非高斯脈動風壓的現場實測教學與實踐

李錦華， 鄧羊晨， 黃永虎， 李春祥

（1.華東交通大學土木建筑學院，南昌 330013；2.上海大學土木工程系，上海 200444）

0 引 言

非高斯脈動風壓特性常見于建筑結構分離區域，該特性的存在容易導致結構產生疲勞破壞［1-2］。該破壞雖表現為損傷累積，但其發生最終為突發性事件［3-4］。為了保障建筑結構以及使用人員的安全，對非高斯脈動風壓的特性展開研究是十分必要的。

非高斯脈動風壓的研究方法可以分為風洞實驗、CFD數值模擬、現場實測［5-6］：①基于風洞實驗方法得到的結果雖然具備一定可靠性，但該法很大程度上受限于邊界效應及模型相似準則的影響，而且其實驗成本也相對較高［7-8］；②基于CFD 數值模擬得到的仿真結果雖然相對經濟，但其運算時間較慢，且其精度受仿真條件設置等主觀因素影響較大［9-10］；③現場實測雖然容易受到工作環境的影響，但基于該法得到的數據最能反映實際風場特性［11-12］。同時，現場實測最能鍛煉學生實驗組織能力、動手能力、突發情況應急能力。本文以位于教學樓樓頂的一處矩形結構為試驗對象，結合已有的科研成果［13-14］，設計了一個非高斯脈動風壓現場實測實驗，旨在讓學生進一步加深對非高斯特性及疲勞的了解，同時也提高他們動手實踐、團隊合作能力，從而達到科研教學有機統一的效果。

1 實驗原理及方案設計

1.1 實驗原理

如圖1 所示，本實驗的風壓實測系統由高精度風壓傳感器、數據采集設備組成。本實驗的工作原理就是通過把脈動風經過矩形結構時所產生的壓力作用在傳感器的膜片上，從而讓傳感器的電阻發生變化，繼而輸出一個相應的電流信號。電流信號通過轉接箱進行轉換，繼而得到電壓信號。電壓信號再經由采集箱儲存到電腦，便可得到所需要的風壓信號。該系統經科研實踐的不斷優化，它具備操作方便、上手快捷等特點。

圖1 風壓現場實測原理示意圖

另外，本實驗中將采用附著式風壓傳感器。與以往埋入式風壓傳感器不同，該類傳感器只需黏貼固定即可進行測量，從而滿足重復教學使用的需要。

為了更好地掌握風速及風向對非高斯脈動風壓測量的影響，同時也提高學生對結構風工程的感性認識，該實測系統也加入了風速儀進行改進。該風速儀的工作原理主要利用所發出的超聲波在空氣中的傳播時間差來確定風速及風向。

1.2 實驗方案設計

如圖2 所示，實測對象為位于教學樓樓頂的一處矩形結構（5.5 m×3.6 m）。一般來說，結構風壓現場測量是相當困難，然而該實測對象位置方便，結構形態合宜，其四端墻角位置符合非高斯脈動風壓產生的條件。因此，為了更好地讓學生測量到非高斯脈動風壓現象，提高其學習興趣以及完成課程目標，本實驗設計了兩種實測方案：

圖2 風壓現場實測方案圖

方案一 在墻角A兩側布置傳感器，AB側由上到下垂直布置1＃～5＃，AD側由上到下垂直布置6＃ ～10＃。各傳感器距離墻角A點的水平距離均為23 cm，它們的豎向間隔均為21 cm。該方案主要集中于結構局部分離區域，旨在讓學生測量到脈動風壓的非高斯特性，以達到教學目的。

方案二 矩形結構四面均布置傳感器，1?！?＃、7＃～9＃以水平間距2.45 m 放置在AB側、CD側，4＃ ～6＃、10?！?2＃分別以水平間距1.5m放置在BC側、DA側。1＃＆12＃、3＃＆4＃、6＃＆7＃、9＃＆10＃分別距離墻角A、B、C、D30 cm。各傳感器距離結構上邊緣39 cm。此方案主要分布于結構不同區域，旨在讓學生了解整體結構表面風壓特性，同時也提升學生的工程應用能力。

2 實驗流程及數據分析

2.1 實驗操作步驟

本實驗中的風壓實測主要由實驗布置、測量系統搭建、數據采集3 個核心步驟組成：

（1）實驗布置。先根據不同實驗方案對矩形結構進行布點，然后在設定的位置上安放CYG1721T 型附著式風壓傳感器。布置過程中需要學生記錄傳感器的量程（-2 ～2 kPa）以及輸出電壓（0 ～5 V），并明確每個刻度所代表的數值大小，以避免不必要的記錄失誤。

（2）測量系統搭建。將已黏貼結構表面上的附著式風壓傳感器連接到昆山雙橋傳感器測控技術有限公司所出產的電源轉接箱上，以此將傳感器所輸出的電流信號轉為電壓信號，以便為東華DH5922 型動態數據采集器所收集。采集器所收集的數據最終保存到學生的筆記本電腦上，方便后續學生進行數據處理及分析。所搭建的測量系統、傳感器實物如圖3 所示。

圖3 風壓現場實測測量系統實物

（3）數據采集。將采集系統中的采樣頻率設置為20 Hz，以避免數據出現失真情況。另外，為了減少其他因素所造成的噪聲干擾，本實驗在采集系統中加入頻率設置為10 Hz 的低通濾波器，以保證實驗教學質量。

2.2 實測數據分析

以方案一中的1＃、6＃和方案二中的1＃、12＃為例，本實驗所測量的風壓數據均為時間序列，實測結果如圖4 所示。

圖4 實測風壓數據

非高斯特性可以用數據的斜度值Sk以及峰度值Ku作為判斷依據。當Sk不為0 時，或者Ku不為3時，即可判斷數據具有非高斯特性［15-16］。數據的斜度值Sk和峰度值Ku的計算公式如下：

另外，本實驗也包括了數據的樣本直方圖與高斯正太分布曲線之間的比較。以上內容均可用Matlab軟件以及相應配套代碼實現，數據分析的結果如圖5所示。

圖5 風壓實驗數據分析結果

從圖5 可以發現，無論是方案一（1＃、6＃）還是方案二（1＃、12＃），位于矩形結構分離區的脈動風壓樣本直方圖均偏離高斯正太分布。此外，兩個數據的Sk均不為0，且Ku均不為3，而這也說明了所實測的脈動風壓存在一定的非高斯特性。

從表1、2 可以發現，兩種方案下的各測點斜度均不為0，峰度均不為3，說明所設計的實驗方案對于非高斯現象的觀察來說是可行的。

表1 方案一各點非高斯特性

表2 方案二各點非高斯特性

值得注意的是，各點測量效果（斜度值、峰度值、數據樣本直方圖）可能與當天氣候有關。因此在進行本實驗前，需要提前做好天氣預報查詢工作，以確保教學效率。另外，該部分只提供實驗數據分析的思路及流程，學生實際具體操作所得到的結果可能與本文例子中的結果有一定差異，但是該差異不會影響實驗預期目標及課程質量。

3 教學流程及預期效果

3.1 實驗教學流程

本實驗教學主要分為原理教學、實驗操作、數據分析三部分。

（1）原理教學。教師首先介紹非高斯脈動風壓現象的存在以及其特點與危害，然后針對實驗操作流程以及各項實驗儀器進行介紹。該部分內容讓學生宏觀地把握整個教學內容的意義及目標，以激發學生學習動力。

（2）實驗操作。在開展實驗前，教師以某測點為例，向學生演示整個風壓實測的操作流程（實驗布置、測量系統搭建、數據采集、數據保存）。期間，充分與學生開展教學互動，根據學生的提問、反饋進行解惑及實驗的相關完善及優化。

（3）數據分析。在完成脈動風壓的實測后，教師向學生教授對應的Matlab 數據處理代碼，以輔助學生用自己的電腦觀察到數據的非高斯特點，從而完成課程的學習。

3.2 預期教學效果

本實驗教學旨在達到以下課程目標：①提高學生的實踐動手能力，實驗組織能力，以及團隊合作能力；②加深對工程、科研現場數據實測的感性認識，提高學生學習內在驅動力，并為學生日后工作或研究生階段的學習打下基礎；③觀察到脈動風壓非高斯特性，并了解其對建筑結構的危害；④在教學互動中引導和激發學生提出問題與解決問題的能力；⑤提前熟悉Matlab及Word軟件，方便日后畢業論文的撰寫。

4 結 語

在結構風工程中，現場實測是最能反映實際風場特性的方法。同時，現場實測也最能鍛煉學生實驗組織能力、動手能力、突發情況應急能力。本文以位于教學樓樓頂的一處矩形結構為試驗對象，依托已有科研成果，面向學生開展結構分離區的非高斯脈動風壓現場實測實驗。通過本文所設計的現場實測教學與實踐，達成了“非高斯脈動風壓現象的捕捉、數據分析總結能力的鍛煉、學生自我學習主觀能動性的提高”的教學目標。同時，該教學也致力于開闊學生科研視野，并響應國家與學?！翱平毯弦?、知行合一”的教學理念。