強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)作用下大跨空間索桁體系現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)壓風(fēng)振實(shí)測(cè)研究

張志宏，劉中華，董石麟

(1．上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海200233;2．浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江紹興312030;3．浙江大學(xué)土木工程學(xué)院，杭州玉泉310027)

我國是世界上少數(shù)幾個(gè)風(fēng)災(zāi)影響嚴(yán)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(zāi)區(qū)，每年都要受到1～2次影響．熱帶氣旋給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅，如2004年14號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“云娜”正面襲擊樂清市，中心最大風(fēng)速達(dá)58．7 m/s，在樂清上空停留長達(dá)12 h，3210間民房和廠房等大量低矮建筑倒塌，全市直接經(jīng)濟(jì)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(chǎng)罩棚結(jié)構(gòu)、通常采用PTFE/PVC膜材圍護(hù))應(yīng)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(chǎng)，佛山“世紀(jì)蓮”體育場(chǎng)和在建的樂清“彎月”體育場(chǎng)等，環(huán)索初始設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力均在2×107N以上．由于對(duì)強(qiáng)/臺(tái)作用下大跨柔性體系非線性風(fēng)致效應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)不足及其抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論和實(shí)用方法的欠缺，臺(tái)風(fēng)區(qū)大跨柔性體系的抗風(fēng)安全性極易成為工程設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)．具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

(1)我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范均基于良態(tài)氣候，較適用于不易受臺(tái)風(fēng)影響的內(nèi)陸地區(qū)．然而，我國東南沿海地區(qū)最大風(fēng)速大多由非良態(tài)氣候的臺(tái)風(fēng)引起，臺(tái)風(fēng)下近地風(fēng)場(chǎng)特性如平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面、功率譜和風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)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(jié)構(gòu)往往具有復(fù)雜的氣動(dòng)外形，我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求通過剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)確定其風(fēng)壓體型系數(shù)，沿用風(fēng)振系數(shù)或等效靜力風(fēng)荷載等高層、高聳結(jié)構(gòu)(豎向一維尺度占優(yōu))的抗風(fēng)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法，忽視了大跨空間結(jié)構(gòu)(平面占優(yōu)或三維尺度接近)的動(dòng)力特性(如多模態(tài)耦合、多振型參與和動(dòng)力失穩(wěn)等)和近地風(fēng)場(chǎng)繞流特征．此外，風(fēng)洞試驗(yàn)亦較難準(zhǔn)確模擬強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下大氣邊界層近地風(fēng)場(chǎng)特性如湍流特征尺度、湍流強(qiáng)度、雷諾數(shù)、建筑風(fēng)環(huán)境和豎向風(fēng)等．大跨柔性體系尚存在非線性動(dòng)力特性明顯和風(fēng)與結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)等［3－5］．

(3)大跨柔性索膜結(jié)構(gòu)如空間索桁體系、索穹頂結(jié)構(gòu)等，具有結(jié)構(gòu)自重輕、柔度大、自振頻率低且分布密集和阻尼小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特別是在強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)如我國東南沿海地區(qū)，風(fēng)荷載可達(dá)結(jié)構(gòu)自重的10倍或以上，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載．

(4)對(duì)于鋼筋混凝土薄殼和鋼網(wǎng)殼等大跨剛性體系，其形狀設(shè)計(jì)主要涉及重力荷載下結(jié)構(gòu)幾何形狀優(yōu)化［6］而較少考慮風(fēng)荷載及風(fēng)致效應(yīng)的影響［7］．然而，對(duì)大跨空間索桁體系而言，設(shè)計(jì)合理的索系空間曲線形狀及承風(fēng)膜曲面形狀可大大提高其抗風(fēng)安全性，降低體系的設(shè)計(jì)初始預(yù)應(yīng)力水平和工程造價(jià)．

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究現(xiàn)狀

目前，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)方面的研究逐漸形成了以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段相結(jié)合的綜合方法．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相當(dāng)于足尺氣彈模型自然風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)，可以避免縮尺氣彈模型物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的相似比畸變效應(yīng)，對(duì)強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下大跨預(yù)內(nèi)力柔性體系的風(fēng)荷載和風(fēng)致效應(yīng)機(jī)理研究不可或缺．然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)亦存在來流風(fēng)向風(fēng)速不穩(wěn)定、周期長、費(fèi)用高和工程地點(diǎn)不易選擇等問題．此外，風(fēng)荷載計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬可以與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，其突出的優(yōu)點(diǎn)是快速、無硬性成本和可視化流場(chǎng)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(xué)者主要對(duì)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(tái)風(fēng)情況下的表面風(fēng)壓特性和近地風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，如英國Aylesbury實(shí)驗(yàn)樓、西爾斯試驗(yàn)樓，美國德克薩斯理工大學(xué)試驗(yàn)樓(TTU Building)等．大跨空間結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)較少，僅Appedey和Pitsis等［8－9］對(duì)悉尼Belmore與Caltex體育場(chǎng)懸挑屋蓋進(jìn)行了小規(guī)模風(fēng)壓實(shí)測(cè)．近年來，我國現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)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(gè)可移動(dòng)式的原型實(shí)測(cè)房(追風(fēng)房)，對(duì)比同體型比低矮房屋的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)了不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的屋面風(fēng)壓及體型系數(shù)的分布規(guī)律;朱丙虎、張其林等［12］對(duì)世博軸索膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè);黃鵬、顧明等［13］在浦東機(jī)場(chǎng)建造了一棟坡角可調(diào)的低矮房屋及測(cè)風(fēng)塔，對(duì)東海邊附近的風(fēng)場(chǎng)特性及低矮建筑屋蓋表面風(fēng)壓特性如非高斯分布偏度和峰度進(jìn)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(jié)構(gòu)－樂清“彎月”體育場(chǎng)(圖1，2)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)壓風(fēng)振實(shí)測(cè)，獲得足尺結(jié)構(gòu)在真實(shí)建筑風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)荷載和風(fēng)致效應(yīng)，是研究大跨柔性體系強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)致效應(yīng)機(jī)理最為直接和有效的手段，測(cè)試數(shù)據(jù)也最具有科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

圖1 樂清體育中心一場(chǎng)兩館效果圖

2 測(cè)點(diǎn)布置

圖2 體育場(chǎng)施工進(jìn)度

樂清“彎月”體育場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)已安裝索力、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、表面溫度、加速度及風(fēng)速風(fēng)向(R．M．Young81000型超聲波和R．M．Young 05305V型機(jī)械式風(fēng)速儀安裝于角柱頂面)等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)．在上海師范大學(xué)結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目、上海市085內(nèi)涵建設(shè)項(xiàng)目和浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司、樂清市中心區(qū)開發(fā)建設(shè)管理委員會(huì)等多方、多項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，本文作者于2012年12月25日已啟動(dòng)樂清體育中心體育場(chǎng)膜表面整體風(fēng)壓實(shí)測(cè)研究．預(yù)計(jì)將于2013年4月中旬開始安裝、調(diào)試，實(shí)測(cè)強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)作用下風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)壓數(shù)據(jù)將面向全世界公開．該體育場(chǎng)主受力索系共有38榀索桁架，其中角部各有3榀未鋪設(shè)膜材圍護(hù)．依據(jù)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流場(chǎng)分離、演化一般規(guī)律，膜表面風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)布置如圖3、4所示．其中每個(gè)測(cè)點(diǎn)上下各安裝一個(gè)風(fēng)壓傳感器，同步測(cè)量上下表面風(fēng)壓時(shí)程．

圖3 風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖4 風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)三維布置示意圖(初步方案)

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)如表1所示．具體采樣系統(tǒng)技術(shù)要求:系統(tǒng)須保證256通道不低于100Hz風(fēng)壓數(shù)據(jù)同步、長期(＞1年)穩(wěn)定采集．預(yù)留模塊升級(jí)接口，增加該模塊后可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，無線遠(yuǎn)程控制，人工智能自我故障診斷，遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警等功能．具體技術(shù)要求如下:(1)自動(dòng)采集和記錄傳感器實(shí)際測(cè)量值;(2)采集時(shí)間間隔，根據(jù)需要自行設(shè)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(shè)置通道數(shù)，設(shè)置相應(yīng)測(cè)試時(shí)間等;(5)可設(shè)置參數(shù):采集通道、采樣間隔、采樣頻率等;(6)采集后自動(dòng)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(gè)朝陽線性電源)(3)256通道信號(hào)防雷模塊三級(jí)防雷，10000 V/5000 A(4)采樣轉(zhuǎn)換板電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)，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(guān));100 MΩ/100 pF(關(guān))．專用導(dǎo)氣屏蔽電纜技術(shù)要求:護(hù)套PU外皮為白色內(nèi)部為黑色，防水耐候，耐紫外線壽命不小于5年，護(hù)套材料抗拉耐磨，護(hù)套厚度不小于1．3 mm，內(nèi)帶內(nèi)孔Φ1．2 mm導(dǎo)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(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4 結(jié)語

簡(jiǎn)單介紹了正在推進(jìn)的樂清“彎月”體育場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)壓、風(fēng)振實(shí)測(cè)研究的前期準(zhǔn)備工作，鑒于論文篇幅限制及測(cè)試結(jié)果尚未處理完成，相關(guān)數(shù)據(jù)分析和研究?jī)?nèi)容暫不展開論述．

應(yīng)當(dāng)指出，強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)作用下大跨空間索桁體系的風(fēng)致效應(yīng)及機(jī)理復(fù)雜，不僅受控于風(fēng)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(chǎng)演化等結(jié)構(gòu)外在條件，而且與大跨空間索桁體系內(nèi)在的非線性動(dòng)力特性緊密相關(guān)，大跨柔性體系的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法亦任重而道遠(yuǎn)．

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