(fēng)洞測壓試驗結(jié)果表明，建筑表面極值風(fēng)壓的變化范圍是：-3.1~1.5kN/m2。