基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的膜結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)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(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的膜結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)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(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：為了研究膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)特性和風(fēng)壓分布，對(duì)一雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。通過分析2015年7月一次大風(fēng)過程的數(shù)據(jù)，得到了該膜結(jié)構(gòu)屋面的風(fēng)特性和風(fēng)壓分布情況，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明：屋面來流風(fēng)一側(cè)以負(fù)風(fēng)壓為主，且來流風(fēng)一側(cè)屋面的風(fēng)壓較大，另一側(cè)則反之；隨著風(fēng)速的增大，屋面的風(fēng)壓系數(shù)基本保持不變；屋面的風(fēng)壓系數(shù)實(shí)測(cè)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(chǎng)實(shí)測(cè)；風(fēng)特性；數(shù)值模擬

隨著結(jié)構(gòu)體系和建筑材料的進(jìn)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(diǎn)，因此風(fēng)荷載會(huì)成為控制結(jié)構(gòu)荷載的主要荷載.目前我國(guó)對(duì)膜結(jié)構(gòu)屋面的風(fēng)荷載分布和抗風(fēng)性能的研究還不多，而中國(guó)的荷載規(guī)范[1]僅規(guī)定了規(guī)則形狀的屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究.

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)，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(chǎng)實(shí)測(cè)研究了低矮房屋屋面的風(fēng)壓系數(shù)特征，總結(jié)了不同風(fēng)環(huán)境下屋面局部風(fēng)壓峰值的分布和脈動(dòng)規(guī)律.朱丙虎等[4]通過對(duì)世博軸屋面進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)兩年的風(fēng)特性監(jiān)測(cè)，得到了屋面的風(fēng)特性和風(fēng)壓分布特性并將其結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)測(cè)結(jié)果略小于風(fēng)洞試驗(yàn)值但兩者分布趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證其試驗(yàn)的可靠性.羅堯治等[5]對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)大跨度屋蓋進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，分析表明大跨度屋蓋上風(fēng)場(chǎng)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(zhǔn)定常假定.筆者基于理論和實(shí)驗(yàn)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(fēng)壓特性，并與實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)測(cè)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(zhǎng)36 m,寬4 m，立桿高度4.5 m，屋面與桿節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備

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

風(fēng)速儀采用R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的81000超聲風(fēng)速儀，可以測(cè)量三維風(fēng)速，測(cè)量范圍0～40 m/s，誤差精度1%；風(fēng)向角范圍0°～360°，風(fēng)仰角范圍-60°～60°，誤差精度均為-2%～2%.風(fēng)壓傳感器采用的是武漢超宇測(cè)控有限公司生產(chǎn)的CY2000F風(fēng)壓傳感器(已被國(guó)內(nèi)多所高校所采用)，測(cè)壓范圍為-1.5～1.5 kP，精度為0.5%.監(jiān)測(cè)儀器如圖2所示.為了研究膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)特性，選擇膜結(jié)構(gòu)表面的中間段為監(jiān)測(cè)對(duì)象，風(fēng)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(gè)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(gè)傳感器，每一個(gè)表面上有6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖3所示.

1.3風(fēng)場(chǎng)特性

圖4分別為在2015年7月一次大風(fēng)實(shí)測(cè)中10分鐘時(shí)距的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向角.由圖4可知:平均風(fēng)速在1.4～3.2 m/s之間，而風(fēng)向?yàn)?0°～180°之間，即以西北風(fēng)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(qiáng)湍流區(qū)域.圖5表示了脈動(dòng)風(fēng)湍流度隨速度的變化情況，因?yàn)?0 min時(shí)距的平均風(fēng)速很小，陣風(fēng)特性明顯，得不到3 m/s以上穩(wěn)定風(fēng)速的湍流度樣本,因此平均風(fēng)速的時(shí)距取5 s.圖5表明脈動(dòng)風(fēng)湍流度隨風(fēng)速的變快而減小，平均湍流度在20%左右.

圖3　測(cè)點(diǎn)布置Fig 3　Layout of the measuring point

圖4　平均風(fēng)速和風(fēng)向角Fig.4　Mean wind speed and direction

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

脈動(dòng)風(fēng)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(dá)式為

圖6　風(fēng)速譜Fig.6　Spectra of fluctuant wind

2數(shù)據(jù)分析

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

圖7　各點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)壓Fig.7　measured wind pressure of each point

式中：Cpi為風(fēng)壓系數(shù)；Pi(t)為實(shí)測(cè)的風(fēng)壓值；P∞為參考靜壓力；ρ為來流風(fēng)的密度；U為來流風(fēng)度平均風(fēng)速.圖7依次為1～6號(hào)點(diǎn)10min時(shí)距風(fēng)壓數(shù)據(jù).表1為v=6.2 m/s,θ=187°時(shí)的平均風(fēng)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(fēng)一側(cè)以負(fù)壓力為主.屋面結(jié)構(gòu)其中對(duì)角兩端高，另兩端低，平均風(fēng)壓系數(shù)隨高度的增大而增大.

表1　平均風(fēng)壓系數(shù)分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)同一風(fēng)向不同風(fēng)速下的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了風(fēng)速與平均風(fēng)壓系數(shù)之間的關(guān)系.由圖8可知：平均風(fēng)壓系數(shù)隨著風(fēng)速的增大基本保持不變.

圖8　不同風(fēng)速下的對(duì)比Fig.8　Comparison of different wind speeds

3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)的對(duì)比

采用ANSYS對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算流場(chǎng)模型，計(jì)算流域大小為180 m×120 m×60 m，膜結(jié)構(gòu)放在整個(gè)流域的1/3的位置，入口10 m高度處風(fēng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比，由表1可知實(shí)測(cè)的風(fēng)壓系數(shù)小于數(shù)值模擬的結(jié)果.兩者差異的原因是實(shí)測(cè)的膜結(jié)構(gòu)屋面是柔性的，在風(fēng)荷載作用下膜面會(huì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)風(fēng)壓系數(shù)與模擬風(fēng)壓系數(shù)的對(duì)比Fig.10　Comparison of mean preesure coefficient between measured data and numerical data

4結(jié)論

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

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(責(zé)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(xiàng)目：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C33031)

作者簡(jiǎn)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(fēng)研究，E-maiil:jszhang@zjut.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TU312.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)02-0216-05