摘 要：
具有質(zhì)量輕，柔性大的大跨度結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下十分敏感。因此，對此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識別，成為了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計的主控荷載之一。目前可以用來對大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進行識別的方法主要有以下幾種，風(fēng)洞試驗，數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場實測。但是這些方法都存在一些不足，采用數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗方法，可以提高風(fēng)洞試驗的精確度，這是一種較有效的進行風(fēng)荷載識別的方法。
關(guān)鍵詞：
大跨度結(jié)構(gòu)；風(fēng)荷載識別；風(fēng)洞試驗；數(shù)值模擬
中圖分類號：TB
文獻標(biāo)識碼：A
隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及新型的建筑材料的開發(fā)利用，土木工程建造技術(shù)也隨之得到飛速的提升。為了滿足人類多元化的交流、生活需求，需要打造出能提供較大空間的大跨度空間結(jié)構(gòu)。為此空間結(jié)構(gòu)向著，大跨度化、體型復(fù)雜化發(fā)展。也可以說，在建筑史發(fā)展方向上，土木工程的建筑結(jié)構(gòu)在空間上向著高層、高聳、大跨度結(jié)構(gòu)方面發(fā)展，在體型上涌現(xiàn)出一批造型獨特、外形復(fù)雜的建筑物�？梢哉f，建造復(fù)雜的、大型的大跨度空間結(jié)構(gòu)往往成為了一個城市發(fā)展的需要，往往也能反映出一個國家或城市，在土木工程建造技術(shù)水平方面水平及成果。
1 大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的主控因素
隨著新材料的利用和新工藝的發(fā)展，目前設(shè)計的大跨度空間結(jié)構(gòu)常采用的結(jié)構(gòu)形式主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。形態(tài)各異的大跨度空間結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建造大型的公共建筑物，如火車站、航站樓、體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、工廠車間等建筑中。這類結(jié)構(gòu)有些共同點，那就是質(zhì)量輕，阻尼小，柔性大，自振頻率較低等。因此該類結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載作用下的反應(yīng)非常的敏感。那么，對此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進行識別設(shè)計，成為了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計的主控荷載之一。我國又是全球少數(shù)受臺風(fēng)襲擊最嚴(yán)重的國家之一，通過大量資料表明，每年在我國發(fā)生的風(fēng)災(zāi)造成了眾多的人員傷亡和巨額的經(jīng)濟損失。那么，對這類大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計前，對這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進行有效的識別分析，顯得非常的關(guān)鍵。
2 大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用的特異性
風(fēng)荷載的識別是進行大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計、防災(zāi)減災(zāi)分析的基礎(chǔ)。然而，長期以來我國在大跨度空間結(jié)構(gòu)的理論研究方面主要側(cè)重于靜力作用下結(jié)構(gòu)的分析，對大跨度空間結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振反應(yīng)研究較少。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用的風(fēng)振系數(shù)，這些系統(tǒng)往往來源于對高層和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載研究中獲得。由于大跨度結(jié)構(gòu)與高層和高聳結(jié)構(gòu)的差異性，可以說通過這種方法獲得的風(fēng)振系數(shù)精度不高，甚至有些與大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)甚至是矛盾的。為了能保證結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計人員會選擇一個很保守的定義風(fēng)振系數(shù)的數(shù)值，這樣設(shè)計的大跨度空間結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)經(jīng)濟的效果，甚至有可能還會為將來結(jié)構(gòu)的安全埋下了隱患。總的來說，大跨度結(jié)構(gòu)與高層和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載差異性體現(xiàn)在如下幾個方面。
�。�1）風(fēng)荷載作用下的結(jié)果不同。高層建筑，由于結(jié)構(gòu)層間剛度及整體剛度均很大，那么這類結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下一般不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)問題，那么這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計時，重點放在分析其結(jié)構(gòu)強度及整體變形；對高聳結(jié)構(gòu)而言，雖然整體剛度較小，但是在風(fēng)荷載作用下，其振動具有很明顯的一維特性，結(jié)構(gòu)以順風(fēng)向和橫風(fēng)向的振動較為明顯，其設(shè)計與分析也相對簡單一些；對大跨空間結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載作用非常敏感。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下表面的風(fēng)壓分布不均勻，甚至有可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)動力失穩(wěn)問題。
（2）風(fēng)荷載作用下分析的維數(shù)不同。對于大部分高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)等，這類結(jié)構(gòu)設(shè)計時大多可簡化為一維受力結(jié)構(gòu)體系。大跨度空間結(jié)構(gòu)，進行風(fēng)荷載的設(shè)計，通常要在時間、空間上全面的分析，其作用是三維的。
�。�3）空間相關(guān)性不同。對高層、高聳建筑而言，其高度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方向尺寸，設(shè)計時只考慮沿建筑物高度方向的風(fēng)荷載的相關(guān)性，但是設(shè)計的大跨度空間結(jié)構(gòu)，其在長、寬、高三個方向的尺寸非常的接近，必須考慮三個方向風(fēng)荷載的空間相關(guān)性。
�。�4）結(jié)構(gòu)分析的節(jié)點多。為了增大結(jié)構(gòu)的跨度，大跨度結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件與桿件之間存在很多節(jié)點，其表面體型的復(fù)雜性，也決定了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)不同節(jié)點處風(fēng)荷載分布的不均勻性，所以要對每一個節(jié)點周圍處的風(fēng)荷載進行時域、空間的分析才顯得有意義。
3 常用的大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載識別方法
現(xiàn)代主要是通過研究自然界中的風(fēng)與建筑物和構(gòu)筑物的作用效應(yīng)，來進行結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究。換句話說，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究的重點就是對風(fēng)與建筑物和構(gòu)筑物產(chǎn)生的作用效應(yīng)分析，也就是對這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載效應(yīng)進行有效的識別。如已經(jīng)形成的理論有：近地風(fēng)的紊流效應(yīng)、鈍體空氣壓力，以及由風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動及風(fēng)振控制的研究。按照建筑物在風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)不同，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究可以分為兩個方面，一是針對高層建筑的風(fēng)荷載識別方法，二是適用于大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識別方法。
隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，較好的解決了高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載識別分析的問題。在高層建筑風(fēng)荷載識別方面，已形成了基于結(jié)構(gòu)彈性、線性和擬定常氣動力理論的風(fēng)荷載識別方法。但由于大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的特殊性，這些方法無法直接用于大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的識別。目前常用的基于大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識別方法主要有幾下幾種。
�。�1）風(fēng)洞試驗方法。風(fēng)洞試驗可以分為兩大類，分別是剛性試驗?zāi)Ｐ秃蜌鈩釉囼災(zāi)Ｐ�。基于剛性模型的風(fēng)洞試驗一般只需要精確的模擬建筑的外形，通過外形反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動力特性；基于氣動模型的風(fēng)洞試驗需要綜合考慮結(jié)構(gòu)物的外形、結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布以及阻尼特性這些反應(yīng)結(jié)構(gòu)動力特性的參量。通過在風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷慕⒅锌紤]這些動力特性參量，以達(dá)到有效的識別風(fēng)荷載。一般情況下，不做特殊要求的，大部分大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗選用的是剛性結(jié)構(gòu)模型。通過風(fēng)洞試驗，收集結(jié)構(gòu)測點的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)資料。利用計算機輔助軟件功能，可以提高風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)采集技術(shù)的效率。目前利用計算機控制下的多通道壓力測量系統(tǒng)，可以同時進行幾百個測點的瞬時脈動風(fēng)壓的收集。收集到的測點風(fēng)壓資料，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和加權(quán)的本征正交分解法對原始風(fēng)壓數(shù)據(jù)資料進行重組。分析前幾階本征向量的物理意義以及其對風(fēng)荷載的貢獻，通過前幾階起控制作用的本征模態(tài)風(fēng)荷載信息，可以很迅速實現(xiàn)對風(fēng)荷載的識別。 （2）數(shù)值模擬計算方法。該方法將流體力學(xué)理論（CFD，Computational Fluid Dynamic）和計算機模擬技術(shù)結(jié)合起來，可以通過計算機對風(fēng)荷載進行模擬識別，虛擬模擬出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓場分布并由此進一步計算出出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。隨著計算機模擬技術(shù)的普及應(yīng)用和數(shù)值分析方法的深入運用，風(fēng)荷載的數(shù)值模擬理論計算方法取得很大發(fā)展。在各種模擬方法中，以Monte.Carlo法和Orthogonal Decomposition法應(yīng)用較多，兩種方法中Monte.Carlo法更具優(yōu)勢。因此，工程上通常以Monte.Carlo法為基礎(chǔ)，結(jié)合Fourier變換和濾波方法，可以從不同的角度用隨機過程模擬風(fēng)速、不同的脈動風(fēng)速譜或風(fēng)壓時程。
（3）現(xiàn)場實測方法。其通過在屋面上布置傳感器，用來測量大跨度結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而達(dá)到對風(fēng)荷載進行識別，其基于在現(xiàn)場直接測量分荷載。
以上幾種方法，相互之間可以實現(xiàn)補充，另外也可以相互進行檢驗，其中以風(fēng)洞試驗方法應(yīng)用為主。但是該方法也存在不足，該方法的準(zhǔn)確性很大程度上受到測點布置方案的影響；數(shù)值模擬方法，由于其采用虛擬的手段模擬風(fēng)荷載，識別風(fēng)荷載。因此其可靠性和精確性還有待進一步檢驗；現(xiàn)場實測方法但由于該方法需要進行現(xiàn)場實測，該方法的可行性受到很大的限制，另外在實測過程中需要布置儀器，占用較長時間，因此目前該方法運用較少。
4 基于集成的數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗研究方法
雖然風(fēng)洞試驗是研究大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的主要方法，然而風(fēng)洞試驗過程中也有其不足之處。由于試驗之前尚不清楚結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布，那么測點的布置方案，試驗的周期安排只能靠研究人員根據(jù)經(jīng)驗來確定。特別是對于造型復(fù)雜的大跨度空間結(jié)構(gòu)，很可能會出現(xiàn)觀測點的數(shù)據(jù)采集周期，以及測點布置方案不太合理，導(dǎo)致風(fēng)洞試驗下無法對風(fēng)荷載進行有效的識別，體現(xiàn)在無法收集到準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)的參數(shù)和風(fēng)荷載分布參數(shù)。影響風(fēng)荷載識別精度，給后面結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計帶來安全隱患。
在工程上可以將數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗兩種研究方法集合起來，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，即形成了基于“數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗”方法來進行風(fēng)荷載的識別。首先利用數(shù)值模擬方法，虛擬出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布。該虛擬得到的風(fēng)壓分布趨勢，可以用來確定結(jié)構(gòu)表面的最不利的風(fēng)壓力分布區(qū)域。其確定的最不利風(fēng)壓分布，可以用來輔助工程人員在風(fēng)洞試驗中優(yōu)化測點的布置方案、指導(dǎo)試驗周期的安排，提高風(fēng)洞試驗的精確度。
參考文獻
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