基于现场实测的膜结构风场特性研究

张建胜，李伟杭，王建东，陶　瑾，吴力平

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 310018)



基于现场实测的膜结构风场特性研究

张建胜1，李伟杭1，王建东1，陶瑾1，吴力平2

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 310018)

摘要：为了研究膜结构的风特性和风压分布，对一双曲抛物面形膜结构的风场特性进行了现场实测。通过分析2015年7月一次大风过程的数据，得到了该膜结构屋面的风特性和风压分布情况，并与数值模拟结果进行对比分析。分析结果表明：屋面来流风一侧以负风压为主，且来流风一侧屋面的风压较大，另一侧则反之；随着风速的增大，屋面的风压系数基本保持不变；屋面的风压系数实测值略小于数值模拟的数值，但两者分布一致且相差不大.

关键词：膜结构；现场实测；风特性；数值模拟

随着结构体系和建筑材料的进步，膜结构得到了迅速的发展.膜结构屋面具有自重轻、刚度小、跨度大等特点，因此风荷载会成为控制结构荷载的主要荷载.目前我国对膜结构屋面的风荷载分布和抗风性能的研究还不多，而中国的荷载规范[1]仅规定了规则形状的屋面风荷载体型系数，因此有必要对其进行现场实测的研究.

近年来，国内外学者开展的结构风场实测，并取得了具有重要参考意义的研究成果.如戴益民等[2-3]通过现场实测研究了低矮房屋屋面的风压系数特征，总结了不同风环境下屋面局部风压峰值的分布和脉动规律.朱丙虎等[4]通过对世博轴屋面进行长达两年的风特性监测，得到了屋面的风特性和风压分布特性并将其结果与风洞试验数据进行比较，实测结果略小于风洞试验值但两者分布趋势基本一致，验证其试验的可靠性.罗尧治等[5]对国家体育场大跨度屋盖进行了实测研究，分析表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大的差别，证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定.笔者基于理论和实验分析，利用FLUENT分析软件，采用Realizablek-ε湍流模型[6-8]，模拟膜结构屋面的风压特性，并与实测的结果进行了对比.

1实验方法

1.1实验概况

实测膜结构屋面的形状为双曲抛物面，包括支撑结构和索膜结构，全长36 m,宽4 m，立杆高度4.5 m，屋面与杆节点高度分别为3.6，1.9 m.膜结构位于城市中心，因此地面粗糙度类型为C类.图形如图1所示.

图1　双曲面膜结构Fig.1　Hyperbolic parabolicmembrane structure

1.2实验设备

图2　采集设备Fig.2　Monitoring instruments

风速仪采用R.M.YOUNG公司生产的81000超声风速仪，可以测量三维风速，测量范围0～40 m/s，误差精度1%；风向角范围0°～360°，风仰角范围-60°～60°，误差精度均为-2%～2%.风压传感器采用的是武汉超宇测控有限公司生产的CY2000F风压传感器(已被国内多所高校所采用)，测压范围为-1.5～1.5 kP，精度为0.5%.监测仪器如图2所示.为了研究膜结构的风场特性，选择膜结构表面的中间段为监测对象，风速仪安装在支座顶部距离地面5 m处.由于该膜结构是一个开放式结构，因此需要在其上表面和下表面的同一位置都安装传感器.总共安装12 个传感器，每一个表面上有6 个监测点，监测点布局如图3所示.

1.3风场特性

图4分别为在2015年7月一次大风实测中10分钟时距的平均风速和平均风向角.由图4可知:平均风速在1.4～3.2 m/s之间，而风向为80°～180°之间，即以西北风为主.由于结构的高度比较低，以及受到周围建筑物的影响，膜结构处于强湍流区域.图5表示了脉动风湍流度随速度的变化情况，因为10 min时距的平均风速很小，阵风特性明显，得不到3 m/s以上稳定风速的湍流度样本,因此平均风速的时距取5 s.图5表明脉动风湍流度随风速的变快而减小，平均湍流度在20%左右.

图3　测点布置Fig 3　Layout of the measuring point

图4　平均风速和风向角Fig.4　Mean wind speed and direction

图5　湍流度随风速的变化情况Fig.5　Turbulence intensity of fluctuating wind varying with speed

脉动风谱反映了湍流能量在频域内的分布情况.Karman根据湍流的各向同性假设提出了Karman谱[9-10]，其表达式为

图6　风速谱Fig.6　Spectra of fluctuant wind

2数据分析

结构的风荷载通常是用结构风荷载形状系数或屋面风压系数来表示.风压系数是由屋面表面上的风压力和风速换算的风压力之比.由于该结构是一个开放式结构，因此实测风压为上下表面的压力之差，风压系数的计算公式为

图7　各点的实测风压Fig.7　measured wind pressure of each point

式中：Cpi为风压系数；Pi(t)为实测的风压值；P∞为参考静压力；ρ为来流风的密度；U为来流风度平均风速.图7依次为1～6号点10min时距风压数据.表1为v=6.2 m/s,θ=187°时的平均风压系数，由表1可知：双曲抛物面形膜结构屋面的来流风一侧以负压力为主.屋面结构其中对角两端高，另两端低，平均风压系数随高度的增大而增大.

表1　平均风压系数分布

根据现场实测的数据，对同一风向不同风速下的2组数据进行分析，得到了风速与平均风压系数之间的关系.由图8可知：平均风压系数随着风速的增大基本保持不变.

图8　不同风速下的对比Fig.8　Comparison of different wind speeds

3实测数据与数值模拟的数据的对比

采用ANSYS对膜结构进行找形分析，如图9(a)所示.然后根据膜结构的尺寸，计算流场模型，计算流域大小为180 m×120 m×60 m，膜结构放在整个流域的1/3的位置，入口10 m高度处风速26.83 m/s，湍流模型采用RSM模型.如图9(b)所示.

图9　膜结构模型Fig.9　Model of the membrane structure

图10为实测数据和数值模拟数据的对比，由表1可知实测的风压系数小于数值模拟的结果.两者差异的原因是实测的膜结构屋面是柔性的，在风荷载作用下膜面会张拉产生较大的变形，而数值模型的膜结构屋面却是刚性的.且实测的膜结构周围建筑较多情况比较复杂，因此有所差异，但总体结果比较相近.

图10　实测风压系数与模拟风压系数的对比Fig.10　Comparison of mean preesure coefficient between measured data and numerical data

4结论

通过采集的风速和风压数据，研究了双曲抛物面形膜结构屋面的风压分布特性，针对开敞式结构风压的实测采取了上下表面同步测压的有效方法.在对于结构所处阵风效应明显的情况下取5 s时距的风压样本，得出如下结论：膜结构所处风环境的湍流强度较大，平均值为20%，脉动风谱基本与卡曼谱相同；膜结构屋面的风压主要以负压为主，且来流来流风一侧屋面的风压较大，另一侧则反之；平均风压系数随风速的增大基本保持不变；膜结构屋面的实测风压系数小于数值模拟的风压系数，但二者的结果十分接近且其分布趋势基本相同.

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院会.建筑结构设计荷载规范：GB 50009—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]戴益民，李秋胜，李正农.低矮房屋屋风载特性的实测及风洞试验研究[J].建筑结构学报，2009，39(7)：88-89.

[3]戴益民，李秋胜，李正农.低矮房屋屋面风压特性的实测研究[J].土木工程学报，2008，41(6)：9-13.

[4]朱丙虎，张其林.世博轴索膜结构屋面风效应的监测分析[J].华南理工大学学报，2012，40(2)：13-18.

[5]罗尧治，蔡朋程，孙斌.国家体育场大跨度屋盖结构风场实测研究[J].振动与冲击，2012，31(3)：64-68.

[6]马剑，程国标，毛亚郎.基于CFD技术的群体建筑风环境研究[J].浙江工业大学学报，2011,35(3)：351-354.

[7]李晓鹏，董志勇.表面圆柱形突体流动特性的数值模拟[J].浙江工业大学学报，2011，39(2)：219-223.

[8]张兆鑫，赵元虎，徐奔驰.基于CFD法的小型风机非扭曲叶片气动性能分析[J].浙江工业大学学报，2013,41(1)：68-72.

[9]张相庭.结构风工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[10]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海：同济大学出版社，2008.

(责任编辑：陈石平)

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

基金项目：浙江省科技厅公益技术应用研究项目(2014C33031)

作者简介：张建胜(1981—)，男，浙江乐清人，副教授，博士，主要从事结构抗风研究，E-maiil:jszhang@zjut.edu.cn.

中图分类号：TU312.1

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)02-0216-05