土木工程结构风场实测研究现状

杨丹 1 刘 钝1

1 中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014

摘 要：土木工程结构风场实测的结果是掌握结构风荷载作用机理和动力响应的最直接的资料，为现行设计规范的修改提供有力依据。本文简要回顾了结构工程领域里的低层建筑、高层高耸建筑以及大跨空间结构在风场实测方面的研究现状，分析了风场实测对结构抗风设计的重要意义，展望了无线传感新技术应用于结构风场实测的未来。

关键词：土木工程结构；现场实测；

1 结构风场实测的意义

目前，风洞试验是结构抗风研究依靠的主要手段和验证数值计算的主要途径,对结构抗风理论的研究和重大工程的设计意义重大。尽管存在紊流尺度、雷诺数相似模拟的困难和非线性相似率模拟的新问题,但目前仍为重大工程抗风设计的信息来源和依据。现场实测是结构抗风研究中非常重要的基础性和长期性的工作。极端条件下(如台风)现场实测可用以验证设计的有效性和准确性,为土木工程抗风理论研究和设计规范的修订提供有用的数据库资料,为结构的风致振动控制提供依据。现场实测的风场特性和风致振动响应为风洞试验数据提供对比分析,促进风洞试验技术的改进和发展。基于现场实测,人们初步掌握了近地风重要特性并促进了理论研究的进一步发展。然而由于强风分布特性现场实测的费用高、难度大,因此关于土木工程风场实测及振动响应实测较结构风洞试验缺乏系统性的研究,人们对于结构风场分布特性和气固耦合作用还缺乏足够的认识。因此进行土木工程风场实测及振动响应实测对于结构抗风设计具有重要意义。

2 结构风场实测的研究现状

现场实测一般利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，以获得风特性和结构响应的第一手资料，是风工程研究中一项非常重要的基础性工作。由于现场实测投资大，很多因素难以人为控制，因而在实际研究中较少应用，国内则较少报道，国外也仅对少量的高层建筑、大跨度屋盖结构和桥梁进行了现场实测研究。

下面分别对结构工程领域里的低层建筑、高层高耸建筑和大跨空间结构在风场实测方面的研究现状。

2.1 低层建筑的风场实测研究

在国外学者对低矮房屋全尺测量方面的现场实测研究中，以下三个试验占有非常重要的地位：

(1) 英国艾尔斯伯里试验楼^[1]（Aylesbury experimental building）

这是上世纪70年代英国的Aylesbury地区进行的一个双坡屋面的试验，屋盖的长宽高为13.3m×7m×5m，其屋面的倾角可在5°- 45°间变化。

(2) 西尔斯试验楼^[2] ( Silsoe structures building )

这也是一个双坡屋面的足尺试验，其长宽高为24.13m×12.93m×4.14m，屋面倾角为10°，地点位于上个世纪80年代的Silsoe地区，对传统的两种不同的屋檐（尖锐边缘式屋檐和弧形边缘式屋檐）下的风压进行了对比，同时还获得了屋面上风压以及内部框架结构上的应变数据。

(3) 美国德克萨斯理工大学实验楼^[3] ( TTU Building )

地点在美国Texas Tech University，时间为上世纪80年代，房子的屋盖接近于平屋顶，长宽高为13.7m×9.1m×4.0m，整个房子可以旋转，实测试验分析了风攻角对于屋面风压的影响。

我国学者李秋胜教授等人为获取低矮房屋在台风登陆地点的风载特性及强台风资料,首次建造了一个可移动式足尺实测房屋(追风房) ,已获取了部分低矮房屋风压分布特征的实验数据^[4]。

2.2 高层建筑及高耸结构的风场实测研究

高层建筑风速、风压场及风致动力响应实测的目的:是获取结构在强风(台风)作用下外表面静态和动态压力的分布特征和横向的湍流特性,进一步为在湍流风作用下结构横向振动的理论研究、结构抗风设计、幕墙设计、风致振动控制设计提供实测数据。

国外针对高层建筑风压分布特性和风致振动响应进行了全尺测量研究。Y.lee等人对一20层建筑进行了考虑建筑墙面风压分布进行了测试，研究发现内外风压和烟道效应对墙面风压分布影响突出。日本学者在上世纪 70～80年代针对高层建筑表面风压进行了16个项目实测，实测的共同目的是获取静态和动态风压特征，16个项目的实测在迎风面上的脉动压力相干系数取得了一致性，大体确定了迎风面和背风面的压力谱趋势，但背风面压力谱稍有离散^[5]。

近年来, 国内高层建筑实测研究主要集中在台(强)风作用下的风速及动态响应实测上。李秋胜对沙尘暴天气下北京市中心边界层风剖面进行了观测及分析^[6],申建红等对一超高层建筑在强风下风速﹑风压场开展了现场同步实测，研究了强风作用下超高层建筑风场特性及表面的风压分布特征^[7]。顾明等在上海环球金融中心大楼顶部放置了超声风速仪，对超高层建筑上的风速进行了采集和分析^[8]

。徐安等采用两种超声风速仪对台风近地风场进行了现场实测，对台风的风速时程风向角﹑风攻角变化进行了分析^[9]。

2.3 大跨空间结构的风场实测研究

大跨度空间结构是一种具有三维空间形体和三维受力结构特性的建筑结构体系,具有受力合力、自重轻、造价低及结构形式多样等特点。国外研究表明,低矮建筑的屋面在强风脉动作用下更容易受到破坏。因此空间结构大跨屋盖由于平面外刚度极低,尤其悬索结构和膜结构在脉动风压作用下易产生自激振动。空间结构屋面风场特性的实测将弥补和验证风洞试验测试的结果。

国外的研究主要有如下：M. Yoshida^[10]等人利用多通路测压系统进行了气承膜圆屋顶风压实测，得到了膜屋顶压力系数的分布图，结果表明气承膜圆屋顶屋面压力系数呈现非均匀分布的负压，最大负压出现在圆屋顶的顶部中心。

国内关于大跨空间结构风场实测的研究极少，目前主要有浙江大学空间结构研究中心的罗尧治，蔡鹏程等通过自主研发的基于无线传感技术的土木工程结构风场实测系统^[11]，对国家体育场大跨度屋盖上的风速风向进行了监测,获得了屋盖上的风场实测数据。

3 风场实测的进一步研究与展望

1）根据以上的内容有：现场实测能为土木工程抗风理论研究和设计规范的修订提供有用的数据库资料,为结构的风致振动控制提供依据，现场实测的风场特性和风致振动响应为风洞试验数据提供对比分析。然而，由于现场实测的费用高、难度大,测试试验很少，相比结构风洞试验缺乏系统性的研究,人们对于结构风场分布特性和气固耦合作用还缺乏足够的认识。因此应进一步加大风场实测的科研投入，采集到更多的样本数据，提供更多的研究成果。

2）实测发展缓慢的重要原因之一就是测试设备的制约。有线传感设备有抗干扰性好、稳定、精确等优点，普遍用于各类重大土木工程设施的监测中，但有线设备布线困难，布线成本可能大大的超过监测设备本身，且在极端的情况下，布线可能不太实际，因此，开发无线传输系统是解决该问题的有效途径。

3）进一步加强对于超高层建筑、低矮建筑和大跨度屋盖结构的现场实测和结构监测，研究台风三维湍流特性、台风风速及湍流特性沿高度的变化规律，并建立结构风特性、风压与振动等结构风效应特性实时监测系统。同时，建立台风与结构响应实时同步监测网络，管理员将通过网络远程控制和监视监测设备，实现台风过程中多点同步实测风特性与结构响应，并研制开发数据管理与传输系统，并直接发布于Internet。

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