非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)教學(xué)與實(shí)踐

李錦華， 鄧羊晨， 黃永虎， 李春祥

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

0 引 言

非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓特性常見于建筑結(jié)構(gòu)分離區(qū)域，該特性的存在容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞［1-2］。該破壞雖表現(xiàn)為損傷累積，但其發(fā)生最終為突發(fā)性事件［3-4］。為了保障建筑結(jié)構(gòu)以及使用人員的安全，對(duì)非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓的特性展開研究是十分必要的。

非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓的研究方法可以分為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)［5-6］：①基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)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(yīng)及模型相似準(zhǔn)則的影響，而且其實(shí)驗(yàn)成本也相對(duì)較高［7-8］；②基于CFD 數(shù)值模擬得到的仿真結(jié)果雖然相對(duì)經(jīng)濟(jì)，但其運(yùn)算時(shí)間較慢，且其精度受仿真條件設(shè)置等主觀因素影響較大［9-10］；③現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)雖然容易受到工作環(huán)境的影響，但基于該法得到的數(shù)據(jù)最能反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)特性［11-12］。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最能鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)組織能力、動(dòng)手能力、突發(fā)情況應(yīng)急能力。本文以位于教學(xué)樓樓頂?shù)囊惶幘匦谓Y(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合已有的科研成果［13-14］，設(shè)計(jì)了一個(gè)非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)非高斯特性及疲勞的了解，同時(shí)也提高他們動(dòng)手實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作能力，從而達(dá)到科研教學(xué)有機(jī)統(tǒng)一的效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1 所示，本實(shí)驗(yàn)的風(fēng)壓實(shí)測(cè)系統(tǒng)由高精度風(fēng)壓傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。本實(shí)驗(yàn)的工作原理就是通過把脈動(dòng)風(fēng)經(jīng)過矩形結(jié)構(gòu)時(shí)所產(chǎn)生的壓力作用在傳感器的膜片上，從而讓傳感器的電阻發(fā)生變化，繼而輸出一個(gè)相應(yīng)的電流信號(hào)。電流信號(hào)通過轉(zhuǎn)接箱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，繼而得到電壓信號(hào)。電壓信號(hào)再經(jīng)由采集箱儲(chǔ)存到電腦，便可得到所需要的風(fēng)壓信號(hào)。該系統(tǒng)經(jīng)科研實(shí)踐的不斷優(yōu)化，它具備操作方便、上手快捷等特點(diǎn)。

圖1 風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)原理示意圖

另外，本實(shí)驗(yàn)中將采用附著式風(fēng)壓傳感器。與以往埋入式風(fēng)壓傳感器不同，該類傳感器只需黏貼固定即可進(jìn)行測(cè)量，從而滿足重復(fù)教學(xué)使用的需要。

為了更好地掌握風(fēng)速及風(fēng)向?qū)Ψ歉咚姑}動(dòng)風(fēng)壓測(cè)量的影響，同時(shí)也提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的感性認(rèn)識(shí)，該實(shí)測(cè)系統(tǒng)也加入了風(fēng)速儀進(jìn)行改進(jìn)。該風(fēng)速儀的工作原理主要利用所發(fā)出的超聲波在空氣中的傳播時(shí)間差來確定風(fēng)速及風(fēng)向。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如圖2 所示，實(shí)測(cè)對(duì)象為位于教學(xué)樓樓頂?shù)囊惶幘匦谓Y(jié)構(gòu)（5.5 m×3.6 m）。一般來說，結(jié)構(gòu)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是相當(dāng)困難，然而該實(shí)測(cè)對(duì)象位置方便，結(jié)構(gòu)形態(tài)合宜，其四端墻角位置符合非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓產(chǎn)生的條件。因此，為了更好地讓學(xué)生測(cè)量到非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)象，提高其學(xué)習(xí)興趣以及完成課程目標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種實(shí)測(cè)方案：

圖2 風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方案圖

方案一 在墻角A兩側(cè)布置傳感器，AB側(cè)由上到下垂直布置1?！?＃，AD側(cè)由上到下垂直布置6＃ ～10＃。各傳感器距離墻角A點(diǎn)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(jié)構(gòu)局部分離區(qū)域，旨在讓學(xué)生測(cè)量到脈動(dòng)風(fēng)壓的非高斯特性，以達(dá)到教學(xué)目的。

方案二 矩形結(jié)構(gòu)四面均布置傳感器，1＃～3＃、7?！?＃以水平間距2.45 m 放置在AB側(cè)、CD側(cè)，4＃ ～6＃、10＃～12＃分別以水平間距1.5m放置在BC側(cè)、DA側(cè)。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(jié)構(gòu)上邊緣39 cm。此方案主要分布于結(jié)構(gòu)不同區(qū)域，旨在讓學(xué)生了解整體結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓特性，同時(shí)也提升學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

2 實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

本實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)壓實(shí)測(cè)主要由實(shí)驗(yàn)布置、測(cè)量系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集3 個(gè)核心步驟組成：

（1）實(shí)驗(yàn)布置。先根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)方案對(duì)矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行布點(diǎn)，然后在設(shè)定的位置上安放CYG1721T 型附著式風(fēng)壓傳感器。布置過程中需要學(xué)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(gè)刻度所代表的數(shù)值大小，以避免不必要的記錄失誤。

（2）測(cè)量系統(tǒng)搭建。將已黏貼結(jié)構(gòu)表面上的附著式風(fēng)壓傳感器連接到昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司所出產(chǎn)的電源轉(zhuǎn)接箱上，以此將傳感器所輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，以便為東華DH5922 型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器所收集。采集器所收集的數(shù)據(jù)最終保存到學(xué)生的筆記本電腦上，方便后續(xù)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。所搭建的測(cè)量系統(tǒng)、傳感器實(shí)物如圖3 所示。

圖3 風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物

（3）數(shù)據(jù)采集。將采集系統(tǒng)中的采樣頻率設(shè)置為20 Hz，以避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真情況。另外，為了減少其他因素所造成的噪聲干擾，本實(shí)驗(yàn)在采集系統(tǒng)中加入頻率設(shè)置為10 Hz 的低通濾波器，以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以方案一中的1＃、6＃和方案二中的1＃、12＃為例，本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的風(fēng)壓數(shù)據(jù)均為時(shí)間序列，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 實(shí)測(cè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)

非高斯特性可以用數(shù)據(jù)的斜度值Sk以及峰度值Ku作為判斷依據(jù)。當(dāng)Sk不為0 時(shí)，或者Ku不為3時(shí)，即可判斷數(shù)據(jù)具有非高斯特性［15-16］。數(shù)據(jù)的斜度值Sk和峰度值Ku的計(jì)算公式如下：

另外，本實(shí)驗(yàn)也包括了數(shù)據(jù)的樣本直方圖與高斯正太分布曲線之間的比較。以上內(nèi)容均可用Matlab軟件以及相應(yīng)配套代碼實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，無論是方案一（1＃、6＃）還是方案二（1＃、12＃），位于矩形結(jié)構(gòu)分離區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)壓樣本直方圖均偏離高斯正太分布。此外，兩個(gè)數(shù)據(jù)的Sk均不為0，且Ku均不為3，而這也說明了所實(shí)測(cè)的脈動(dòng)風(fēng)壓存在一定的非高斯特性。

從表1、2 可以發(fā)現(xiàn)，兩種方案下的各測(cè)點(diǎn)斜度均不為0，峰度均不為3，說明所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)于非高斯現(xiàn)象的觀察來說是可行的。

表1 方案一各點(diǎn)非高斯特性

表2 方案二各點(diǎn)非高斯特性

值得注意的是，各點(diǎn)測(cè)量效果（斜度值、峰度值、數(shù)據(jù)樣本直方圖）可能與當(dāng)天氣候有關(guān)。因此在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)前，需要提前做好天氣預(yù)報(bào)查詢工作，以確保教學(xué)效率。另外，該部分只提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的思路及流程，學(xué)生實(shí)際具體操作所得到的結(jié)果可能與本文例子中的結(jié)果有一定差異，但是該差異不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)及課程質(zhì)量。

3 教學(xué)流程及預(yù)期效果

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為原理教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析三部分。

（1）原理教學(xué)。教師首先介紹非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)象的存在以及其特點(diǎn)與危害，然后針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程以及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行介紹。該部分內(nèi)容讓學(xué)生宏觀地把握整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的意義及目標(biāo)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力。

（2）實(shí)驗(yàn)操作。在開展實(shí)驗(yàn)前，教師以某測(cè)點(diǎn)為例，向?qū)W生演示整個(gè)風(fēng)壓實(shí)測(cè)的操作流程（實(shí)驗(yàn)布置、測(cè)量系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存）。期間，充分與學(xué)生開展教學(xué)互動(dòng)，根據(jù)學(xué)生的提問、反饋進(jìn)行解惑及實(shí)驗(yàn)的相關(guān)完善及優(yōu)化。

（3）數(shù)據(jù)分析。在完成脈動(dòng)風(fēng)壓的實(shí)測(cè)后，教師向?qū)W生教授對(duì)應(yīng)的Matlab 數(shù)據(jù)處理代碼，以輔助學(xué)生用自己的電腦觀察到數(shù)據(jù)的非高斯特點(diǎn)，從而完成課程的學(xué)習(xí)。

3.2 預(yù)期教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在達(dá)到以下課程目標(biāo)：①提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)組織能力，以及團(tuán)隊(duì)合作能力；②加深對(duì)工程、科研現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，并為學(xué)生日后工作或研究生階段的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；③觀察到脈動(dòng)風(fēng)壓非高斯特性，并了解其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的危害；④在教學(xué)互動(dòng)中引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)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(yè)論文的撰寫。

4 結(jié) 語

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是最能反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)特性的方法。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也最能鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)組織能力、動(dòng)手能力、突發(fā)情況應(yīng)急能力。本文以位于教學(xué)樓樓頂?shù)囊惶幘匦谓Y(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，依托已有科研成果，面向?qū)W生開展結(jié)構(gòu)分離區(qū)的非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過本文所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)教學(xué)與實(shí)踐，達(dá)成了“非高斯脈動(dòng)風(fēng)壓現(xiàn)象的捕捉、數(shù)據(jù)分析總結(jié)能力的鍛煉、學(xué)生自我學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性的提高”的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，該教學(xué)也致力于開闊學(xué)生科研視野，并響應(yīng)國家與學(xué)?！翱平毯弦?、知行合一”的教學(xué)理念。