第六章：结构静力风荷载风洞试验

结构抗风试验结构抗风试验第六章第六章结构静力风荷载风洞试验结构静力风荷载风洞试验朱乐东朱乐东桥梁馆桥梁馆309309TelTel：：6598311665983116××23092309MbMb：：1391658099613916580996同济大学土木工程防灾国家重点实验室SLDRCE,TongjiUniversitySLDRCE,TongjiUniversity六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验第六章内容第六章内容6.16.1：：刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.26.2：：刚体模型测力试验刚体模型测力试验六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.16.1.1概述概述（续）（续）¾¾目的目的¾¾主要对象主要对象zz低矮建筑低矮建筑zz高层建筑高层建筑zz体育场馆体育场馆zz会展中心会展中心zz桥梁构件桥梁构件zz其它构筑物其它构筑物zz确定结构物表面局部风压（系数）确定结构物表面局部风压（系数）@@平均风压（系数）平均风压（系数）@@脉动风压（系数）脉动风压（系数）zz确定结构体型系数确定结构体型系数zz确定大跨结构物设计的面分布荷载确定大跨结构物设计的面分布荷载@@平均风荷载平均风荷载@@脉动风荷载脉动风荷载zz确定线型结构物（高层建筑、高耸结构、大跨桥梁）设计的线分确定线型结构物（高层建筑、高耸结构、大跨桥梁）设计的线分布荷载布荷载@@平均风荷载平均风荷载@@脉动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结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.16.1.1概述概述（续）（续）zz桥梁断面的气动力系数、气动导数、气动导纳等参数识别桥梁断面的气动力系数、气动导数、气动导纳等参数识别zz结构风致振动响应分析（动力风荷载、振动位移、舒适度）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－脉动风荷载¾¾应用应用zz建筑物幕墙、屋盖等覆面设计建筑物幕墙、屋盖等覆面设计－瞬时风荷载－瞬时风荷载zz主结构设计静力风荷载主结构设计静力风荷载－平均风荷载－平均风荷载六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.16.1.1概述概述（续）（续）zz压力传感器系统压力传感器系统zz刚性不变形体的全模型或节段模型刚性不变形体的全模型或节段模型¾¾基本方法基本方法@@刚性支撑刚性支撑@@弹簧悬挂弹簧悬挂ÆÆ振动试验，识别气动导数振动试验，识别气动导数zz流场流场@@均匀流场均匀流场@@格删紊流场格删紊流场@@模拟大气边界层风场模拟大气边界层风场六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.16.1.1概述概述（续）（续）¾¾相似准则相似准则zz几何相似（几何相似（λλLL））zz一般无需模拟结构本身的刚度、质量和动力特性一般无需模拟结构本身的刚度、质量和动力特性等等zz对于紊流场试验，还需要对于紊流场试验，还需要@@刚性支撑刚性支撑满足时间和频率的相似性满足时间和频率的相似性（（λλtt、、λλff））@@脉动风特性：脉动风特性：紊流度、功率谱等紊流度、功率谱等zz弹簧悬挂节段模型振动试验结构：频率和质量相似弹簧悬挂节段模型振动试验结构：频率和质量相似（（λλMM、、λλff））六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.26.1.2测量系统测量系统¾¾风速测量风速测量zz皮托管＋微压计皮托管＋微压计ÆÆ试验流场的参考风速试验流场的参考风速沿截面圆周均匀分布的8个静压孔风测压管托柄总压接口静压接口静压管接口总压管接口水柱调节转盘水柱刻度表水柱指示线平衡观察窗六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.26.1.2测量系统测量系统（续）（续）¾¾风速测量风速测量（续）（续）zz热线热线//热膜风速仪系统热膜风速仪系统ÆÆ紊流紊流场调试场调试DANTECDANTEC公司生产的公司生产的StreamLineStreamLine热线热线//热膜风速仪系统热膜风速仪系统六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.26.1.2测量系统测量系统（续）（续）¾¾风压测量风压测量zz测压管测压管ÆÆ压力导管压力导管ÆÆ压力传感器压力传感器ÆÆA/DA/D采样板采样板ÆÆPCPC机（信号采集机（信号采集程序及数据处理）程序及数据处理）q＝ρU2/2基准静压正压负压p10p20气流皮托静压管迎风面测压孔测压模型背风面测压孔总压静压风洞底壁风洞顶壁测压管静压导管压力传感器系统A/D转换模拟信号PC采样、分析U压力导管总压导管六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.26.1.2测量系统测量系统（续）（续）¾¾风压测量风压测量（续）（续）zzScanivalveScanivalve公司公司DSM3000DSM3000型电子式压力扫描阀系统型电子式压力扫描阀系统SPC3000伺服压力校正系统含486微机的数据采集系统CPM3000电磁阀控制单元六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.26.1.2测量系统测量系统（续）（续）¾¾风压测量风压测量（续）（续）zzScanivalveScanivalve公司公司RAD3200RAD3200型电子式压力扫描阀系统型电子式压力扫描阀系统六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.36.1.3测压管路的管腔共振现象及对策测压管路的管腔共振现象及对策¾¾管路中的脉动压力传输管路中的脉动压力传输zz压力波方式压力波方式zz测压管路较短时测压管路较短时@@压力波在管端将发生反射，压力波在管端将发生反射，并与入射波叠加形成驻波并与入射波叠加形成驻波@@驻波频率驻波频率与管路系统固有与管路系统固有频率接近时就会产生管腔频率接近时就会产生管腔共振，形成压力共振峰共振，形成压力共振峰增益频率（Hz）相位频率（Hz）R1=0.54mm，R2=0.80mm，R3=0.54mm，L1=30mm，L2=1000mm，L3=20mm，V=650mm3实测值计算值六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验¾¾对策对策6.1.36.1.3测压管路的管腔共振现象及对策测压管路的管腔共振现象及对策（续）（续）zz金属夹扁管金属夹扁管@@制作复杂制作复杂@@内径难以控制，容易偏大或偏小，甚至堵塞内径难以控制，容易偏大或偏小，甚至堵塞@@较少采用较少采用zz加长测压管路加长测压管路@@反射波衰减反射波衰减ÆÆ避免管内驻波的形成避免管内驻波的形成ÆÆ消除管壁的共振现象消除管壁的共振现象@@管路系统的固有频率显著降低管路系统的固有频率显著降低ÆÆ低通滤波器低通滤波器ÆÆ压力信号中的压力信号中的高频成分发生显著衰减高频成分发生显著衰减六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验¾¾对策对策（续）（续）6.1.36.1.3测压管路的管腔共振现象及对策测压管路的管腔共振现象及对策（续）（续）zz加长串接的等截面毛细管加长串接的等截面毛细管@@位置应尽量靠近传感器位置应尽量靠近传感器@@测压管路越短，所需毛细测压管路越短，所需毛细管的长度就越长管的长度就越长@@毛细管的长度和直径对管毛细管的长度和直径对管路的频响特性影响较大路的频响特性影响较大@@毛细管太长或太细会使脉毛细管太长或太细会使脉动压力的高频成分衰减过动压力的高频成分衰减过大大zz根据空气动力学原理进行理论修正根据空气动力学原理进行理论修正六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.46.1.4模型制作原则模型制作原则¾¾几何相似几何相似zz严格模拟被测建筑结构（主建筑）的外形严格模拟被测建筑结构（主建筑）的外形zz需要模拟以主建筑为中心需要模拟以主建筑为中心300~500300~500mm半径范围内的周边环境半径范围内的周边环境六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验¾¾几何缩尺比确定几何缩尺比确定6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.46.1.4模型制作原则模型制作原则（续（续））zz风洞试验段和建筑群的尺寸风洞试验段和建筑群的尺寸zz主建筑内部空间和扫描阀模块的数量、尺寸主建筑内部空间和扫描阀模块的数量、尺寸zz适当考虑风洞流场和实际流场之间的紊流积分尺度比适当考虑风洞流场和实际流场之间的紊流积分尺度比5%=≤建筑群模型顺风向投影面积堵塞度风洞试验段截面积¾¾刚体模型刚体模型zz试验过程中不发生显著的振动现象试验过程中不发生显著的振动现象¾¾常用材料常用材料zz主建筑模型：有机玻璃、木材等主建筑模型：有机玻璃、木材等zz周边模型：有机玻璃、木材、周边模型：有机玻璃、木材、ABSABS塑料、泡沫塑料等塑料、泡沫塑料等六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验¾¾双面测压双面测压6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.46.1.4模型制作原则模型制作原则（续（续））zz内、外或上、下两面均暴露受风的建筑物构建内、外或上、下两面均暴露受风的建筑物构建@@体育场屋盖体育场屋盖@@建筑物的雨蓬、屋檐、女建筑物的雨蓬、屋檐、女儿墙等儿墙等@@敞开式结构的顶棚、墙敞开式结构的顶棚、墙zz同步测量同步测量zz两面的外形均需要模拟两面的外形均需要模拟zz测压管和压力导管应埋入敞测压管和压力导管应埋入敞开部件内部开部件内部zz敞开部件较薄，厚度模拟可适当放松敞开部件较薄，厚度模拟可适当放松六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.56.1.5雷诺数效应雷诺数效应¾¾对于光滑曲面部位，需要进对于光滑曲面部位，需要进行适当的表面粗糙化处理行适当的表面粗糙化处理zz磨砂磨砂zz粘贴绊条或绊线粘贴绊条或绊线::UeUe//νν400400且且ee//DD0.01,0.01,νν＝＝1.51.5××1010--55mm22/s/s六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.66.1.6测压点布置原则测压点布置原则¾¾原型结构每原型结构每120120mm22表面内不少于表面内不少于11个测压点个测压点zz靠近边缘靠近边缘¾¾需要加密的部位：需要加密的部位：风压可能急剧变化的部位风压可能急剧变化的部位¾¾根据建筑物表面形状不均匀地布置根据建筑物表面形状不均匀地布置zz靠近凸起部位靠近凸起部位zz曲率较大部位曲率较大部位及其附近及其附近¾¾面积较大的平缓区域的中央部分，测点密度可适面积较大的平缓区域的中央部分，测点密度可适当低一些当低一些六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.76.1.7试验参考点位置试验参考点位置¾¾作用：作用：监测和控制试验参考风速监测和控制试验参考风速¾¾选择原则：选择原则：zz流动受风洞底壁和模型干扰足够小流动受风洞底壁和模型干扰足够小zz能反映主建筑位置处来流特性能反映主建筑位置处来流特性¾¾常用位置：常用位置：zz模型中心所在风洞横截面上模型中心所在风洞横截面上zz不受模型干扰且离开风洞洞壁边界层足够远的区域中不受模型干扰且离开风洞洞壁边界层足够远的区域中zz竖向位置可略高于主建筑的顶部竖向位置可略高于主建筑的顶部六：结构静力风荷载风洞试验结构抗风试验结构抗风试验6.16.1刚体模型测压试验刚体模型测压试验6.1.86.1.8试验风