双坡屋面风压试验研究

双坡屋面风压试验研究

1刚性模型测量原理及施工要点膜结构属于空间大、柔性结构，自助式小、自助式低。风负荷是结构设计的主要控制负荷。风振动的回归就是其结构设计计算的困难之一。由于膜结构表面一般为复杂的空间曲面,现行荷载规范中没有类似的体形可供参考,因此通过风洞模型试验得到实际风压作为结构计算的原始数据,以及通过试验数据进行风荷载特性研究成为可靠的、行之有效的途径。刚性模型的风压测试通常采用预埋设测压管的常规方法,但要在很薄的模型屋面上同时测量上下风压值是很困难的。从以往的资料来看,膜结构表面风压测试要么只测量外表面的风压值,要么将内、外表面的风压值分开测量。显然这样无法分析膜结构在某些工况(如四周敞开)下内外风压共同作用的影响,尤其是计及内压后脉动风压的变化规律。为此,本文在刚性模型制作时采用先在屋盖两面挖槽埋设测压管,再在相应测点位置用钻头垂直于屋面钻孔的方法。为了便于对问题进行研究,采用双坡屋面这样一个典型结构,下表面测点均与上表面测点位置相对应,以保证所记录的风压值满足时间相关性和空间相关性的要求。本文分析了位于高湍流区域的四周封闭和四周敞开模型在不同风向角情况下的平均风压及脉动风压分布特性,并按照模型试验的相似准则进行了对应的气动弹性模型风洞试验。根据试验获到的各测点的加速度时程数据,经处理后得到加速度均方根值,对膜结构风致振动响应的基本特性进行了分析,并着重探讨了模型在四周封闭和四周敞开时风压系数和加速度响应均方根值的变化规律,对膜结构抗风设计具有较为重要的指导意义。2风模型试验2.1地形地貌的风速剖面和湍流强度分布的模拟本文的地貌类型按国家规范中规定的B类地貌考虑,即地貌粗糙度系数α取为0.16。为了满足地貌粗糙度系数α的风速剖面和湍流强度分布的模拟要求,在风洞的进风口处设置了尖塔及不等距格栅,在风洞底壁设置了大量立方体粗糙元作为湍流发生装置。图1为风洞内模拟B类地貌的风速剖面及其湍流度沿高度分布的曲线。刚性模型和气动弹性模型试验均在此相同的风场条件中进行。2.2试验模型及相似参数模型的几何缩尺比为1∶50,模型的底裙高为200mm,屋面的矢高为150mm,底面尺寸为600×600mm的正方形(图2)。四周底裙作成可拆卸式的,可分别模拟模型四周封闭和四周敞开工况。刚性模型和气弹模型除了屋面外,以下部分全部相同。根据结构体型的特点和试验要求,在刚性模型屋盖上布置了87(上表面)/55(下表面)个测压点(图3)。图中括号内数字为下表面测点编号,与上表面测点位置一一对应,这样将上下两点的压力时间序列相减即可得到压力差的时间序列,由此可导出四周敞开时屋盖的脉动风压分布特性,以及作为膜结构动力时程分析中的原始数据。在气弹模型设计时考虑到膜结构属柔性结构,在水平风荷载作用下结构的响应也是垂直于表面、接近于竖向的,竖向重力效应不容忽略,因此本文计入了弗劳德数相似。此外,还考虑了几何、欧拉数、柯西数、质量数、初始应变数等相似准则。根据相似参数可以把所得到的模型数据直接应用到相应的原型中去。膜结构气弹模型试验成功与否的关键是传感器的选取,本文选用六只超薄型加速度传感器,布置方式如图4所示,信号的采集与分析由DH5935/DH5936动态信号测试系统完成。2.3压力波谱统计分析刚性模型试验中各测点的风压系数按下式计算:Cpi=Ρi-Ρ∞12ρV2∞(1)Cpi=Pi−P∞12ρV2∞(1)式中:Cpi是建筑物表面某测点i的风压系数,Pi是测点i的风压值,P∞为静压,ρ为空气密度,V∞为参考点的风速。脉动风压试验是在模拟湍流度的风场中,用电子扫描阀及数据采集分析系统记录一个时段内的各测点压力波谱,对压力波谱进行统计分析,从而得出风压系数的平均值和均方根值。确定试验的每一时段为18s,采样频率为200Hz,则对于3600个样点进行算术平均得该波谱的平均风压系数:Cjp=1ΝΝ∑n=1Cpn(2)Cjp=1N∑n=1NCpn(2)然后再对四个波谱进行算术平均,便得到该测点的平均风压系数:Cpmean=144∑j=1Cjp(3)Cpmean=14∑j=14Cjp(3)风压系数非定常部分的均方根值也是先对每一波谱进行计算,再求四个波谱均方根的算术平均值,即:Cjprms=√1Ν-1Ν∑n=1(Cpn-Cjpn)(4)Cprms=144∑j=1Cjprms(5)Cjprms=1N−1∑n=1N(Cpn−Cjpn)−−−−−−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000(4)Cprms=14∑j=14Cjprms(5)3模型试验结果与分析3.1刚性模型周围开放，周围开放对风压系数的影响3.1.1膜结构设计指标图5为风向角为0°时四周封闭和四周敞开模型平均风压系数等值线图。与四周封闭模型相比,由于受屋盖内外风压共同作用,四周敞开模型平均风压系数变化程度有所加剧,尤其是背风面由于屋面上表面为吸力、下表面为压力,总的向上吸力大大增加,这在膜结构设计中应予以足够的重视。同理可得风向角为45°和90°时模型四周封闭和四周敞开对平均风压系数的影响,如图6、7所示。与四周封闭情况相比,四周敞开模型当风向角为45°时迎风面正风压区有所扩大,背风面屋脊近风处最大负压明显增大,这是由于屋面的几何外形突变而引起的流动分离造成的。当风向角为90°时平均风压系数比四周封闭时大幅度减少并出现了局部零风压区。这是由于此时屋盖上下几乎对称,而非零风压的存在是因为四周敞开模型结构上有四根立柱支承,干扰了风场,以及风场中的高湍流度所致。3.1.2动风压系数分布模型四周封闭和四周敞开对屋盖的脉动风压也造成很大的影响。图8为风向角为0°时四周封闭和四周敞开模型脉动风压系数等值线图。四周敞开时脉动风压系数比四周封闭时大大提高,数值上增加了一倍左右,对提高风振动力响应有最直接的影响。同样风向角为45°时脉动风压比四周封闭也有所增加,但风向角为90°时的脉动风压系数与平均风压系数有所不同,风压脉动值没有减少反而增加(图9),这是由于试验区内风场中的高湍流度引起的。3.2加速度和风向角本文对双坡屋面膜结构在四周封闭、四周敞开情况下的加速度风振响应进行了研究,根据所记录的不同风向角、不同风速下试验模型各个测点的加速度响应的时程数据,经处理后绘制成相应的加速度响应均方根值随风速、风向角的变化曲线(图10)。通过对比分析可以得出结论:(1)无论是四周封闭还是四周敞开模型,加速度均方根值σa都随风速的增加而增加。(2)四周敞开时的σa比四周封闭时要大得多,这与四周敞开时脉动风压比四周封闭时要大的结论相一致。(3)不同风速和不同风向角下各测点位置σa增加的程度并非相同,如风速为6m/s时测点2在风向角为0°时σa增加了1.636倍,而风向角为45°却增加了4.032倍;同样在风向角为90°时,测点5在风速为5m/s时σa增加了3.388倍,而在风速为6m/s时σa增加了5.212倍。这是由于四周敞开时考虑内外风压共同作用后总的风压发生了根本性的变化,导致了结构响应规律也发生了变化。4模型试验的结果分析本文解决了刚性模型在屋盖内外表面均布置测点的问题,能同时测到内外表面的风压值,为薄膜结构在四周敞开时提供了较为准确的动态风压的时间序列,为膜结构的抗风设计提供有用的风荷载数据。另外,按照气动弹性模型的相似准则,选用了超薄型加速度传感器,从而保证了气弹模型的可靠性。通过模型试验及分析,得到以下结论:(1)四周敞开情况下屋盖的平均风压系数除了在90°风向角有所下降外,在其余风向角均有不同程度的增加,尤其在背风面,上屋面受到吸力下屋面受到压力,总的向上的静风压明