土木工程结构风场实测及新技术研究的进展_申建红

振　动　与　冲　击
第27卷第10期
JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCK
Vol .27No .102008　
土木工程结构风场实测及新技术研究的进展
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578092)收稿日期:2007-09-14　修改稿收到日期:2008-02-24第一作者申建红男,博士生,1970年10月生
通讯作者李春祥男,博士,教授,博士生导师,1964年12月生
申建红
1,2
,　李春祥
2
(1.青岛理工大学土木学院,青岛　266520;2.上海大学土木系,上海　200072)
摘　要:土木工程结构风场实测结果是掌握结构风荷载作用机理和结构动力响应及破坏机理最直接的资料,也是
修正现有试验方法和理论模型最为权威的依据。

简要回顾了具有高柔低阻尼特性的高层建筑和高耸结构、大跨度桥梁和
大跨空间结构的发展,分析了土木工程风场实测对于结构抗风设计的重要意义。

对土木工程风场实测及实测新技术的研究进展进行了综述,提出了无线传感网络用于土木工程风场实测需要解决的关键技术问题。

关键词:土木工程结构;风荷载;台风;风场实测;新技术;无线传感网络中图分类号:T U 311 文献标识码:A
1　土木工程发展及风场实测的意义
随着世界经济和建筑技术的发展,世界范围内高
层建筑的高度及大跨结构的跨度成为许多国家经济实力的重要体现。

在世界前10位的高层建筑中,中国占了6栋(台北101大厦,508m;金茂大厦,420.5m;中信广场,391m;地王大厦,384m;中环广场,374m;中银大厦,369m ),上海环球金融中心(492m )的建造将使中国占世界前十位超高层建筑提高到7栋,中国已处于高层建筑迅速发展时期。

上世纪末,随着江阴大桥的通车,我国已成为继美国、英国、日本、丹麦和瑞典
之后第六位能够建造千米跨大桥的国家[1]。

我国已建成世界第三的大跨度悬索桥润杨长江公路大桥(1490m ),位居世界第三的大跨度斜拉桥南京长江二桥(628m ),位居世界第一的大跨度拱式桥上海卢浦大桥。

目前建设中的苏通长江大桥(1088m )、舟山西堠门大桥(1650m )、设计中的青岛海湾大桥(1640m )将使我
国成为特大跨桥梁建设的强国[2]。

改革开放以来,我国空间结构的技术水平也得到了长足发展,空间结构得到了广泛应用。

随着北京奥运会、上海世博会的申办成功,将建成一大批高标准、高规格体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑,如国家“鸟巢”体育场(340m ×290m )、北京新机场航站楼(长度1500m )、国家大剧院(212m ×144m )等等。

另外我国高耸
结构80年代以后也得到了迅速发展[3]
,全国各地相继建成了高度较高的电视塔、输电塔、微波通讯塔、测绘塔、导航塔、烟囱、水塔等等,高耸结构高度已接近600m 高度。

风灾是损失最严重的自然灾害之一。

据媒体报道,2004年北美的飓风造成2000多人死亡,直接经济
损失约500亿US D;“云娜”台风造成我国浙江省约
180人死亡,直接经济损失200多亿人民币;2005年美国“卡特里娜”、“丽塔”飓风造成逾千人死亡,经济损失高达700亿至1300亿美元之间。

同期我国东南、华南沿海地区台风造成数百人死亡,数十万间房屋倒塌和损坏,直接经济损失数百亿人民币。

随着结构体系、建筑材料、设计和施工技术的进步和建筑观念的更新,高层建筑和高耸结构高度、大跨桥梁和大跨空间结构跨度逐渐增大,工程结构逐渐呈现轻质量、高柔度和低阻尼特性。

高柔度和低阻尼特性致使结构风致动力响应明显增加,结构风灵敏性的提高致使结构风荷载的设计和风致振动响应的估计与控制成为结构工程设计面临的主要问题。

国内外关于地震作用下高层建筑结构响应、损失识别及结构安全等方面的研究远多于对频繁风荷载作用下结构的风致振动响应、疲劳损伤及舒适度设计的关注。

风洞试验是土木工程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[4,5]。

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[6-8]。

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　国内外土木工程风场实测研究的进展
土木工程风场实测涉及高层及超高层建筑、高耸结构、大跨桥梁、大跨空间结构、大型工业结构和低矮房屋风压、风速分布特征及其风致振动响应测量。

由于结构全尺测量难度大、费用高,因此世界范围内对于土木工程的风场实测研究相对实测数据库的完善和充实还很欠缺,尤其国内实测研究更是缺乏。

211　低层、高层建筑及高耸结构的风场实测研究
高层建筑和高耸结构的顺风向荷载和顺风向机理已基本清楚,基本建立了顺风向抗风的理论体系[6-8]。

随着建筑高度和柔性的增加及阻尼的降低,横向湍流脉动和旋涡脱落引起的横向振动将明显增大。

在尾迹旋涡脱落作用下结构受到周期性激励,当气固交互压力的斯切哈尔频率接近结构横向振动的特征频率时发生锁定现象(Lock-in),结构发生强烈的同步共振。

对于横向风振响应目前还没有理想的理论公式。

因此横向湍流脉动作用下的风场特性和风振响应主要依赖于结构风洞试验和现场实测信息的经验公式[9,10]。

高层建筑风压(风速)及风致振动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湍流特性及其动力响应,为结构在湍流风作用下横向振动的理论研究、结构抗风设计、幕墙设计、风致振动控制提供实测数据。

在低层建筑全尺测量方面,加拿大西安大略大学[11,12](W estern Ontri o University)、美国Texas Tech Univ.风工程研究中心均建有供长期实测的实尺模型[13],通过长期的实测获得了低矮房屋实尺寸模型的风荷载作用机理。

D.Surry对Texas Tech Building(30×45×13ft)进行了风洞模型和全尺风压测量的比较,在特定风功角下全尺实测的峰值压力较风洞试验值大,原因在于两者的阵风差异和实测风的非平稳性对峰-均比的扩大效应[14]。

随后H isashi Okada等人也对该建筑进行了全尺测量和缩尺风洞试验[15],比较分析了风洞缩尺效应和湍流密度及压力测量系统的频率响应对平均压力系数、峰值压力系数及根方差压力系数的影响。

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[16]。

试验研究表明:除迎风屋面局部区域外风洞试验和全尺测量的平均风压系数具有很好的一致性,而风洞试验测得的根方差及峰值压力系数要比同点实测值小,而主要的原因是由于风洞模拟的湍流强度比实测湍流强度小,另一个原因是压力测量系统频率响应的影响。

而风洞缩尺比对于测量结果没有太大影响。

因此通过改善测试系统频率响应、提高风洞湍流强度模拟的准确性可获得一致性测量数据。

1965年11月1日英格兰Ferrybridge发电站8个冷却塔中三个因风致振动倒塌[17],引起了人们对冷却塔等高耸结构的广泛研究[17],研究内容涉及高耸结构表面时变风荷载及其空间分布、脉动风荷载的动力响应[18,19]。

同时展开了高耸结构风场实测和风致振动响应实测研究。

由于平均风压产生静态效应,而脉动压力产生动力响应,不同几何形状和柔度对结构风荷载分布及峰值振动响应有明显的影响,因此围绕不同形体结构用于动力响应估计的脉动压力特征成为实测的主要内容。

M ir os Pirner基于模型和现场实测获得了一双曲冷却塔脉动风压的功率谱密度、根方差压力的分布压力相关函数和用于结构动力响应计算的相干函数,并得出在塔的迎风面脉动压力不完全服从高斯分布[20]。

S.Ka wa mura等人对三角形平面的钢管烟塔(177.5m)进行了全尺测量,研究表明平均压力系数和拖曳力系数接近或小于风洞试验结果,而脉动压力没有准确的周期性[21]。

超临界雷诺数区域的风压特征很难在风洞试验获得,因而实验数据非常有限。

Sat oshi Snanada等人对200m混凝土烟囱在台风和季风作用下进行了实测,获得了超临界雷诺数区域的风压特征和振动响应,证实了旋涡的交替脱落和横风振动[22]。

大量实测结果对风洞试验数据起到了补充完善作用,但某些方面具有一定的分散性,可能与结构形式和试验条件有关。

国外针对高层建筑风压分布特性和风致振动响应进行了大量全尺测量研究[23-25]。

Y.lee等人针对一20层建筑进行了考虑建筑内外压差和温度梯度(烟道效应)及机械通风影响的墙面风压分布,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[26],实测的共同目的是获取静态和动态风压特征,测量最大高度不超过150m,平均测点为13个,平均侧面为3个,实测项目包括平均风压系数、根方差风压系数、脉动风压的概率密度分布、脉动风压的阵风或峰值系数、功率谱密度和互谱密度。

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。

而国内针对(超)高层建筑风压实测及风振响应实测始于1973年,首先在广州宾馆(27层)上进行了实测。

1974年12月在广东省佛山市专门召开了高层建筑风压、风振实测研究工作总结和协调会议。

70年代后期,由我国原水电部西安热工研究所在广东茂名对高90m的双曲冷却塔进行了实测研究[27]。

80年代后期,由我国原能源部西安热工研究所对北京石景山发
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电厂高120m的1号和2号双曲型自然通风冷却塔进行了塔面风压分布的全尺测量[28],实测获得了塔面风压系数的分布和来流方向对塔面压力分布的影响,为我国高耸冷却塔结构的抗风设计积累了实测资料。

进入90年代的实测研究主要集中在高层建筑台(强)风作用下的风速及动态响应实测[29-36]。

对于高层建筑风荷载特性研究而言,湍流风产生结构脉动风压的统计信息较平均风压更为重要。

由于墙角气流的分离出现明显的边缘不连续性,最大峰值负压系数明显增大,强风动压作用下易产生高层建筑的幕墙破坏。

钝体绕流将发生高层建筑边缘处的漩涡脱落并激发横风向振动,对于矩形和方形断面的高层建筑,来流紊流对脱落漩涡过程产生重要影响。

尽管国内外进行了许多高层建筑实测研究,但受试验条件限制,对高层建筑表面脉动风压分布特征数据的准确性、可靠性还需更多的实测研究加以提高、充实,同时对高层建筑群楼间干扰效应的实测也存在研究的意义。

212　大跨桥梁的风场实测研究
1940年以前的120年间,至少有11座桥毁于强风。

1940年11月,美国华盛顿州建成才4个月的塔科马(Tacoma)峡谷悬索桥的风毁倒塌引起颤振的理论研究和试验的高度重视。

1940年以后的40年里,在桥梁专家和流体力学专家的不懈努力下,逐渐建立了桥梁抗风的基础理论。

W agner(1921)最早提出了时变非定常气动力的概念,Theodors on(1935)建立了薄翼在非压缩流中的非定常气动力表达式,B leich(1948)提出将Theodors on的平板颤振理论用于桥梁颤振理论。

随后日本学者Sakata(1966)和美国学者Scanlan(1966)发表了基于实测气动导数的桥梁颤振理论研究论文,Scan2 la和Tomko(1971)提出了区别于机翼颤振的由负阻尼驱动的分离流扭转颤振理论,为桥梁颤振理论的建立奠定了基础[37]。

悬索桥的颤振分析导致了二维颤振理论的建立。

随着大跨斜拉桥的出现,适用于悬索桥分析的二维颤振理论却无法解决斜拉桥扭转变形和弯曲变形的强烈耦合问题。

同济大学率先提出并解决了这一难题,并发现了斜拉桥的多振型耦合颤振现象,为斜拉桥三维颤振理论的建立奠定了基础。

伴随着桥梁工程的理论研究,风洞试验技术、数值风洞和数值模拟技术得到了迅速发展。

桥梁风场实测作为桥梁风工程研究的主要方法之一由于难度大、费用高,通常与桥梁健康监测系统组成WASHMS(W ind And Structural Health Monit oring Syste m)。

实测数据可用于风致振动响应分析和数值模拟,也可作为桥梁风洞试验和桥梁抗风设计的验证。

位于大气边界层内的湍流风由于时空变化特征会引起桥梁结构颤振、迟振、抖振和涡激振动。

强(台)风作用下桥梁风场同步实测为结构风致振动分析提供有效数据。

影响结构风致振动的风特性参数主要有风剖面、湍流强度、湍流积分尺度、湍流分量的功率谱密度和空间相关性。

然而在桥梁风场参数的实测方面由于费用较高且难度较大,因此桥梁风场实测的研究较少。

英国的f oyle桥、elintshire独塔斜拉桥、挪威的Skarn2 sundet斜拉桥、美国的Sunshine Sky way B ridge斜拉桥、加拿大的Confederati on B ridge桥均安装了风-桥健康监测系统,在进行健康监测的同时同步进行风场实测。

T.M iyata等人对日本Akashi-Kaikyo大桥也进行了台风期间全尺测量[38],通过风速测量分析了纵向脉动风速的功率谱密度和空间相关性,采用GPS测量了桥面板的静态和动态横向侧移。

我国自90年代起也在一些大型桥梁上建立了不同规模的结构监测系统。

WASH MS是安装在青马大桥、汲水门桥和汀九桥上的一个监测系统,其中青马大桥上安装了6个风速仪、24个单向伺服式加速度传感器用于风场实测和抖振加速度响应实测。

在台风森姆(Sa m)登陆前后,同步测得了台风森姆(Sa m)的风场特性和抖振加速度响应,并与理论计算进行了对比分析[37]。

湖南大学的陈政清教授在大跨桥梁的风场实测和风致颤振的理论研究方面做了大量富有成效的工作。

陈政清教授的科研组先后在南京长江大桥、岳阳洞庭湖大桥等桥上建立了长期健康监测系统并进行了长期的现场实测,在斜拉桥风雨场实测和风雨振动控制方面取得大量研究成果[39-41]。

基于现场同步风场实测和风致振动响应的比较分析,是对理论分析可靠性验证的有效手段。

随着国内众多特大跨桥梁的建设,WASH MS将逐步完善并发挥重大作用。

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。

通常将空间结构按形式分为薄壳结构(包括折板结构)、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构,空间结构正向着超大跨度、柔性体系发展。

空间结构的风场分布特性、风致振动效应、流固耦合作用将成为空间结构抗风研究的主要方向。

目前的抗风设计仍依据现有规范给出的平均分压分布和风洞试验进行分析。

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。

M.Yoshida等人[42]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[43]。

国内陈伏彬等人对广州会展中心钢屋盖自振特性和常
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第10期 申建红等:土木工程结构风场实测及新技术研究的进展
风状态风效应进行了实测研究[44]。

然而,由于费用的昂贵和测试的难度,国内外关于空间结构风场实测的研究极少。

3　土木工程风场实测新技术研究的进展
土木工程风场特性实测包括风速、风向测量和结构构件表面风压测量。

风场实测系统一般由传感器、数据传输、数据采集和数据处理分析部分组成。

311　土木工程风场实测传感器现状
实测风速风向传感器经典的主要有电接电传风向风速仪、风杯式风速计、螺旋桨式风速仪。

此外随着探测技术的研究发展,热线风速仪、电子微风仪、三维超声风速仪等新型测风仪器不断开发并广泛应用。

由于风压属于微压范畴,影响因素较多,诸如温度、防水、参考压力的稳定性、安装方式、数据传输方式等等。

用于风压实测的压力传感器几乎没有合适的产品,因此需要定制。

压力传感器是广泛应用于工业实践中的一种力敏传感器。

目前根据测压原理用于压力测量的传感器有电阻应变片压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、光纤压力传感器。

电阻应变片式压力传感器将应变片粘贴在弹性体表面,随弹性体敏感元件变形而改变阻值,通过阻值变化将引起敏感元件变形的压力转换为电压或电流信号。

由于引起弹性体变形的压力较大,因此一般用于较大压力的测量。

压阻式压力传感器是利用固体本身的压阻效应将引起固体阻值变化的压力转变为电信号。

通常采用硅膜片作为核心部件,在较低压力变化时有较高的频率响应,因此具有结构简单、频响高、体积小、灵敏度高、输出电平大等优点,同时可用负压测量,因此是风压等微压测量的理想传感器。

谐振式压力传感器是用压力变化来改变谐振元件频率,通过测量频率变化间接测量压力,而低频微压较难引起谐振子刚度变化。

电容式压力传感器利用压力改变电容器两极板间距离从而引起电容的变化来反映压力变化。

具有较好的温度稳定性和较高的频率响应,可用于测量动态微压,但易受外界干扰、输出非线性、寄生电容影响大且不便于测量负压。

电感式压力传感器是利用作用在膜片上的压力通过改变空气气隙的大小从而改变固定线圈的电感,将电感的变化转变为相应的电压和电流输出。

由于其体形笨重、频率响应低,因而不适宜风压实测。

压电式压力传感器基于压电材料的压电效应将压力转换为电信号输出。

压电式压力传感器具有频带宽、灵敏度高、信噪比高等优点,但其由于压电系数较低不适宜微压测量,且不能测量负压及静态压力。

光纤压力传感器是利用光纤的光敏特性将被测物理量通过光纤波长的变化体现出来,具有较高的抗干扰能力和灵敏度,可同时测量多个物理量,但只能用于较高压力测量且不能测量负压。

通过以上分析用于风压实测较合适的传感器只有压阻式压力传感器。

312　土木工程实测新技术研究进展
土木工程风场实测结果是掌握结构风荷载作用机理和结构响应及破坏机理最直接的资料,也是修正现有试验方法和理论模型最为权威的依据。

因此,实测系统的有效性、准确性和可靠性是保证实测数据详实准确的前提条件,同时测试系统安装调试的简便性可促进土木工程结构风场及振动响应实测研究的广泛开展。

因此先进的测量系统和数据传输、处理系统是研究土木工程风压分布特性及振动响应的有效手段。

通过相关文献分析,风压实测方法大体分两种情况,一种方法为齐墙埋管式单管或多通路差压测量系统[14,15,23-25,42,43],基本采用了早期风洞试验的测压原理,这种方式一方面需要墙面开孔进风有损墙面,另一方面由于测压系统需要布置大量的管线,因此限制了测点的布置。

另一种方法为前端压力传感器将风压转换为模拟信号通过线路传输至数据采集仪经模数转换进入数据处理系统[22]。

前者需要对测压管路系统引起的风压脉动信号畸变进行调制。

这两种测量方法对于服役期间高层建筑、高耸结构和大跨结构而言均存在布线、仪器安装、系统调试等多方面的困难,因此大大阻碍了土木工程风场实测的研究进展。

基于因特网技术的多地区风场和建筑结构风致响应的远程监控系统为多地区台风风场和风致响应的远程实测提供了有效途径[45,46]。

无线传感网络与无线传输技术的发展为重大工程结构健康监测及信号传输提供了有效手段[47-51],同时也为土木工程在极端条件下风场实测提供了有效途径。

土木工程风压属于微压范畴,且具有脉动风压特征,因此压力传感器应选用微压量程、具有较高频响的智能压力传感器,目前比较合适的是扩散硅压阻式传感器。

光纤布拉格光栅(简称F BG)传感器测试系统具有可靠性好,抗干扰能力强,测试精度高,可进行多点分布式测量的优点,但目前对微压的敏感度和微压负压的测量还需进一步研究,且仍需繁琐的设备布线。

由于其后端(信号解调系统)费用较高,对于测点少的工况将发挥不出明显优势。

因此在高层建筑风压实测中的应用还需进一步的研究。

无线传感器网络将是土木工程风压(风速)及振动响应实测的发展趋势,目前国内外研究较少。

所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量廉价小型或微型的智能传感器节点协作实时感知、监测各种环境或目标对象信息,通过嵌入式系统对信息进行智能处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传递到用户终端。

无线传感器网络由无线传感器(检测单元、处理单元、无线收发单元和
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