某體育建筑風洞測壓試驗研究

王志坤

（大同市重點工程建設辦公室，山西 大同 037000）

1 建筑結構風洞模擬試驗基本原理

1.1 簡介

在風工程中，風洞模擬試驗是支持這類工程效果檢驗和工程施工推進的一個最為典型的試驗。由于其應用的廣泛性比較強，因此在技術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的比例進行縮小，建立成模型，并且在風洞中模擬風的作用效果，做好相關測量工作。

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

當具體試驗的目的產生差異，則風荷載試驗又可以進行進一步的分類，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構表面的風壓分布情況內容和受力情況內容。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構物的風致振動等效應效果。從這個角度來看，兩種試驗的具體目標是有所差異的。氣動彈性模型試驗在模型制作、測量手段上都比較復雜，難度比較大，在橋梁、高聳細長結構的試驗中運用較多。但是對于薄膜、薄殼、柔性大跨結構，它們的氣動彈性模擬試驗技術還是風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 相似準則

關于具體的準則類型，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，主要是要求建筑結構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。而且除了進行研究的建筑主體外，周邊如果出現大型建筑，則其他主要的建筑主體也應當在外觀上達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，這種相似的達成包括了多種類型的相似參數。其中比較典型的是雷諾數。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。

式中：U表示來流風速，L表示特征長度，ν 表示空氣的粘性系數。

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

雷諾數的主要影響體現在流態指標和流動分離指標上。而對于銳緣建筑物，其分離點具有固定性的特征。因此，流態指標受到雷諾數的影響相對較小。所以，在具體的實驗環節中，模型如果也呈現出比較分明的額棱角，則一般不考慮雷諾數指標帶來的影響。

對于物體結構表面呈現連續曲面的情況，則這一參數的影響就會體現出復雜性較高的特點，如果建筑物又有實測數據的情況，通常利用加大其表面粗糙度的方式來降低這一參數指標的數值。促使是模型結構中的表面壓力分布與實際數據保持一致。如果沒有實物數據作參考，則通常需要結合實際經驗進行相應的判斷。

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

3） 來流條件相似，關于大自然環境中的風的來歷，通常是由于太陽對地球的大氣產生的不均勻加熱現象引發的。這時地球表面會對大氣的運動造成一種水平方向的阻力。使其在達到靠近地面的區域時，速度減慢。這種影響的主要特征是，影響的范圍可以達到幾公里的范圍內。這就形成了一種邊界層。在邊界層的風速分布中，頂層風速通常稱作梯度風速。從實際出發，建筑物一定是處在大氣的邊界中的，這就意味著想要實現風與結構物的真實相互作用。則應當在風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，來流條件模擬的關鍵點在于，將大氣邊界層的風速剖面和湍流度剖面模擬出來，其中的指數律參數表示為：

其中：Ug代表大氣邊界層梯度風速度，zg代表大氣邊界層高度。而冪指數指標與大氣邊界層的高度zg則與地表環境具有很高的相關性。編號GB50009-2001 的《建筑結構荷載規范》為中采用的是指數形式的風剖面表達式，并將地貌分為A、B、C、D 四類，分別取風剖面指數為0.12、0.16、0.22 和0.30，對應以下四種地貌范圍：

表1 地貌類型

1.3 試驗概況

模型比例： 1∶250

地貌類別： B 類

測點數量: 929 (含290 個雙面測點)

風向角： 間隔度數10，風向角數量36

常規風壓： 50 年重現期0.55kN/m2

2 試驗裝置與設備

2.1 大氣邊界層風洞

關于邊界風洞，其與其他類型的風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。風速最大30m/s，最小2m/s。

2.2 試驗模型與測壓孔布置

測壓孔的布置，需要考慮風洞阻塞要去以及轉盤和原型的尺寸。試驗模型縮尺比確定為1∶250。根據圖紙對建筑外形進行模擬，從而觀察得出外形對于風壓分布情況的影響。

圖1 模型在風洞中的照片

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

試驗設備為進口的電子壓力掃描閥系統，掃描的指標主要是平均脈動壓力指標。掃描結果校準應用掃描閥，測量均由計算機控制。

試驗風速設置為16m/s，壓力采樣頻率設置為400.6Hz，采樣時間21 秒。保證所有測點壓力數據的獲取同步性。

2.3 試驗設備與試驗條件

設備類型為進口設備，設備具體包括了風速儀、掃描閥系統。

圖2 D SM 3400 測壓系統

3 試驗內容

3.1 風速剖面模擬

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

3.2 不同狀態下的測壓試驗

本試驗測量了試驗模型在不同風向角下的表面壓力分布。從0 度風向開始，按照上文所述的10°為測量間隔，獲得了模型在36 個風向角。

4 數據分析方法

4.1 平均壓力系數和脈動壓力系數的計算

圖3 試驗風速剖面

圖4 測點及風向角

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：

為了提高實驗結果的廣泛適用性，在壓力值的計算和表達方面，主要應用的都是無量綱壓力系數進行表達，試驗過程中將模型的原理距離選擇在2.2m 的位置區域，參考點也選擇在這一區域內。另外，需要將這一家區域的流動壓力標準為參考將測點壓力進行無量綱化。另外，為了便于對試驗結果的規范應用。可將壓力系數進行科學的轉換，提高其標準化程度。具體的計算方法如下。

其中p是來流的靜壓。由于風洞中已經獲取的結合實際地形的要求進行了模擬，因此，這時所得到的平均壓力系數實際上已經將大氣邊界層的高度變化影響考慮在內，這時的平均壓力系數是體形系數與高度變化系數的乘積。

另外，如果觀測點有對應的內外關系，可同時計算其合壓力系數的分布情況。另外，關于內外表面壓力的時間相關性方面，現階段仍然是位置的，因此在計算時，需要首先獲得瞬時壓力差的時間序列，隨后在進行統計數據，從而獲得準確的壓力值指標。

4.2 極值壓力系數的計算

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

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

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致負壓時序的狀態。從分布狀態上來講，其概率分布狀態與正態分布狀態處在分離的狀態下，因此，測點的壓力會出現偏度。

5 風荷載標準值的計算方法

《建筑結構荷載規范》中規定當計算主要承重結構時，風荷載標準值應按下式計算：

式中wk即風荷載標準值(kN/m2)，βz指高度z處的風振系數，μs為風荷載體型系數，μz為風壓高度變化系數，w0 為基本風壓(kN/m2)。在計算圍護結構的風荷載時， 公式的其它部分不變，只是風振系數用陣風系數代替，而風荷載體型系數變為局部風壓體型系數。設計時采用的基本風壓根據《建筑結構荷載規范》取值。

如前所述，本試驗中的平均壓力系數等于風荷載體型系數與風壓高度變化系數的乘積，因此在確定風荷載標準值時，應按下式進行計算：

同理，對建筑物表面的重現期平均和極值風壓應按下式進行計算：

在進行圍護結構設計時，若僅考慮脈動風造成的瞬時壓力增大，而不考慮結構風振的影響，在極值風壓基礎上疊加一定的內部壓力值后可認為該值等于風荷載標準值，進行圍護結構設計。為方便設計人員使用，報告中給出的重現期極值壓力已經根據規范要求包含了封閉結構內壓值的影響。

6 試驗結果

6.1 本試驗使用方法及風荷載標準值的計算

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

在進行整體結構設計時，可根據不同風向的平均壓力系數云圖，選擇若干不利風向，取定平均壓力系數，再乘上風振系數和基本風壓，得出風荷載標準值進行結構設計。

6.2 極值風壓的變化范圍

極值風壓是考慮了風壓脈動之后的風荷載值，相當于規范中用于圍護結構設計的風荷載標準值。對每個測點，可以找出在所有風向下該點出現的風壓極值的最大和最小結果。對于附屬面積大于1m2的區域，尚需要根據規范考慮面積折減系數。

風洞測壓試驗結果表明，建筑表面極值風壓的變化范圍是：-3.1~1.5kN/m2。