国家体育场大跨度屋盖风场实测研究

国家体育场大跨度屋盖风场实测研究

随着结构体系、建筑材料、设计和施工技术的进步，现代建筑逐渐朝着高度和规模的方向发展，技术结构逐渐表现出轻重、柔度高、耐荫小、自扰频率低的特点。风负荷通常是控制结构设计的主要负荷。目前,风洞试验方法仍然是结构抗风研究的最主要方法,但由于其是缩尺模型试验,风洞试验模拟与实际现场实测所得的结果相比仍会有很多区别,如风洞模拟的湍流度难以达到实际值,描述流体特征的重要参数雷诺数也比实际值低2到3个数量级。总之,风洞试验虽然是现在最主流的风工程研究方法,但其仍存在许多问题。而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,促进整个风工程研究方法的发展。近年来,国内外学者广泛开展了土木工程领域的风场实测研究,取得了一些研究成果。李秋胜等由于现场实测费用高﹑难度大﹑布线困难,有关现场实测的文献仍较少,尤其对于大跨空间结构的风场实测,国内外研究极少。本文首次将无线传感网络技术1桁架柱支撑国家体育场是2008年北京奥运会主体育场,外形结构主要是由巨大的门式钢架组成,支撑在24根桁架柱上。建筑顶面呈鞍形,长轴方向最大尺寸为332.3m,短轴方向最大尺寸为296.4m,最高点高度为68.5m,最低点高度为40.1m,屋盖中间开洞长度为185.3m,宽度为127.5m,场地地面粗糙度类别为B类2风场特征分析2.1风速记录是否符合高斯分布现有的风特性分析方法假定脉动风速的概率分布为高斯分布(正态分布),而特殊环境或大气湍流受到干扰时,风速记录可能不符合高斯分布。实际统计分析中,通常将偏度和峰度结合起来运用,以判断变量分布是否接近于高斯分布,其中偏度度量概率密度分布的偏斜程度及偏向,峰度度量概率密度分布在平均值处峰值高低。2.2风荷载设计中的湍流度大跨度屋盖结构柔度大﹑自振频率低,大气湍流特征对于屋盖结构共振效应有重要影响。湍流度和阵风系数是建筑结构风荷载设计中两个基本的湍流特征信息。顺风向湍流度I顺风向阵风系数G2.3脉动风速风压的积分长度大气边界层中的湍流涡旋可以视为频率为n的周期脉动,定义涡旋的波长λ=U/n,其中U为平均风速,那么这个波长就是涡旋大小的量度,湍流积分尺度是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。对于顺风向的湍流积分尺度根据泰勒(Taylor)假设式中R(τ)为脉动风速自相关函数。计算时以10min为基本时距,积分上限取到R(τ)=0.05σ2.4湍流动能的贡献脉动风速功率谱用来描述湍流中不同尺度的旋涡的动能对湍流脉动动能的贡献。它在频域上的分布代表了湍流动能在不同尺度上的能量分布比例。其中达文波特(Davenport)谱﹑冯·卡门(VonKarman)谱和卡曼(Kaimal)谱应用较多(1)卡拉ok谱卡门谱是1948年美国著名空气动力学家VonKarman根据湍流各向同性假设提出的,表达式为:式中,(2)达文波特光谱1961年,加拿大著名风工程专家Davenport提出了第一个大气边界层中的水平脉动风功率谱:式中,(3)kamal光谱卡曼提出的风速谱的数学表达式为:式中,3平均风速较大风速时程利用远程风场实测系统对多个风速测点同步采集和观测,获得了国家体育场屋盖上的风速记录。数据分析选取3段平均风速较大风速时程,见表1。由于风速风向测点4位于“鸟巢”火炬区域,火炬本身及火炬拆除期间工具的堆放对测点4数据有明显影响,表现为风速数据偏小,风向角与其他测点相差较大,湍流度偏大,故在数据分析时对测点4数据予以剔除。3.1次风速概率分布图3为4次风速样本中风速风向测点1在1个小时内脉动风速的概率密度函数。对于一个标准的高斯分布,其峰度系数和偏度系数分别为3和0。峰度系数大于3,表明落在风速均值附近的概率分布大于标准正态分布;而偏度系数大于0,表明概率分布向右偏斜,数据右端有较多的极端值。3次风速样本的概率分布呈现出不同程度的非高斯特征。脉动风速可以看作是稳定流场和一系列旋涡叠加的结果3.2平均风速与风向两个均以10min为基本时距的实测样本数据的平均风速和风向如图4(a)﹑图4(b)﹑图4(c)和图4(d)所示。“0915”样本总体平均风速为3.0m/s,其中最大10min平均风速为4.5m/s,总体平均风向为162°,即风向以西南方向为主。“0927”样本的总体平均风速为4.0m/s,其中最大10min平均风速为5.5m/s,总体平均风向为18°,即风向以西北方向为主。图中显示位于大跨度屋盖结构上位置对称且距离较远的3个风速风向测点,平均风速和风向随时间变化规律趋于一致,但数值存在一定差异。以10min为时距的平均风速属于风速中长周期部分,其能量源自风速来流,因此位于空间上不同位置上风速虽受屋盖绕流影响,但平均值变化规律仍一致。3.3风压与阵风系数以10min为基本时距的湍流度和阵风随时间变化见图5(a)﹑图5(b)﹑图5(c)和图5(d)所示。“0915”样本顺风向湍流度平均值为0.27,阵风系数的平均值为1.63。“0927”样本顺风向湍流度平均值为0.35,阵风系数的平均值为1.96。在日本建筑荷载规范顺风向阵风系数随湍流度增大而增大,见图6所示,对两次实测结果进行如式y=ax+b线性拟合发现:“0915”样本a=2.747,b=0.907;“0927”样本a=3.390,b=0.763。3.4脉动风空间与湍流的相关分析在时域内描述脉动风的空间相关性可采用空间两个位置处风速的相关函数来表示。三次风速实测样本下,3个风速测点之间的相关函数见图7。通常认为相关性系数绝对值大于0.5时属强相关,而小于0.2则可认视为弱相关。图中相关函数峰值在0.1~0.36之间,表明风速测点之间相关性很小。当脉动风空间两点位置小于湍流平均尺度时,说明这两点处于同一旋涡内,则两点的脉动速度相关;相反,处于不同旋涡中的两点的速度是不相关的在日本建筑荷载规范3.5脉动风速干扰测点设置图9显示了风速样本“1004”下3个风速测点顺风向脉动风速功率及与上文提到的3种典型的来流风速谱对比,其中达文波特﹑冯·卡门和卡曼谱谱峰对应的莫宁坐标(折减频率)nz/U均在0.1左右,而风速测点1﹑测点3分别在莫宁坐标分别为0.5和0.7时达到峰值,与典型的风速谱存在一定差异;风速测点2在莫宁坐标0.12附近达到峰值,与典型的风速谱较为接近。文献[2]和文献[4]中实测数据表明,当风速未受干扰时,其纵向脉动风速实测谱均在莫宁坐标0.1附近达到峰值,并能较好的符合冯·卡门谱。注意到风速样本“1004”风向为西南方向,此时测点2处于上风区域的前段,能量主要源自于风速来流,因而低频能量占控制地位;随着测点位置距上风区域变远,屋盖上旋涡脱落占主要作用,许多小尺度的旋涡生成并产生分离,使得测点1和测点3风速谱谱峰出现在较高频率区域。在相同来流方向角下,以上风速实测功率谱与文献[11]中“鸟巢”风洞试验对应点的风压功率谱呈现出了相同的特征。本文认为,结构表面某点的风压脉动能量是来源于该点附近的实际风速脉动,因而实测风速功率谱与风洞试验中风压功率谱特征相似。准定常假定认为结构表面的风压脉动取决于来流风速脉动。由于结构表面某点的风压脉动能量是来源于该点附近的实际风速脉动,若准定常假定适用于“鸟巢”屋盖结构,则屋盖表面的风速脉动应与来流风速脉动呈现大致相同的规律,换句话说,屋盖表面的风速实测功率谱应与冯·卡门谱等典型的风速功率谱较为相近,实测风速功率谱不应受到涡脱的较大影响,而以上实测的结果表明并非如此,屋盖实测风速功率谱明显受到分离、涡脱及再附等作用的较强影响。本文从风速实测角度证实了准定常假定不适用于大跨度屋盖结构。4脉动风速功率谱密度(1)通过自主开发的基于无线传感技术的远程风场实测系统,实测获得了国家体育场大跨度屋盖结构上风速风向数据,实测数据表明大跨度屋盖上流场受分离、再附着和旋涡脱落影响,湍流度较大,脉动风速非高斯分布特性明显。(2)大跨度屋盖不同位置上10min平均风速和风向变化规律趋于一致,但脉动风速相关性较小,表现为阵风系数变化规律相