大跨度屋盖结构台风效应的风洞试验与实测_罗尧治.pdf

第 44 卷 第 19 期 2014 年 10 月上 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 19 Oct 2014 大跨度屋盖结构台风效应的风洞试验与实测 罗尧治 葛梦娇 孙斌 王煜成 浙江大学空间结构研究中心 杭州 310058 摘要 为研究台风风场高湍流特性对大跨度屋盖结构风压分布的影响 依据台风 海葵 的实测风速时程 确定 了风洞试验中模拟台风风场的风剖面 进行了台风风场下某体育馆屋盖的测压风洞试验 考察了台风风场下大跨 度屋盖结构的风压分布特性 并与常规 B 类风场下的风压数据以及实测风压数据进行对比 研究了台风效应对大 跨度屋盖结构风压分布的影响 研究表明 台风风场和常规 B 类风场下的平均风压系数以及脉动风压系数的分布 规律基本相似 但台风风场下的风压数值较常规 B 类风场大 而且更接近于实测风压值 关键词 大跨度屋盖 台风风场 风洞试验 风压系数 现场实测 中图分类号 TU312 TU208 5文献标识码 A文章编号 1002 848X 2014 19 0007 05 Wind tunnel test and field measurement of the large span roof structure under typhoon effect Luo Yaozhi Ge Mengjiao Sun Bin Wang Yucheng Space Structures esearch Center Zhejiang University Hangzhou 310058 China Abstract In order to study the influence of high turbulence characteristics of typhoon wind field on wind pressure distribution of large span roof structures wind profile of typhoon wind field was determined based on field measurement of velocity time history data of typhoon Haikui to simulate the typhoon wind field The wind tunnel test was carried out on the stadium roof under the typhoon wind field Wind pressure distribution characteristics of the large span roof structure were studied under typhoon effect The results were compared with the wind pressure data under conventional B wind field and field measurement to study the influence of typhoon effect on wind pressure distribution of large span roof structures esults show that the distribution laws of mean pressure coefficient and fluctuating wind pressure coefficient are similar but the wind pressure value under typhoon wind field is larger than that under conventional B wind field significantly and is more close to field measurement value Keywords large span roof typhoon wind field wind tunnel test wind pressure coefficient field measurement 国家杰出青年科学基金项目 51025828 作者简介 罗尧治 教授 博士生导师 Email luoyz zju edu cn 0引言 大跨度屋盖结构风洞试验中的风场模拟对象主 要是季风等常态风 Cao S Y 等 1 学者通过实测研 究发现台风风场与常规风场有很大差异 尤其是台 风的湍流度要明显高于常规风场 因此有必要进行 台风风场作用下的试验研究以明确台风效应对大跨 度屋盖风压分布的影响 基于台风实测研究 Powell M D 等 2 认为中性 稳定条件下边界层近地 100m 范围以内的平均风速 随高度基本按对数律增长 戴益民等 3 研究了台风 达维 的平均风速变化规律 认为其与指数率较吻 合 胡尚瑜等 4 基于我国东南沿海登陆台风的实测 研究 认为对数律和指数律均能较好地拟合实测平 均风速剖面 我国现行规范中并没有关于台风风速 和湍流度剖面的规定 目前 澳大利亚 日本等国规 范和 Sharma N 5 等学者都提出过不同的湍流强 度计算表达式 依据2012 年8 月8 号10 14 时台风 海葵 登 陆期间作用于浙江大学体育馆屋盖上的风速和风压 时程 结合数值分析 确定了风洞试验中模拟台风风 场的平均风速剖面和湍流度剖面 进行了台风风场 下该体育馆屋盖的测压风洞试验 并与常规 B 类风 场下的风压数据以及实测风压数据进行对比 研究 了台风风场下大跨度屋盖的风压分布特性和台风风 场高湍流特性所导致的风压增大效应 1台风风场下的风洞试验 1 1 风洞模型和测点布置 浙江大学体育馆屋盖跨度为 115m 107m 可 分为两个部分 主屋盖和梭形屋脊 主屋盖曲面形 状为近球面 周圈设外挑檐 梭形屋脊从主屋盖突 起 突起高度为 1 6m 风洞试验模型采用 1 100 的 几何缩尺比 符合堵塞度 5 的试验要求 如图 1 所示 本次风洞试验中 0 90 以 5 为间隔 90 360 以 10 为间隔 分别测出 45 个风向下该屋盖各 测点的风压 屋盖上共布置测点 489 个 其中梭形 屋脊上 97 个 主屋盖无挑檐部分 236 个 主屋盖挑 建筑结构2014 年 图 2测点布置图 图 3台风风场平均风速剖面与湍流度剖面 图4 常规 B 类风场平均风速剖面与湍流度剖面 图 1风洞试验模型 檐部分同一位置上下对应布置两个测压孔 共 156 个 测点布置及风向角示意如图 2 所示 标注的 9 个 点为现场实测测点 1 2 台风风场风剖面的确定 本文在模拟台风风场的平均风速剖面时 采用 了指数率的表达式 uz ub z z b 1 式中 uz为 z 高度处风速 ub为 zb高度处风速 为 平均风速剖面指数 蒋莹 6 认为 Yang Meng 台风模型 7 较真实地 模拟了边界层风速剖面 计算速度和精度都较高 具 有良好的工程应用价值 根据杭州气象台站 1949 2012 年间的热带气旋实测记录 基于随机抽样方 法和 Yang Meng 台风模型 并结合台风 海葵 的实 测风速时程 综合考虑实测分析和数值模拟的结果 本文取 为 0 14 胡尚瑜等 4 在 Panofsky H A 等 8 研究的基础 上推导了顺风向湍流度 Iu沿高度变化规律的近似 计算公式 并应用于台风 达维 珍珠 派比 安 的分析和研究中 证明该公式具有较好的工程 应用价值 本文在模拟台风的湍流度剖面时采用该 公式 公式如下 Iu u U uu u k ln z z 0 k u ln z z 0 k u 2 式中 U 和 u分别为水平平均风速和脉动风速标准 方差 u为顺风向比例系数 u 为摩擦速度 k 为卡 曼参数 取为 0 4 z0为地面粗糙度 对台风 海葵 的实测风速时程进行统计分析 可得到在 24 9m 高度处的顺风向湍流度为 0 287 通过数据拟合 在本文中 台风风场的湍流度剖面系 数取 u 5 486 z0 0 011 9 对于 B 类风场 根据 建筑结构荷载规范 GB 50009 2012 规定 平均风速剖面指数 取 0 15 湍流度剖面依据公式 Iz z I10 z 10 模拟 其 中 I10在 B 类地面粗糙度时取 0 14 风洞试验中通常利用来流前方的尖劈 粗糙元 和挡板等来模拟需要的风场类别 余世策等 9 根据 浙江大学 ZD 1 边界层风洞的结构特点 设计了具有 双重无极调节机构的多功能尖劈格栅组合装置 本 文的风洞试验均在浙江大学 ZD 1 边界层风洞中完 成 通过调整梯形尖塔 粗糙元的距离和数量可以在 风洞中模拟出台风风场的湍流度 图 3 和图 4 分别 为台风风场和常规 B 类风场的平均风速剖面与湍 流度剖面 可以发现两类风场的风形状是相似的 但 是台风风场的湍流度明显高于常规 B 类风场 图 3 公式拟合曲线是根据式 1 2 拟合绘制的 图 4 公式拟合曲线是根据 建筑结构荷载规范 GB 50009 2012 的风速剖面公式 修订说明 8 2 1 条 和湍流度公式 修订说明 8 4 3 8 4 6 条 绘 制的 1 3 风压数据处理方法 风洞试验中符号约定以压力向内 压 为正 向 外 吸 为负 屋盖表面各点的风压系数 Cp t 由 下列公式给出 Cp t p t p p0 p p t p 0 5 u2 3 式中 Cp t 是模型表面上某一测压孔所在位置的 风压系数 p t 是该位置上测得的表面风压值 p0 与 p 分别是参考点处测得的平均总压与静压 u 8 第 44 卷 第 19 期罗尧治 等 大跨度屋盖结构台风效应的风洞试验与实测 是参考点的风速 根据风压系数的时程关系 可由下列公式计算 得到测点的平均风压系数 Cp mean和脉动均方根风压 系数 Cprms Cp mean 1 T T 0 Cp t dt 4 Cprms 1 T T 0 Cp t Cp mean 2d 槡 t 5 式中 T 为风压系数的测试时指数 根据式 4 5 可以求出测点的极大风压系数 和极小风压系数 Cp max Cp mean gCprms 6 Cp min Cp mean gCprms 7 式中 g 是峰值因子 本文 g 取 3 保证率为 99 74 2台风风场作用下的风压分布特性 图 5台风风场下的平均风压系数分布 图6 台风风场全风向角下的极小风压系数分布 随着风向角的变化 较大的吸力主要分布在迎 风面的梭形屋脊边缘 较大的压力主要分布在迎风 面的挑檐部分 当风向角在 0 附近时 平均风压系 数的绝对值是所有风向角中最大的 为最不利风向 角 当风向角在 90 附近时 平均风压系数的绝对值 是所有风向角中最小的 为最有利风向角 图 5 给出 了两个典型风向角下体育馆屋盖的平均风压系数分 布图 由图 5 可以看出 在最不利风向角 0 下 屋 脊上的平均风压全部为吸力 靠近梭形屋脊前缘线 的平均风压系数绝对值最大 越往后 风压系数绝对 值越小 而屋脊上的平均风压系数绝对值比主屋盖 要大得多 本文认为这个现象是由于气流在突起的 梭形屋脊边缘处分离 而来流和梭形屋脊前缘线基 本垂直 在分离线上就形成了柱状涡 导致分离线上 出现很大的吸力 并形成了很大的逆压梯度 在最 有利风向角 90 下 屋脊上的平均风压也都为吸 力 但数值要小得多 也没有形成明显的逆压梯度 笔者认为这主要是由于来流和分离线形成了比较大 的角度 气流的流动分离沿分离线有一个速度分量 形成了成对出现的 三角翼涡 10 为了比较直观地表示整个屋盖各个测点在所有 风向下的脉动风荷载特性 本文计算了每个测点在 45 个风向角下的极小风压系数 并取出每个测点不 同风向下的最大数值得到屋盖历经各个风向角时的 极小风压系数分布 见图 6 从图中可以看出 较大 的值主要分布于梭形屋脊的尖角和边缘处 这些正 是气流发生分离的地方 且梭形屋脊的负压系数相 较于主屋盖和挑檐部分要大得多 因此 为了避免 风压系数的突然增大 在设计大跨度屋盖时 应特别 注意突起和尖角等会产生气流分离的结构 3台风风场和常规 B 类风场的风压对比分析 3 1 两类风场下的平均风压系数 图 7 给出了体育馆屋盖表面两个典型风向角 0 90 下 台风风场和常规 B 类风场的平均风压 系数的对比结果 可以发现 图中很少有数据偏离 斜线 说明两种风场下屋盖表面的平均风压系数分 布有着类似的规律 45 个风向角下所有测点数据 的分析结果显示 用于表示台风风场与常规 B 类风 场之间的平均风压系数比值的回归线斜率在 1 12 1 38 之间 平均值为1 25 台风风场和常规 B 类 风场之间的平均风速剖面和湍流度剖面均采用了指 数或对数规律 有明显区别的是台风风场的湍流度 数值要比常规 B 类风场高得多 由图 7 可知 台风 风场的高湍流特性使屋盖的平均风压处于一个不安 全的状态 这在设计中需要考虑 也即在台风多发地 区 当采用风洞试验确定大跨度屋盖的风压系数或 体型系数时 应注意考虑台风风场高湍流特性所导 致的平均风压的增大效应 9 建筑结构2014 年 图8 0 风向角 最不利风向角 下的极小风压系数分布图 9典型测点的平均风压系数对比图 10典型测点的极小风压系数对比 图 7典型风向角下两种风场的平均风压系数比较 3 2 两类风场下的脉动风压系数 图 8 为两类风场 0 风向角下的极小风压系数 分布 可以发现 两类风场的极小风压系数分布规律 同样比较接近 但台风风场下的数值要明显大于常 规 B 类风场下的对应值 经统计 在0 45 90 典型风向角下 台风风场 下屋盖各测点的极小风压系数与常规 B 类风场下 的对应值之比的平均值为 2 27 2 34 1 81 对于全 风向角 该值在 1 68 2 55 之间 因此应注意考虑 台风风场高湍流特性所导致的脉动风压的增大 效应 4两类风场的风洞试验与现场实测的对比分析 现场实测是最直接可靠的手段 可以有效验证 和改进风洞试验 数值风洞的结果及模拟方法 11 为了进一步考察台风风场和常规 B 类风场作用下 的风压分布差异 将两类风场作用下的风洞风压数 据和实测风压数据进行了对比 本文开展的实测试 验采用了课题组自主开发的基于无线传感技术的远 程风场实测系统 该实测系统经过标定 精度和稳定 性都得到了验证 12 图 9 和图 10 分别为体育馆屋盖表面 9 个典型 测点的实测平均风压系数以及极小风压系数与风洞 试验数据的对比 图中的实测风向角统一换算成了 风洞试验的风向角 由于实测风压的平均风向角仅 在 107 0 128 1 之间 本文通过取平均值的方法 给出了 110 和 120 风向角下实测和风洞试验的对 比结果 由图 9 中各测点平均风压系数的对比可以发 现 除了测点 P6 实测数据的分布趋势和风洞试验 是一致的 即实测数据大 风洞数据一般也大 而台 风风场下的平均风压系数明显比常规 B 类风场下 的数据更加接近实测数据 说明对于大跨屋盖结构 而言 开展台风风场下的风洞试验研究是有意义的 对于 P6 测点 实测数据的绝对值明显偏小 该测点 位于背风区 本文认为该现象与来流分离后在该处 附近重新附和有关 但由于实测点数量有限 具体原 因还需进一步研究 图 10 中各测点的极小风压系数也显示了和平 均风压系数类似的规律 但值得注意的是 由于风洞 中模拟的台风风场仍然不能完全再现现实的台风风 场 尤其是现实的台风风场不仅在顺风向具有高湍 流度 在横风向也具有与顺风向相当高的湍流特 01 第 44 卷 第 19 期罗尧治 等 大跨度屋盖结构台风效应的风洞试验与实测 性 13 而目前在风洞中并不能模拟横风向的湍流 度 因此要对台风效应进行更加详细的分析 仍需进 行大量的风洞和实测试验 5结论 本文基于浙江大学体育馆屋盖在台风风场和常 规 B 类风场下的刚性模型风洞试验 以及台风 海 葵 登陆过程中所测得的作用于该体育馆屋盖的风 速风压实测数据 通过比较分析可以得到如下结论 1 浙江大学体育馆屋盖表面的风压总体表现 为负压 在迎风面的梭形屋脊边缘会发生气流分离 在分离线附近产生很大的吸力 并形成很大的逆压 梯度 在设计中应加以重视 2 对于平均风压 常规 B 类风场和台风风场 作用下的分布规律基本类似 但台风风场下的平均 风压系数绝对值明显高于常规 B 类风场 两类风场 的平均风压系数比值为 1 12 1 38 对于脉动风 压 两类风场作用下的极小风压系数的分布规律也 基本类似 台风风场与常规 B 类风场的极小风压系 数的比值为 1 68 2 55 因此 对于台风多发地区 的大跨度屋盖结构 设计中应注意考虑台风风场高 湍流特性所导致的平均风压和脉动风压的增大 效应 3 风洞试验与现场实测数据的对比结果显 示 除了背风面的测点 P6 实测数据的分布趋势和 风洞试验是一致的 台风风场下的风洞试验数据明 显比常规 B 类风场接近实测数据 因此 对于大跨 度屋盖结构 开展台风风场下的风洞试验研究是很 有意义的 参考文献 1 CAO S Y TAMU A YUKIO KIKUCHI NAOSHI et al Wind characteristic of a strong typhoon J Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 2009 97 1 11 21 2 POWELL M D VICKE Y P J EINHOLD T A educed drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones J Nature 2003 422 6929 279 283 3 戴益民 李正农 李秋胜 等 低矮房屋的风载特 性 近地风剖面变化规律的研究 J 土木工程学 报 2009 42 3 44 51 4 胡尚瑜 宋丽莉 李秋胜 近地边界层台风观测及湍流 特征参数分析 J 建筑结构学报 2011 32 4 1 8 5 SHA MA N ICHA DS P J A re examination of the characteristics of tropical cyclone winds J Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 1999 83 21 33 6 蒋莹 台风风场下输电塔结构的风效应研究 D 杭 州 浙江大学 2012 7 YANG MENG MASAHI O MATSUI KAZUKI HIBI An analytical model for simulation of the wind field in a typhoon boundary layer J Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 1995 56 291 310 8 PANOFSKYHA DUTTONJA Atmospheric turbulence modelsandmethodsforengineering applications M New York Wiley 1984 9 余世