基于现场实测的大跨度空间结构表面风荷载特性研究

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获取建筑表面风荷载特性的主要方法有数值模拟、风洞试验模拟以及现场实测。虽然每种方法都有着各自的优缺点,但现场实测作为最直接也是最为基础的研究手段,是检验其他两种方法可靠程度的标准。对于现场实测中价值较高的表面风压实测,目前的实测试验都存在或多或少的不足,且尚无可以应用在大型屋盖表面的风压实测系统。因此选择合适的传感器,并研发满足实测要求的数据采集系统是进行大跨度屋盖实测研究的一个必要条件。本文首先从设备开发入手,参考了已有的实测系统的优缺点,设计了一套适用于大型屋盖的风荷载实测系统。该套系统可以实现大面积、高采样率的长时间连续同步数据采集,满足大跨度屋盖风荷载现场实测要求。为了确保系统测量到的数据真实可靠,本文对该套系统的各项性能进行了试验探究和参数标定。其次,由于目前鲜有大跨度屋面的大规模风荷载实测试验,实测系统在实际工程上的应用方法尚无参考。本文从实测准备阶段开始,系统性的针对实际应用中可能会遇到的问题提出了相应的解决方法。在测点布置中,本文通过以二分法为基础的风压测点网格加密方法,实现风压测点的合理布置。对缺失风压数据进行重建时,使用BP神经网络可以非常准确的重建中长周期的脉动风压。此外,通过BP神经网络还可以实现风压数据的快速空间插值,从而实现可视化风压云图的实时更新。再者,本文将风荷载实测系统应用于一个外形相对标准的大跨度屋盖表面,一方面验证了本文设计的实测系统的性能,另一方面也探究了大跨屋盖表面的实测风荷载特性。本文对实测风速风压特性进行了分析,并与不同的荷载规范的规定值进行了对比。结果表明我国规范B类地貌下的湍流度规定值严重低估了实测40m高度处的风速湍流度,在估测坡度较为平坦的双坡屋面的局部风压系数时,宜根据欧洲规范计算阵风系数,且背风侧的数值应加以适当的提高。通过对实测数据的相关性进行分析可以发现,无论是脉动风速还是脉动风压,在屋盖表面均出现了按平均风速迁移的现象。而随着漩涡的推进,其相关性特征也在逐渐变化。当距离较近时脉动荷载之间会出现明显的相关性,并且含有一定的行波效应;当测点距离大于100m时,可认为测点之间相关性较弱,两点的脉动风荷载是相互独立的。因此在进行后续的风振响应分析时,应将脉动风荷载的时空相关性特征加以考虑以得到更接近实际的结构响应。最后,本文以浙江大学文体中心(浙大体育馆)为实测对象,进行了季风风场下长时间的多次实测,由于实测样本数量较多,本文从统计角度研究了风场特性和表面风压特征,并与风洞试验进行对比分析。实测平均风压系数与风洞试验结果有一致的趋势,大部分风向角下实测结果基本处于风洞试验的包络值之中,但几乎所有测点处的实测脉动风压都大于风洞试验结果。近球面的浙大体育馆的大部分屋盖属于并未受漩涡脱落影响的区域,风压功率谱中频突出;而屋脊部分明显受到了漩涡脱落的影响,风压功率谱高频突出。风洞试验可以很好地模拟脉动风压的中低频信息,对于由局部特征湍流引起的高频脉动风压,风洞试验低估了其能量。如果采用风洞试验结果设计尖锐边缘后方1Om~20m区域的极值风压,宜在试验结果的基础上进行适当的放大。本文通过自主设计的无线传感实测系统进行了大量的风荷载实测试验,获得了大跨度屋盖表面风荷载的第一手实测数据,并将实测结果与风洞试验进行了对比研究。本文的研究思路和实测结果均可为未来大跨屋盖结构的抗风设计提供有效的参考。
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