獲得風(fēng)速時(shí)程的途徑主要有三種:現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬。

目前,一記錄風(fēng)速數(shù)據(jù)量大、持續(xù)周期長、費(fèi)用大、精度受測(cè)試條件和儀器誤差的 影響大,應(yīng)用于實(shí)際工程還不能普遍實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在常用的方法是風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法

相比于高層建筑,低層建筑的全尺寸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開展的較多。國外不少學(xué)者在70、80年代對(duì)低層建筑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開展了大量的工作,獲得了很多第一手資料,很多實(shí)驗(yàn)成果已經(jīng)體現(xiàn)在各國的風(fēng)荷載規(guī)范中了。這其中較為著名的有英國的

Aylesbury,ExperimentalBuilding,silsoestruetureBuilding以及美國的TTUBuilding。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,風(fēng)工程研究者們掌握了大量 有關(guān)低層建筑風(fēng)荷載和地面大氣層的分布特性和規(guī)律。

在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上,近些年國外專家提出了一個(gè)面向工程設(shè)計(jì), 建立一個(gè)詳細(xì)的空氣動(dòng)力的數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫中有完整的低層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的時(shí)程數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)也可以直接被設(shè)計(jì)人員利用。根據(jù)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及識(shí)別,可以由具體的建筑幾何外形和周圍的風(fēng)環(huán)境,來確定屋面的風(fēng)荷載。

(2)風(fēng)洞試驗(yàn)

目前,風(fēng)洞試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最主要的方法。學(xué)者們進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗(yàn),內(nèi)容涵蓋了對(duì)各種體型及屋面形式的低層房屋的風(fēng)壓分布研究;屋頂?shù)臉?gòu)造和覆面材料對(duì)風(fēng)壓分布的影響;建筑物之間相互干擾的影響;低層房屋屋面壓力峰值及其波動(dòng)的研究;房屋開洞對(duì)于低層建筑內(nèi)外風(fēng)壓的影響等。但是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定低層建筑的風(fēng)荷載存在一定難度:

1、幾何縮尺比例影響。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為了得到與實(shí)際相符的風(fēng)場(chǎng),通常需要對(duì)大氣邊界層進(jìn)行模擬,受風(fēng)洞條件的限制,大氣邊界層模擬通常采用1/200一1/500的幾何縮尺比,根據(jù)幾何相似原則,模型

也應(yīng)該采用相同的幾何縮尺比,這樣就使得模型的幾何尺寸過小。

2、紊流度的模擬。地面附近的紊流度比較高,但在風(fēng)洞中要實(shí)現(xiàn)這樣的高紊流度并同時(shí)兼顧風(fēng)音U面的模擬,也是相當(dāng)困難的。

然而結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)還存在很多重要的基本問題有待深入研究。比如風(fēng)洞中模擬的紊流度難以達(dá)到實(shí)際值,特別是紊流尺度相似更難以模擬;在進(jìn)行復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)特性試驗(yàn)時(shí),通常受到堵塞率等因素的影響。

(3)數(shù)值模擬]

風(fēng)對(duì)建筑物的繞流流動(dòng)是復(fù)雜的三維湍流問題,隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的不斷完善和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法研究風(fēng)的三維湍流問題已成為可能。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)就是利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法在計(jì)算機(jī)上模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)的變化并求解結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。

這是近十幾年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法,并逐漸形成了一門新興的結(jié)構(gòu)風(fēng)工程分支一計(jì)算風(fēng)工程學(xué)(CWE)。CWE是涉及多門學(xué)科的交叉學(xué)科,其主要研究內(nèi)容包括:近地風(fēng)特性,建筑鈍體空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué),結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和響應(yīng)及破壞機(jī)理,結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及響應(yīng)的控制方法,結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法等。

大多數(shù)土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的流動(dòng)表現(xiàn)為鈍體,多處在大氣邊界層中風(fēng)速變化大、湍流度高的區(qū)域,因此風(fēng)荷載數(shù)值模擬技術(shù)的對(duì)象是大氣邊界層中湍流作用下的鈍體空氣動(dòng)力學(xué)。數(shù)值模擬的主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果,相比于投資大、周期長、難度高的實(shí)驗(yàn)研究來說,CFD的優(yōu)點(diǎn)就更為突出。因此,將CFD與工程研究相結(jié)合,不僅有助于工程設(shè)計(jì)的改進(jìn),而且能減少實(shí)驗(yàn)的工作量?？梢哉f,CFD是一種有效和經(jīng)濟(jì)的研究手段。

到目前為止,風(fēng)荷載的數(shù)值計(jì)算技術(shù)已經(jīng)從基礎(chǔ)的研究步入了實(shí)際應(yīng)用,但仍然很不深入,所進(jìn)行的工作主要集中在均勻來流條件下穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算,而對(duì)于描述風(fēng)荷載的另外一個(gè)重要數(shù)據(jù)脈動(dòng)風(fēng)壓只能通過非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算來獲得,目前這一領(lǐng)域仍然處于起步階段。

困難首先表現(xiàn)在使用傳統(tǒng)的湍流模型進(jìn)行非定常的計(jì)算所得到的結(jié)果有較大的誤差;其次,如何模擬大氣邊界層中的湍流并應(yīng)用到數(shù)值風(fēng)洞的邊界條件當(dāng)中也是一個(gè)非常困難的問題。目前模擬風(fēng)的有效方法是根據(jù)脈動(dòng)風(fēng)的分布規(guī)律、風(fēng)速譜及脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性等來編制程序,人工產(chǎn)生脈動(dòng)風(fēng)速的時(shí)程曲線。

常用的模擬方法包括線性濾波法、諧波疊加法、逆Fourier變換法、小波分析法等。在這些方法中,線性濾波法的自回歸(AR)模型因計(jì)算速度快,計(jì)算量小,精度高而廣泛用于隨機(jī)振動(dòng)和時(shí)間系列分析中。