第六章：结构静力风荷载风洞试验

管的长度就越长
@ 毛细管的长度和直径对管
路的频响特性影响较大
@ 毛细管太长或太细会使脉
动压力的高频成分衰减过 大 z 根据空气动力学原理进行理论修正
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.4 模型制作原则
¾ 几何相似
z 严格模拟被测建筑结构（主建筑）的外形 z 需要模拟以主建筑为中心300~500m半径范围内的周边环境
z 以梯度风压为参考风压的无量纲平均风压系数
CPmean = ( Z r H G ,i )
2α i
CPr mean
z R年重现期对应的各测压点处的实际平均风压值
pmean,R = CPmean wG , R
ˆ —用于围护结构及其覆面 的设计 ¾ 最大瞬时风压系数 C p
z 阵风风压系数 C pGust
¾ 建筑物高度处的风压
z 不同测点统一 z 受地形地貌、甚至风向影响
¾ 梯度风压
z 不同测点统一 z 不受地形地貌类别影响
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算
¾ 平均风压系数及平均风压
z 以试验参考点处的动压为参考风压的无量纲平均风压系数 @ 单面测点 @ 双面测点
6.1 刚体模型测压试验
6.1.2 测量系统（续）
¾ 风速测量（续）
z 热线/热膜风速仪系统 Æ 紊流场调试
DANTEC公司生产的StreamLine热线/热膜风速仪系统
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.2 测量系统（续）
¾ 风压测量
z 测压管Æ压力导管Æ压力传感器Æ A/D采样板Æ PC机（信号采集
当 C pmean ≥ 0 当 C pmean < 0
CP max = CPmean + kCPrms
CP min = CPmean − kCPrms
k=2.0~4.0
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
¾ 最大瞬时风压（续）
z 需要考虑内压
最大瞬时风压系数 ~ 简单
~ 易受干扰等不确定因素影响 ~ 离散性较大
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
ˆ （续） ¾ 最大瞬时风压系数 C p
z 极值风压系数 C p max , C p min（续） @ 极值概率分析法 ~ 整个时域信号样本划分为一系列子样本 ~ 找出每个子样本中的极大值和极小值 ~ 极大值和极小值风压系数都服从某种极值分布（如极值I型） ~ 通过概率分析估计出整个样本的极值风压系数 ~ 数据处理上相对较为复杂
程序及数据处理）
静压导管 风洞顶壁 U 总压导管 总压 静压 测压管 测压模型 迎风面测压孔 风洞底壁 背风面测压孔 皮托静压管
气 流
基准静压 正压
q＝ρU 2/2
p1>0
负压
p2<0
压力导管
压力传感器系统
模拟 信号
A/D 转换
PC 采样、分析
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
高频成分发生显著衰减
z 金属夹扁管 @ 制作复杂 @ 内径难以控制，容易偏大或偏小，甚至堵塞 @ 较少采用
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.3 测压管路的管腔共振现象及对策（续）
¾ 对策（续）
z 加长串接的等截面毛细管 @ 位置应尽量靠近传感器 @ 测压管路越短，所需毛细
Æ 感兴趣的模型系统频率上限 Æ 放大2‾3倍作为采样频率的下限
¾ 采样时间
z 以样本原型时间长度不小于10min为宜 z 根据时间比计算模型所需的样本长度
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.10 参考风压的选择
¾ 测点高度处的风压（当地风压）
z 不同测点各不相同 z 受地形地貌、甚至风向影响
CPr mean =
CPr mean
p ⎛ Z rm ⎞ ⎜ ⎟ qrm ⎝ Z m ⎠ 2(α −α i ) pO − pI ⎛ Z rm ⎞ = ⎜ ⎟ qrm ⎝ Z m ⎠
2(α −α i )
p — 为试验中测得外表面风压时域信号p(t)的平均值
pO — 为试验中测得上或外表面风压时域信号pO(t)的平均值
ˆR z 围护结构和覆面设计标准风压值 p
ˆ + ψ )w ˆ R = (C p P G,R
ˆ —最大瞬时风压系数 C p
ψ
—以梯度风压为参考风压的内压修正系数
@ 对于封闭结构： ψ = ±0.2 ( Z HG,i )
2αi
ˆ 相同 ， 符号与 C p
@ 对于敞开结构： 无需内压修正，即 ψ =０
结构抗风试验
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.8 试验风速与风向
¾ 确定试验风速依据
z 压力传感器的量程和灵敏度 z 风洞试验风速范围 z 模型的实际刚度、强度和安装情况 Æ不出现明显的振动现象 z 可以通过预试验的方法确定 z 常用试验风速为10~20m/s （2.5kPa传感器）
z Scanivalve公司RAD3200型电子式压力扫描阀系统
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.3 测压管路的管腔共振现象及对策
¾ 管路中的脉动压力传输
z 压力波方式 z 测压管路较短时 @ 压力波在管端将发生反射，
增益
R1=0.54mm，R2=0.80mm，R3=0.54mm， L1=30mm，L2=1000mm，L3=20mm，V=650mm3
ˆ =β C C P gz Pmean
βgz —阵风系数，与地貌类别和离地高度有关
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
ˆ （续） ¾ 最大瞬时风压系数 C p
z 极值风压系数 C p max 、 C p min @ 直接法：直接利用风压系数时域信号中的最大或最小值作为
Ue/ν>400 且 e/D<0.01, ν＝1.5×10-5m2/s
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.6 测压点布置原则
¾ 原型结构每120m2表面内不少于1个测压点 ¾ 根据建筑物表面形状不均匀地布置 ¾ 需要加密的部位：风压可能急剧变化的部位
z 靠近边缘 z 靠近凸起部位 z 曲率较大部位 及其附近
布荷载
@ 平均风荷载 @ 脉动风荷载 六：结构静力风荷载风洞试验
结构抗风试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.1 概述（续）
¾ 应用
z 建筑物幕墙、屋盖等覆面设计－瞬时风荷载 z 主结构设计静力风荷载－平均风荷载 z 结构风致振动响应分析（动力风荷载、振动位移、舒适度）
－脉动风荷载
z 桥梁断面的气动力系数、气动导数、气动导纳等参数识别
6.1 刚体模型测压试验
6.1.1 概述（续）
¾ 相似准则
z 几何相似（λL） z 一般无需模拟结构本身的刚度、质量和动力特性 等 z 对于紊流场试验，还需要 @ 刚性支撑满足时间和频率的相似性 （λt、λf） @ 脉动风特性：紊流度、功率谱等 z 弹簧悬挂节段模型振动试验结构：频率和质量相似 （λM、λf）
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
¾ 最大瞬时风压（续）
z 阵风风压 ：
ˆ k , R = pGust , R = C pGust wG , R＝( β gz CPmean + ψ ) wG , R w
儿墙等
@ 敞开式结构的顶棚、墙 z 同步测量 z 两面的外形均需要模拟 z 测压管和压力导管应埋入敞
开部件内部
z 敞开部件较薄，厚度模拟可适当放松
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.5 雷诺数效应
¾ 对于光滑曲面部位，需要进
行适当的表面粗糙化处理
z 磨砂 z 粘贴绊条或绊线 :
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.2 测量系统
¾ 风速测量
z 皮托管＋微压计 Æ 试验流场的参考风速
水柱调节转盘 水柱刻度表
静压管接口
沿截面圆周均匀分 测压管 布的 8 个静压孔
水柱指示线
总压管接口
托柄
风
ຫໍສະໝຸດ Baidu
静压接口 总压接口
平衡观察窗
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
并与入射波叠加形成驻波
频率（Hz）
@ 驻波频率与管路系统固有
相位
实测值 计算值
频率接近时就会产生管腔 共振，形成压力共振峰
频率（Hz）
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.3 测压管路的管腔共振现象及对策（续）
¾ 对策
z 加长测压管路 @ 反射波衰减 Æ 避免管内驻波的形成 Æ 消除管壁的共振现象 @ 管路系统的固有频率显著降低 Æ 低通滤波器 Æ 压力信号中的
第六章内容
6.1：刚体模型测压试验 6.2：刚体模型测力试验
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.1 概述（续）
¾ 主要对象
z 低矮建筑 z 桥梁构件 z 高层建筑 z 其它构筑物 z 体育场馆 z 会展中心
¾ 目的
z 确定结构物表面局部风压（系数） @ 平均风压（系数） z 确定结构体型系数 z 确定大跨结构物设计的面分布荷载 @ 平均风荷载 @ 脉动风荷载 z 确定线型结构物（高层建筑、高耸结构、大跨桥梁）设计的线分 @ 脉动风压（系数）
z 试验过程中不发生显著的振动现象
¾ 常用材料
z 主建筑模型：有机玻璃、木材等 z 周边模型：有机玻璃、木材、ABS塑料、泡沫塑料等
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.4 模型制作原则（续）
¾ 双面测压
z 内、外或上、下两面均暴露受风的建筑物构建 @ 体育场屋盖 @ 建筑物的雨蓬、屋檐、女
6.1.2 测量系统（续）
¾ 风压测量（续）
z Scanivalve公司DSM3000型电子式压力扫描阀系统
CPM3000电磁 阀控制单元 含486微机的数 据采集系统
SPC3000伺服压 力校正系统
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.2 测量系统（续）
¾ 风压测量（续）
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.4 模型制作原则（续）
¾ 几何缩尺比确定
z 风洞试验段和建筑群的尺寸
堵塞度 = 建筑群模型顺风向投影面积 ≤ 5% 风洞试验段截面积
z 主建筑内部空间和扫描阀模块的数量、尺寸 z 适当考虑风洞流场和实际流场之间的紊流积分尺度比
¾ 刚体模型
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.1 概述（续）
¾ 基本方法
z 刚性不变形体的全模型或节段模型 @ 刚性支撑 @ 弹簧悬挂 Æ 振动试验，识别气动导数 z 压力传感器系统 z 流场 @ 均匀流场 @ 格删紊流场 @ 模拟大气边界层风场
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
ˆ （续） ¾ 最大瞬时风压系数 C p
z 极值风压系数 C p max , C p min（续） @ 峰值因子法 —建立在峰值因子概念基础上的一种统计分析方法
⎧ ⎪CPmax ; ˆ CP = ⎨ ⎪ ⎩CPmin ;
pI
— 为试验中测得下、内表面风压时域信号pI(t)的平均值
qrm — 为试验中测得参考点动压平均值
αi — 目标平均风剖面幂函数指数 α — 为模拟平均风剖面幂函数指数
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.11 风压系数及风压的计算（续）
¾ 平均风压系数及平均风压（续）
¾ 风向角
z 范围：0°~360° z 间隔：10°~15° z 局部加密 z 地形地貌类别过渡区应重复2个风向角
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.9 采样参数
¾ 采样频率
z 尽可能高 z 上限受压力扫描阀系统的性能限制 z 根据所关心的原型结构和流场的频率的上限 和λf
¾ 面积较大的平缓区域的中央部分，测点密度可适
当低一些
结构抗风试验
六：结构静力风荷载风洞试验
6.1 刚体模型测压试验
6.1.7 试验参考点位置
¾ 作用：监测和控制试验参考风速 ¾ 选择原则：
z 流动受风洞底壁和模型干扰足够小 z 能反映主建筑位置处来流特性
¾ 常用位置：
z 模型中心所在风洞横截面上 z 不受模型干扰且离开风洞洞壁边界层足够远的区域中 z 竖向位置可略高于主建筑的顶部