強/臺風作用下大跨空間索桁體系現(xiàn)場風壓風振實測研究

張志宏，劉中華，董石麟

(1．上海師范大學建筑工程學院，上海200233;2．浙江精工鋼結構有限公司，浙江紹興312030;3．浙江大學土木工程學院，杭州玉泉310027)

我國是世界上少數(shù)幾個風災影響嚴重的國家之一，緊鄰西北太平洋的我國東南沿海地區(qū)(如溫州地區(qū)樂清市)，更是熱帶氣旋影響的重災區(qū)，每年都要受到1～2次影響．熱帶氣旋給人民的生命財產安全帶來了嚴重威脅，如2004年14號強臺風“云娜”正面襲擊樂清市，中心最大風速達58．7 m/s，在樂清上空停留長達12 h，3210間民房和廠房等大量低矮建筑倒塌，全市直接經濟損失近18億元．

然而，近年來大跨柔性空間索桁體系(多用于體育場罩棚結構、通常采用PTFE/PVC膜材圍護)應用于我國東南沿海地區(qū)大型體育、公共建筑已比較多見，建筑高度一般在20～40 m左右，屬于廣泛意義上的近地低矮建筑范疇．如已建成的深圳寶安“竹林”體育場，佛山“世紀蓮”體育場和在建的樂清“彎月”體育場等，環(huán)索初始設計預應力均在2×107N以上．由于對強/臺作用下大跨柔性體系非線性風致效應機理認識不足及其抗風設計理論和實用方法的欠缺，臺風區(qū)大跨柔性體系的抗風安全性極易成為工程設計的薄弱環(huán)節(jié)．具體體現(xiàn)在如下幾個方面:

(1)我國建筑結構荷載規(guī)范均基于良態(tài)氣候，較適用于不易受臺風影響的內陸地區(qū)．然而，我國東南沿海地區(qū)最大風速大多由非良態(tài)氣候的臺風引起，臺風下近地風場特性如平均風速剖面、湍流強度剖面、功率譜和風速風向風壓的非平穩(wěn)特性等［1－2］與良態(tài)氣候下有較大的差異．

(2)大跨索膜結構往往具有復雜的氣動外形，我國建筑結構荷載規(guī)范要求通過剛性模型測壓風洞試驗確定其風壓體型系數(shù)，沿用風振系數(shù)或等效靜力風荷載等高層、高聳結構(豎向一維尺度占優(yōu))的抗風設計、計算方法，忽視了大跨空間結構(平面占優(yōu)或三維尺度接近)的動力特性(如多模態(tài)耦合、多振型參與和動力失穩(wěn)等)和近地風場繞流特征．此外，風洞試驗亦較難準確模擬強/臺風下大氣邊界層近地風場特性如湍流特征尺度、湍流強度、雷諾數(shù)、建筑風環(huán)境和豎向風等．大跨柔性體系尚存在非線性動力特性明顯和風與結構的流固耦合效應等［3－5］．

(3)大跨柔性索膜結構如空間索桁體系、索穹頂結構等，具有結構自重輕、柔度大、自振頻率低且分布密集和阻尼小等結構特點，特別是在強/臺風多發(fā)區(qū)如我國東南沿海地區(qū)，風荷載可達結構自重的10倍或以上，是結構設計的主要控制荷載．

(4)對于鋼筋混凝土薄殼和鋼網殼等大跨剛性體系，其形狀設計主要涉及重力荷載下結構幾何形狀優(yōu)化［6］而較少考慮風荷載及風致效應的影響［7］．然而，對大跨空間索桁體系而言，設計合理的索系空間曲線形狀及承風膜曲面形狀可大大提高其抗風安全性，降低體系的設計初始預應力水平和工程造價．

1 現(xiàn)場實測研究現(xiàn)狀

目前，結構抗風方面的研究逐漸形成了以現(xiàn)場實測、風洞實驗和數(shù)值模擬等研究手段相結合的綜合方法．現(xiàn)場實測相當于足尺氣彈模型自然風場試驗，可以避免縮尺氣彈模型物理風洞實驗的相似比畸變效應，對強/臺風下大跨預內力柔性體系的風荷載和風致效應機理研究不可或缺．然而，現(xiàn)場實測亦存在來流風向風速不穩(wěn)定、周期長、費用高和工程地點不易選擇等問題．此外，風荷載計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬可以與現(xiàn)場實測和風洞實驗對比研究，其突出的優(yōu)點是快速、無硬性成本和可視化流場演化特征等，且已有大型商業(yè)軟件如ADINA和ANSYS13．0等可用．

國外學者主要對一般高度意義上的低矮房屋(高度小于24米，或七層以下房屋)非臺風情況下的表面風壓特性和近地風場特性進行現(xiàn)場實測研究，如英國Aylesbury實驗樓、西爾斯試驗樓，美國德克薩斯理工大學試驗樓(TTU Building)等．大跨空間結構的現(xiàn)場實測較少，僅Appedey和Pitsis等［8－9］對悉尼Belmore與Caltex體育場懸挑屋蓋進行了小規(guī)模風壓實測．近年來，我國現(xiàn)場風壓實測方面的研究也正逐步展開，成效顯著．例如李秋勝、胡尚瑜等［10－11］在廣東某海岸建造了一個可移動式的原型實測房(追風房)，對比同體型比低矮房屋的風洞試驗數(shù)據(jù)，分析并總結了不同風場環(huán)境下的屋面風壓及體型系數(shù)的分布規(guī)律;朱丙虎、張其林等［12］對世博軸索膜結構表面風壓進行了現(xiàn)場實測;黃鵬、顧明等［13］在浦東機場建造了一棟坡角可調的低矮房屋及測風塔，對東海邊附近的風場特性及低矮建筑屋蓋表面風壓特性如非高斯分布偏度和峰度進行了研究(TJU Building)．

上述開拓性研究表明，選取我國東南沿海地區(qū)典型大跨索膜結構－樂清“彎月”體育場(圖1，2)，進行現(xiàn)場風壓風振實測，獲得足尺結構在真實建筑風環(huán)境下的風荷載和風致效應，是研究大跨柔性體系強/臺風致效應機理最為直接和有效的手段，測試數(shù)據(jù)也最具有科學研究和實際應用價值．

圖1 樂清體育中心一場兩館效果圖

2 測點布置

圖2 體育場施工進度

樂清“彎月”體育場現(xiàn)場已安裝索力、鋼結構應力應變、表面溫度、加速度及風速風向(R．M．Young81000型超聲波和R．M．Young 05305V型機械式風速儀安裝于角柱頂面)等結構健康監(jiān)測子系統(tǒng)．在上海師范大學結構工程重點學科建設項目、上海市085內涵建設項目和浙江精工鋼結構有限公司、樂清市中心區(qū)開發(fā)建設管理委員會等多方、多項經費支持下，本文作者于2012年12月25日已啟動樂清體育中心體育場膜表面整體風壓實測研究．預計將于2013年4月中旬開始安裝、調試，實測強/臺風作用下風速、風向和風壓數(shù)據(jù)將面向全世界公開．該體育場主受力索系共有38榀索桁架，其中角部各有3榀未鋪設膜材圍護．依據(jù)剛性模型測壓風洞實驗結果和流場分離、演化一般規(guī)律，膜表面風壓測點布置如圖3、4所示．其中每個測點上下各安裝一個風壓傳感器，同步測量上下表面風壓時程．

圖3 風壓測點布置平面圖

圖4 風壓測點三維布置示意圖(初步方案)

3 測試系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)如表1所示．具體采樣系統(tǒng)技術要求:系統(tǒng)須保證256通道不低于100Hz風壓數(shù)據(jù)同步、長期(＞1年)穩(wěn)定采集．預留模塊升級接口，增加該模塊后可實現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，無線遠程控制，人工智能自我故障診斷，遠程自動報警等功能．具體技術要求如下:(1)自動采集和記錄傳感器實際測量值;(2)采集時間間隔，根據(jù)需要自行設置;每通道最大采樣數(shù)據(jù)不小于3K．(3)通道數(shù):256路;(4)根據(jù)傳感器數(shù)量，設置通道數(shù)，設置相應測試時間等;(5)可設置參數(shù):采集通道、采樣間隔、采樣頻率等;(6)采集后自動保存記錄成文本文件(或EXCEL格式);系統(tǒng)主要部件要求:(1)配套傳感器 CYG1721/CYG1722輸入電壓:24 V;輸出電流:4～20 mA(2)線性電源24 VDC/2 A(四個朝陽線性電源)(3)256通道信號防雷模塊三級防雷，10000 V/5000 A(4)采樣轉換板電流信號轉電壓信號，帶低通濾波(4)AD卡總線形式:PCI分辨率:16位(Bit)總通道數(shù):256路單端/卡單通道最高采樣速率:3 KS/s輸入阻抗:100 MΩ/10 pF(關);100 MΩ/100 pF(關)．專用導氣屏蔽電纜技術要求:護套PU外皮為白色內部為黑色，防水耐候，耐紫外線壽命不小于5年，護套材料抗拉耐磨，護套厚度不小于1．3 mm，內帶內孔Φ1．2 mm導氣管．電纜外徑(7±0．1)mm，額定電壓600 V，工作溫區(qū):－25～85 ℃，Φ0．12 mm 鍍鋅銅絲屏蔽編制密度大于80%．

表1 表面風壓監(jiān)測系統(tǒng)

4 結語

簡單介紹了正在推進的樂清“彎月”體育場現(xiàn)場風壓、風振實測研究的前期準備工作，鑒于論文篇幅限制及測試結果尚未處理完成，相關數(shù)據(jù)分析和研究內容暫不展開論述．

應當指出，強/臺風作用下大跨空間索桁體系的風致效應及機理復雜，不僅受控于風荷載的特性如湍流特征尺度、氣流分離后渦脫的頻率和流場演化等結構外在條件，而且與大跨空間索桁體系內在的非線性動力特性緊密相關，大跨柔性體系的抗風設計方法亦任重而道遠．

［1］胡尚瑜，李秋勝．低矮房屋風荷載實測研究(Ⅰ)－登陸臺風近地邊界層風特性［J］．土木工程學報，2012，45(2):77－84．

［2］趙林，朱樂東，葛耀君．″羅莎″(0716)臺風高空實測脈動風特性分析［J］．空氣動力學學報，2010，28(3):291－296．

［3］陳亞楠，周岱．風敏感空間結構風致耦合研究與分析述評［J］．振動與沖擊，2012，31(7):104－109．

［4］王春江，陳鋒，周岱．風場中長單索結構流同耦合效應的動力學分析［J］．力學季刊，2010，31(2):213－219．

［5］王偉亮，楊慶山．薄膜結構風致耦合作用數(shù)值初探［J］．計算力學學報，2010，27(3):422－427．

［6］BELLESP，ORTEGA N，ROSALES M．Shell form-finding:physical and numerical design tools［J］．Engineering Structures，2009，31:2656 －2666．

［7］TAKUZO Y，TOMOHIKOK．Shape optimization of shell roofs subjected to strong wind using multigrid method and variable complexity model［J］．JStruct Constr Eng，AIJ，2009，74(636):297 －304．

［8］APPERLEY L W，PITSISN．Model/full-scale pressure measurements on a grandstand［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1986，23:199 －259．

［9］PIRSISN G，APPERLEY L W．Further full-scale and model pressure measurements on a cantilever grandstand［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1991(38):439 －448．

［10］胡尚瑜，李秋勝，等．臺風作用下低矮房屋屋面角部峰值壓力實測研究［J］．土木工程學報，2012，45(8):15－24．

［11］李秋勝，胡尚瑜，李正農．低矮房屋風荷載實測研究(Ⅱ)－雙坡屋面風壓特征分析［J］．土木工程學報，2012，45(4):1－8．

［12］朱丙虎，張其林．世博軸索膜結構屋面風效應的監(jiān)測分析［J］．華南理工大學學報:自然科學版，2012，40(2):13－18．

［13］王旭，黃鵬，顧明．海邊坡角可調試驗房風荷載現(xiàn)場實測研究［J］．震動與沖擊，2012，31(5):176－182．

［14］CONCI A，GATTASSM．Natural approach for thin-walled beam-columns with elastic-plasticity［J］．International Journal for Numerical Methods in Engineering，1990，29(8):1653 －1679．