4-风洞试验

15:19:444结构风洞实验4.1风洞试验目的结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结构的体型系数和风振系数。风压分布、体型系数：刚性模型侧压风洞试验；动力效应、风振系数：气动弹性模型风洞试验。15:19:444.2风洞实验主要设备主要设备：风洞是进行实验的主要设备，进行实验还需要风速、风压、气动力等测量设备。实验模型：用于实验的结构模型必须遵循一定的相似准则；风场模拟：风洞模拟的风场必须反映实际的大气边界风场的主要特性。15:19:444.2.1、试验风洞结构抗风研究风洞：低速大气边界层风洞，其气流的马赫数Ma≤0.4，忽略空气压缩。另外，实验段较长，可在实验段中加设必要的装置模拟出地表风速。风洞有回流式风洞和直流式风洞两种。和回流式风洞相比，直流式风洞占地小，造价低，但噪声大，实验段风速的品质会受到风洞进、出口处外界大气的干扰以及实验段的压强低于洞外大气压强等。15:19:44回流式风洞全景图15:19:44（1）试验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片；（4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。回流式风洞构成15:19:44回流式低速大气边界层风洞构成（1）实验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片；（4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。15:19:4415:19:44国内主要风洞同济大学风洞：有大、中、小三座边界层风洞，总体规模居世界前列，其中TJ-3号风洞为世界同类风洞的第二位。TJ-1：直流闭口式，实验段1.8m高×1.8m宽×14m长，风速1～30米/秒。15:19:44TJ-2：实验段高2.5米×宽3.0米×长15m，风速3～67米/秒。15:19:44TJ-3：实验段2.0米高×15米宽×15米长，风速0.5～17米/秒。15:19:44湖南大学风洞2004年6月建成，占地2000m2，建筑面积3200m2。风洞全长53米、宽18米，为低速、单回流、并列双试验段的边界层风洞。高速试验段高2.5米×宽3米×长17米，试验段风速0～60米/秒连续可调。低速试验段高4.4米×宽5.5米×长15米，最大风速不小于16米/秒。15:19:44汕头大学风洞实验室1996年11月，风洞主试验段宽3米×高2米×长20米，最高风速达45米/秒。长安大学风洞实验室建筑面积1600余平方米，投资约1200万元，于2004年7月建成。风洞为回、直流两用构造型式，试验段宽3.0m×高2.5m×长15.0m。15:19:44北京大学风洞宽3米×高2米×长32米直流式大气边界层风洞15:19:44哈工大风洞与波浪模拟实验室单回流闭口双试验段构造。风洞小试验段入口截面宽4.0m×高3.0m×长25m，空风洞最大风速44m/s，主要用于单体建筑和建筑群的流场显示、测力、测压等试验。风洞大试验段入口截面宽6.0m×高3.6m×长50m，最大风速25m/s，主要用作风环境试验和桥梁模型试验。大试验段底板可开启，下设水槽，水槽宽5.0m，深4.5，长50m，最大工作水深4m；另在水槽中部设有一10m长，5m宽，22m深的深井，主要用于深海海洋平台研究。15:19:44中国空气动力研究与发展中心：最全，绵阳低速所FL-13直流风洞：宽8m×高6m×长15m/宽12m×高16m×长25m，其转盘直径为6m。20～100米/秒/5～25米/秒15:19:44Φ3.2米低速回流风洞4米×3米低速回流风洞15:19:44Φ5m立式风洞直径5米，试验区高7.5米；速度范围：0～50米/秒大连理工大学风洞、西南交通大学风洞等等15:19:444.2.2测量设备1、压强测量（测压管、压强计、压强扫描阀）1）静压测量：低压管，测量流场中某一点的静压。根前端为封闭的半球形管子，管前端开有4~8个小孔（直径0.3mm~0.5mm）。孔位支杆修正系数。L1=（3~8）D1，L2=（8~20）D215:19:44总压测量：平头总压管（皮托管），开口端平面与气流方向垂直，另一端用导管与压强计相连接。总压管气流方向修正系数15:19:442）压强测量仪（1）液柱式压强计（a）U形管压强计：设ρ1为被测压强，ρ2为参考压强（常用大气压强），则（b）单管压强计变截面的U形管压强计（c）斜管微压计单管压强计的玻璃管倾斜一角度后便成斜管微压计。hgpp2115:19:44（a）U形管压强计；（b）单管压强计；（c）斜管微压计15:19:44（2）测压传感器液柱式压强计因体积大、反应慢、易受环境条件影响等缺点，其应用已逐渐减少。代之以体积小、反应快、数据量可直接采集和处理的测压传感器。（a）应变式：测压范围广，结构简单，线性度好，性能稳定。但灵敏度低。15:19:44（b）压阻式：压阻效应。圆形硅膜片上采用集成电路工艺制造了4个等值电阻，组成平衡电桥。优点是灵敏度高，频率响应高。但易受环境温度变化的影响。（c）电容式：平板电容器的可动极发生移动或变形，电容量亦变化。结构简单、灵敏度和频率响应高。但精度较低。（d）压电式：压电效应。频率响应及灵敏度均很高。但低频性能不好，不适于测量变化缓慢的或静态压强。15:19:44（3）压强扫描阀：电子切换开关15:19:444.2.3风速测量（1）风速管风速管是将总压管和静压管组合在一起的一种复合管。如下图。风速管15:19:44风速计算设总压和静压之差由风速管测出为Δpm，考虑仪器和测量误差为ξ，根据柏努利方程，则有所以，风速为221UpmmpU215:19:44（2）热线风速仪目前常用的风速测量仪器。热线探头为表面镀铂钨丝，直径约为5μm，长度约为1~2mm。测量前先通电加热并使接入的电桥平衡，风作用下探头降温，再增加电压使探头升温，直到电桥再平衡。根据电压变化即可知道风速变化。15:19:444.2.4脉动风速测量脉动风速常用热线风速仪测量紊流度的方法测量。根据测得的瞬时速度随时间的变化情况，进一步分析可得脉动风速功率谱。4.3风场模拟1、风场模拟主要参数平均风速沿高度的变化、紊流度沿高度的变化、脉动风功率谱、紊流积分尺度等。15:19:442、模拟方法自然形成法和人工形成法。（1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20米以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目前很少采用。（2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。15:19:44土木工程防灾国家重点实验室刚性模型测压试验例子-首都机场T3A、T3B航站楼首都机场3号航站楼测压试验15:19:4415:19:4415:19:4415:19:444.4试验模型（1）测压模型适用于桥梁、高层建筑、空间结构等。优点：风压分布；缺点：试验过程复杂（注意的问题：管路系统的畸变和修正）（2）高频动态测力天平试验（模型）适用于高层建筑、高耸结构（格构式）。优点：试验方便；缺点：用途受限15:19:4415:19:44（3）桥梁专门模型（节段模型）测力、测振-识别桥梁气动参数。刚体模型，保证在振动过程中模型本身不会发生弹性变形。模型通过其端部的轴和两边的端杆相连。每边的端杆上安装四根弹簧，弹簧的另一端和固定支架相连。这样，模型和八个弹簧构成竖向弯曲和扭转两自由度振动系统。15:19:44RigidframeRigidframeRigidbarRigidbarRigidbarTransducerSpring15:19:4415:19:44（4）气动弹性模型适用于所有结构。采用相似理论设计试验模型。优点：直接获得结构响应；缺点：模型复杂。15:19:4415:19:44东莞国际金融大厦15:19:44珠江新城15:19:44深圳证卷交易中心15:19:44重庆袁家岗体育场风洞试验模型15:19:44武汉体育中心体育场风洞模型15:19:444.5武汉音乐风洞试验武汉音乐厅主体建筑物东西轴线长约112米，南北轴线长约70米，最大高度37.2米，建筑物外形酷似一台巨大的钢琴，体形独特，从现有荷载规范中不可能直接查到相应的风荷载。因此，必须通过风洞试验来测试建筑物表面各部分的风压系数。15:19:441、试验模型1：20015:19:4415:19:442、测压点布置在各墙面和屋面边缘区域以及屋面屋脊区域布置的测压点相对较为密集，而在建筑物外表面的其他区域布置的测压点则相对稀疏。另一方面，考虑到风压压差测量的要求，屋面挑檐部分上下表面和排柱正反两面的测压点均一一对应布置，据此共布置了608个测压点：外墙表面：286个；屋面上下表面：267个；东西排柱上：40个；建筑物内部：15个。15:19:44测点层/区序号测压点所在建筑物表面位置测压点个数A测点层2.7米标高处外墙面36B测点层8.4米标高处外墙面60C测点层14.4米标高处外墙面60D测点层20.4米标高处外墙面60Da测点层23.4～26.2米标高处外墙面28E测点层25.9～36.4米标高处外墙面42F测点区北面低屋盖外表面60G测点区南面低屋盖外表面60H测点区中间高屋盖西侧上表面56DH测点区中间高屋盖西侧下表面21I测点区中间高屋盖东侧上表面56DI测点区中间高屋盖东侧下表面14J测点区西侧排柱正反面16K测点区东侧排柱正面12DK测点区东侧排柱反面12N测点区建筑物内表面15测点层位置及测压点个数15:19:443试验设备风洞：广东省建科院建筑风洞实验室，为串联双试验段回流式风洞，分为大小两个试验段。本试验使用的是大试验段。1）大试验段为闭口试验段：长10m、宽3m、高2m，最高风速为18m/s；2）小试验段为可开口亦可闭口试验段：长9m、宽1.2m、高1.8m，最高风速为46m/s。15:19:44测压系统美国Scanivalve公司生产的电子扫描阀测压系统，型号：DSM3200，SPC3000，ZOC33×3压力扫描模块，每次可测量372个测点。模型测压孔导管ZOC33测压模块计算机采集主机DSM3200电信号控制数据电子扫描阀测压系统组成示意图15:19:444、风场模拟考虑到本建筑物周围比较空旷，相邻建筑物对本建筑物的风荷载的风致干扰影响主要来自西侧的武汉大剧院，但由于d/b和d/H均在3.8以上，对本建筑风荷载的干扰影响很小可以不加考虑。按国《荷载规范》为B类地貌场地条件下的单体建筑风洞风压试验考虑，地面粗糙度系数取为α＝0.16。风荷载按50年重现期考虑，其基本风压为0.35kN/m2，对应的实际风速约为23.7m/s。15:19:44风场模拟1）风洞在风洞试验段内采用B类尖塔、前方100mm挡板、尖塔1.5m以下处加50mm木条和连续分布B类粗糙元等模拟出B类地貌的风剖面。00.20.40.60.811.21.41.600.10.20.30.40.50.60.70.80.911.1U(z)/UG高度（m）平均风速测试值指数＝0.16湍流强度测试值指数=-0.315:19:442）实验风速试验中风速（风压）参考点高度设置在0.5m（相当于实际高度100m），参考点高度处试验风速约为6.3m/s，风速比为1:3.76，风洞试验时间比为1:53.2。风洞试验中采用的采样时间为13.1s，采样频率为313Hz。因此，试验采集的风压系数时程对应的实际时间约为11.6min（=53.3*13.1）。15:19:443）风向角风向角为零度时，建筑物的南立面为迎风面。风洞试验中风向角以15°为间隔，分别测量了24个风向角下建筑物的风压分布特性。15:19:445、风压分布：1）外墙面的极值风压测点层标高(m)最大正压系数CpMax绝对最大负压系数CpMinCpMax风向角（度）发生位置CpMin风向角（度）发生位置A2.70.416150北立面