风洞试验
建筑风洞试验就是对于外形比较复杂的风致敏感建筑,现行荷载规范中没有可供借鉴的体型系数,采用一定比例缩小的刚性模型,研究风荷载对于建筑的荷载作用。在刚性模型表面密布气孔,采用一定的风速作用于模型,根据各气孔承担的风压力,折算出此处的平均压力系数(=荷规中体型系数x高度变化系数)。 风洞试验一般出两个报告,《风洞测压试验报告》和《风致振动分析报告》,
《风洞测压试验报告》给出平均压力系数和极值压力,平均压力系数=体型系数X高度变化系数,主要用于整体结构计算,考察整体结构在风荷载作用下的受力状况,发现敏感部位;极值压力=体型系数X高度变化系数X阵风系数X基本风压,主要用于维护结构风力较大部位的计算。
《风致振动分析报告》给出等效静力风荷载,作为结构设计的风荷载取值,可以直接使用。关键是理清各分区数值的正负号、合理归并方便施加荷载。
报告中一般假定,作用于测量表面向板内的压力,为正值,背离测量表面向板外的吸力,为负值。
对于开敞的结构,比如体育场(以下都以体育场为例来说明),通常给出,作用于外表面的值和内表面的值。
外表面为正值,表示风对板有向板内的压力,即向体育场内部的压力; 外表面为负值,表示风对板有向板外的吸力,即向体育场外部的吸力; 内表面为正值,表示风对板有向板内的压力,即向体育场外部的压力; 内表面为负值,表示风对板有向板外的吸力,即向体育场内部的吸力;
要得到作用于体育场的向内的最大作用力,应该是取同一风向下,等效静力风荷载外表面的正值和内表面的负值绝对值相加;作用于体育场的向外的最大作用力,应该为同一风向下,等效静力风荷载外表面的负值和内表面的正值绝对值相加。然后综合得到某个分区某个风向下,向体育场内和向体育场外的最大值作为此分区此方向下的风荷载取值,就是可以直接施加的荷载值,单位kN/m2。
另一种表述为用外表面的数值减去内表面的数值,带着正负号,那么 若外表面为正,内表面为负,得到正值,即向内的最大压力; 若外表面为负,内表面为负,得到负值,即向外的最大吸力;
若内外表面数值等号,其作用方向相反,则抵消部分作用力,变小,不必考虑。 所以采用外表面数值减去内表面数值的方法得到的最大正负值就为所需数值。
一般为简化计算,可以将多个分区合并,将多个风向合并,根据建筑物外型特点,最后综合为比如4个风荷载工况,分别施加荷载。
这么说是有点绕,但是自己动手总结出来后,我自己是清楚明白了很多,也许您结合某个具体工程可能会清楚
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房屋高度大于200m时宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载;房屋高度大于150m,有下列情况之一时,宜采用风洞试验确定建筑物的风荷载:
—平面形状不规则,立面形状复杂;
—立面开洞或连体建筑;
—周围地形和环境较复杂。
高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件,满足舒适度要求,按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax不应超过下表的限值。必要时,可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax,且不应超过下表的限值。
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(1)首先要确定试验目的。是做刚性模型试验还是弹性模型试验,通 常工程应用多为前者;此外是仅测平均风压还是要测脉动风压,一般对于比较刚的结构仅测平均风压就够了,而对于相对较柔的结构(比如幕墙结构),则需要测脉 动风压;另外,是测整个结构的风压还是局部风压等等,这些问题都要事先确定好,必要时要多听听专家的意见。一般来讲,测试的要求越简单、项目越少,费用也 就越低。
(2)根据前面的具体要求,选择试验机构。这一点很重要,因为好的风洞试验室试验设备比较先进,而且那里有好多风工程方面的专家,这样就可以使你的试验数 据更准确、更可靠。目前国内在结构风工程方面比较好的风洞实验室有:同济大学风洞实验室和汕头大学风洞实验室等。这些实验室的条件可以说是国内一流的,当 然其费用也会相对的贵一点,而且由于到那里做实验的人较多,通常需要排队^_^。需要强调的一点是,对于建筑模型试验,最好选择大气边界层风洞,不要选择 航空风洞;因为航空风洞的试验段长度太短,对近地面自然风的模拟通常不理想。
(3)模型制作。一般来讲,模型制作可以委托风洞实验室人员来完成;不过有一些基本要求还是应该做到心里有数。比如,模型的缩尺、测压点的多少等。模型的 缩尺一般与风洞的试验段大小有关,太大了会影响风洞的阻塞度,太小了布测点比较困难;测压点的布置也比较有学问,通常在风压变化比较剧烈的区域要布置得比 较密一些。此外,还要注意在实际结构的周围有没有比较显著的建筑物或山丘等,如果有也要模拟出来,因为它们对会直接影响到结构表面的风场。
(4)实验方案的确定。包括试验风速、风向、时间等。这些可以与实验人员一起讨论完成。最主要的是不要丢项,否则等实验作完了再去补测就很困难了。
(5)有了上述准备工作,你就可以放心的吹了。不过,还不要掉以轻心,试验时要随时观察各项数据的变化,一旦发现有与原来设想不一样的地方就要及时查找原因,甚至对实验方案进行调整。
(6)实验数据的处理。这是一项技术性很强的工作,一般实验机构完成。他们会给你提供一份试验报告,包括具体的风压系数分布和设计建议等。不过要强调的一 点是,在进行具体的抗风设计时,千万不要完全依赖实验结果,要有选择的参考。因为在风洞实验结果中不可避免的包含了人员及设备的误差,而且就风洞实验技术 本身来说,目前也有一些不完善的地方。
好了,说了这么多,现在该是揭晓谜底的时候了。根据实验要求的不同、试验地点的不同以及结构的复杂程度,实验费用的差别较大,大约在5~15万之间。一般对于中等规模的风洞实验,其费用不会超过10万元。
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由于超高层建筑结构的特点,风荷载对于该类高柔建筑起控制作用,因此准确分析超高层建筑结构表面风荷载的分布机理就显得尤为重要[1-4]。本文依托于重庆某超高层项目,该项目由一栋超高层酒店办公综合楼、一栋超高层办公楼及一座多层商业裙房组成。其中,1号塔楼为酒店办公综合楼,结构计算高度为270m,最高层数为60层;2号塔楼为办公楼,其结构计算高度达到150m,商业裙房地上5层地下4层,整个商业中心属于超高层建筑群。由于风场的复杂性,建筑物整体和局部位置风荷载的取值缺乏规范依据。因此,本文重点研究其在考虑周边建筑群影响下的局部体型系数分布[5-7]。
1风洞试验简介
1.1试验设备与方法
本次试验风洞为一座串联双试验段回/直流边界层风洞,其低速试验段宽4.0m,高3.0m,长24.0m,最大风速大于30.0m/秒,高速试验段宽2.2m,高2m,长5.0m,最大风速大于80.0m/s,低速验段流场达到优秀边界层风洞流场标准[8-9]。
1.1.1测量系统及工作原理
进行风洞试验之前需要对风洞的来流风进行调试,调试中需要测量参考风速。本次试验流场的风速通过皮托管和微压计进行参考点风速和参考点静压的测量与监控。参考点位置一般选在不易受到模型干扰的位置,通常可以设置在模型结构顶部高度处或者梯度风高度处。本次风洞试验的测量系统的工作原理如图1所示。作用于建筑模型表面的风压力通过测压孔以及测压导管达到压力传感器,压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号后被记录下来,可以通过PC进行数据处理。每个测点的测得的压力值与参考静压值之差即为该测点的实际风压值。
1.1.2边界层模拟
该项目所处地面粗糙度类别为C类,即可知其大气边界层风剖面指数α为0.22,底部湍流度约为26%。试验中采用粗糙元和尖塔等模拟大气边界层,并使用热线风速仪系统,测量了大气边界层在模型附近的速度剖面和湍流度。
1.2试验模型
本次试验所用模型比例为1:300,总高度约0.9m,采用工业合成塑料板制作。由于该项目所在地建筑密度较大,因此本次试验模拟了以该超高层建筑为中心500m范围内的重要建筑,研究其遮挡条件下的体型系数分布。考虑到干扰建筑细部构造等对目标建筑的影响较小,因此周边建筑模型均只用简单的形状进行制作,表面也很平整光滑,仅反映周边建筑的主体轮廓。
1.3工况介绍
本次试验在有周边建筑与无周边建筑两种工况下分别进行了16个风向角的风洞试验,以每22.5度为一个工况子项,图4表示了各种试验工况风向角示意图,重庆的主导风向为北风,对应于试验工况中的270度。
2数据处理与结果对比
2.1体型系数
本次试验旨在研究体型系数在不同遮挡条件下的分布情况。为了与结构设计规范相一致,类似于局部体型系数定义,试验采集到的风压数据经过简单转换后以相对于同高度未受扰动的来流平均风压的无量纲给出,如式(1)所示。C軍Pi=P軈i1/2ρU2z(i)(1)其中,P軈i为模型表面任一点的风压平均值;ρ为空气密度;Uz(i)为i测点高度处来流平均风速。测得建筑表面有(无)环境建筑时目标结构各面在所有工况下的局部体型系数及在幕墙等构件设计时需要关注的考虑阵风效应的局部体型系数峰值。
2.2结果对比及分析
这里需要说明一下,图5、图6仅给出了典型工况下的结果,这是因为重庆地区主导北风为主导风向,其对应工况为270度风向角工况,因此本文着重关注该工况下的风压分布情况。根据数据结果分析可知:(1)1、2号测点的局部体型系数在迎风面中心处最大,从迎风面向迎风面角部区域,体型系数逐渐减小。这是因为,在建筑表面的中心处,来流风垂直冲击建筑表面,使该处获得最大的平均风压;从中心点向两个建筑上下端部,存在逐渐增强的流动分离作用,使得表面的平均风压逐渐减小。在建筑的两个侧面由于流动分离以及漩涡脱落的共同作用,使得吸力较背风面更大。(2)有周围建筑干扰时,各风向角下体型系数分布比较混ogyandMaterial乱,在周围建筑的高度范围内,迎风面考虑阵风效应的局部体型系数正峰值与无周围建筑干扰时相比有较大变化,遮挡效应比较明显,而转角处负峰值受周围建筑影响较大,会超过无周边建筑干扰时的情况。
3结论
(1)无周围建筑时,1、2塔楼体型系数沿建筑的周向分布以及各测点随着风向角的变化规律也是基本一致的,0度、90度、180度、270度风向角时表面风压基本相同,迎风面中间体型系数为正值,趋近于1.1。侧风面由于受到漩涡脱落的影响,体型系数要比背风面大,绝对值在前缘最大,大小与迎风面角部基本相等(2)有周围建筑干扰时,各风向角体型系数在遮挡高度范围内分布比较混乱。值得特别注意的是,在某些特定风向角下,目标建筑在遮挡条件下的风荷载体型系数反而较大,这可能是由于遮挡建筑的存在,使得来流中涡旋脱落而引起的。(3)在进行幕墙设计时,由于有周围建筑干扰,应分别参考有、无周边建筑两种情况,取绝对值较大的体型系数峰值。