强/台风作用下大跨空间索桁体系现场风压风振实测研究_论文

第４２卷第５期

２０１ ３年１ ０月

上海师范大学学报（自然科学版）

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）

Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．５

０ｃｔ．．２ ０ １ ３

强／台风作用下大跨空间索桁体系现场

风压风振实测研究

张志宏 ，刘中华２，董石麟

（１．上海师范大学建筑Ｓ－程学院，上海２００２３３；２．浙江精２１２钢结构有限公司，浙江绍兴３１２０３０；

３．浙江大学土木Ｓ－程学院，杭州玉泉３１００２７）

摘要：为保证我国东南沿海地区大跨预应力柔性体系的抗风安全性，并为规范规程的进一步

修订做准备，建筑工程学院针对强／台风多发地区实际、典型大跨空间索桁体系一乐清“弯月”

体育场，进行现场风压风振实测，以获得足尺结构在真实建筑风环境下的风荷载和风致效应．

一

方面，这是研究大跨柔性体系强／台风作用下的风荷载特性、风致效应及机理最为直接和有

效的手段，测试数据最具有科学研究和实际应用价值．另一方面，亦是深入研究其在强／台风作

用下结构抗风设计实用方法的基础．若能取得创新性成果，可显著提升我国大跨预应力柔性体

系的抗风设计研究水平．

关键词：空间索桁体系；现场实测；风荷载；风致效应

中图分类号：ＴＵ ３５２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－５１３７（２０１３）０５－０５４６－０５

我国是世界上少数几个风灾影响严重的国家之一，紧邻西北太平洋的我国东南沿海地区（如温州

地区乐清市），更是热带气旋影响的重灾区，每年都要受到１～２次影响．热带气旋给人民的生命财产安

全带来了严重威胁，如２００４年１４号强台风“云娜”正面袭击乐清市，中心最大风速达５８．７ ｍ／ｓ，在乐清

上空停留长达１２ ｈ，３２１０间民房和厂房等大量低矮建筑倒塌，全市直接经济损失近１８亿元．

然而，近年来大跨柔性空间索桁体系（多用于体育场罩棚结构、通常采用ＰＴＦＥ／ＰＶＣ膜材围护）应

用于我国东南沿海地区大型体育、公共建筑已比较多见，建筑高度一般在２０—４０ ｍ左右，属于广泛意义

上的近地低矮建筑范畴．如已建成的深圳宝安“竹林”体育场，佛山“世纪莲”体育场和在建的乐清“弯

月”体育场等，环索初始设计预应力均在２×１０ Ｎ以上．由于对强／台作用下大跨柔性体系非线性风致

效应机理认识不足及其抗风设计理论和实用方法的欠缺，台风区大跨柔性体系的抗风安全性极易成为

工程设计的薄弱环节．具体体现在如下几个方面：

（１）我国建筑结构荷载规范均基于良态气候，较适用于不易受台风影响的内陆地区．然而，我国东

南沿海地区最大风速大多由非良态气候的台风引起，台风下近地风场特性如平均风速剖面、湍流强度剖

面、功率谱和风速风向风压的非平稳特性等 与良态气候下有较大的差异．

（２）大跨索膜结构往往具有复杂的气动外形，我国建筑结构荷载规范要求通过刚性模型测压风洞

试验确定其风压体型系数，沿用风振系数或等效静力风荷载等高层、高耸结构（竖向一维尺度占优）的

抗风设计、计算方法，忽视了大跨空间结构（平面占优或三维尺度接近）的动力特性（如多模态耦合、多

收稿日期：２０１３－０７—１７

基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７８２９７）；上海师范大学结构工程重点学科建设项目；上海市０８５内涵建设

项目

作者简介：张志宏（１９７４一），男，博士，上海师范大学建筑工程学院副教授；刘中华（１９７６一），男，高级工程师，浙江

精工钢结构有限公司总工程师．

第５期 张志宏，刘中华，董石麟：强／台风作用下大跨空间索桁体系现场风压风振实测研究 ５４７

振型参与和动力失稳等）和近地风场绕流特征．此外，风洞试验亦较难准确模拟强／台风下大气边界层

近地风场特性如湍流特征尺度、湍流强度、雷诺数、建筑风环境和竖向风等．大跨柔性体系尚存在非线性

动力特性明显和风与结构的流固耦合效应等 ．

（３）大跨柔性索膜结构如空间索桁体系、索穹顶结构等，具有结构自重轻、柔度大、自振频率低且分

布密集和阻尼小等结构特点，特别是在强／台风多发区如我国东南沿海地区，风荷载可达结构自重的ｌ０

倍或以上，是结构设计的主要控制荷载．

（４）对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等大跨刚性体系，其形状设计主要涉及重力荷载下结构几何形

状优化 而较少考虑风荷载及风致效应的影响 ．然而，对大跨空间索桁体系而言，设计合理的索系空

间曲线形状及承风膜曲面形状可大大提高其抗风安全性，降低体系的设计初始预应力水平和工程造价．

１现场实测研究现状

目前，结构抗风方面的研究逐渐形成了以现场实测、风洞实验和数值模拟等研究手段相结合的综合

方法．现场实测相当于足尺气弹模型自然风场试验，可以避免缩尺气弹模型物理风洞实验的相似比畸变

效应，对强／台风下大跨预内力柔性体系的风荷载和风致效应机理研究不可或缺．然而，现场实测亦存在

来流风向风速不稳定、周期长、费用高和工程地点不易选择等问题．此外，风荷载计算流体力学（ＣＦＤ）数

值模拟可以与现场实测和风洞实验对比研究，其突出的优点是快速、无硬性成本和可视化流场演化特征

等，且已有大型商业软件如ＡＤＩＮＡ和ＡＮＳＹＳ１３．０等可用．

国外学者主要对一般高度意义上的低矮房屋（高度小于２４米，或七层以下房屋）非台风情况下的

表面风压特性和近地风场特性进行现场实测研究，如英国Ａｙｌｅｓｂｕｒｙ实验楼、西尔斯试验楼，美国德克萨

斯理工大学试验楼（ｒＩ１’ｕ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ）等．大跨空间结构的现场实测较少，仅Ａｐｐｅｄｅｙ和Ｐｉｔｓｉｓ等 Ｉ９ 对悉尼

Ｂｅｌｍｏｒｅ与Ｃａｌｔｅｘ体育场悬挑屋盖进行了小规模风压实测．近年来，我国现场风压实测方面的研究也正

逐步展开，成效显著．例如李秋胜、胡尚瑜等 “ 在广东某海岸建造了一个可移动式的原型实测房（追

风房），对比同体型比低矮房屋的风洞试验数据，分析并总结了不同风场环境下的屋面风压及体型系数

的分布规律；朱丙虎、张其林等 对世博轴索膜结构表面风压进行了现场实测；黄鹏、顾明等¨ 在浦东

机场建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔，对东海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特

性如非高斯分布偏度和峰度进行了研究（ＴＪＵ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ）．

上述开拓性研究表明，选取我国东南沿海地区典型大跨索膜结构一乐清“弯月”体育场（图１，２），

进行现场风压风振实测，获得足尺结构在真实建筑风环境下的风荷载和风致效应，是研究大跨柔性体系

强／台风致效应机理最为直接和有效的手段，测试数据也最具有科学研究和实际应用价值．

图１乐清体育中心一场两馆效果图

２测点布置

乐清“弯月”体育场现场已安装索力、钢结构应力应变、表面温度、加速度及风速风向（Ｒ．Ｍ

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３测试系统设计

测试系统如表１所示．具体采样系统技术要求：系统须保证２５６通道不低于１００Ｈｚ风压数据同步、

长期（＞１年）稳定采集．预留模块升级接口，增加该模块后可实现系统无人值守，无线远程控制，人工智

能自我故障诊断，远程自动报警等功能．具体技术要求如下：（１）自动采集和记录传感器实际测量值；

（２）采集时间间隔，根据需要自行设置；每通道最大采样数据不小于３Ｋ．（３）通道数：２５６路；（４）根据传

感器数量，设置通道数，设置相应测试时间等；（５）可设置参数：采集通道、采样间隔、采样频率等；（６）采

集后自动保存记录成文本文件（或ＥＸＣＥＬ格式）；系统主要部件要求：（１）配套传感器ＣＹＧ１７２１／

ＣＹＧ１７２２输入电压：２４ Ｖ；输出电流：４～２０ ｍＡ（２）线性电源２４ ＶＤＣ／２ Ａ（四个朝阳线性电源）（３）２５６

通道信号防雷模块三级防雷，１００００ Ｖ／５０００ Ａ（４）采样转换板电流信号转电压信号，带低通滤波（４）

ＡＤ卡总线形式：ＰＣ１分辨率：１６位（Ｂｉｔ）总通道数：２５６路单端／卡单通道最高采样速率：３ ＫＳ／ｓ输入阻

抗：１００ ＭＩ２／１０ ｐＦ（关）；１００ ＭＤ．／１００ ｐＦ（关）．专用导气屏蔽电缆技术要求：护套Ｐｕ外皮为白色内部为

黑色，防水耐候，耐紫外线寿命不小于５年，护套材料抗拉耐磨，护套厚度不小于１．３ ｍｍ，内带内孔

１．２ ｍｍ导气管．电缆外径（７±０．１）ｍｍ，额定电压６００ Ｖ，工作温区：一２５～８５ ｏＣ，仰．１２ ｍｍ镀锌铜丝

屏蔽编制密度大于８０％．

表１表面风压监测系统

４结语

简单介绍了正在推进的乐清“弯月”体育场现场风压、风振实测研究的前期准备工作，鉴于论文篇

幅限制及测试结果尚未处理完成，相关数据分析和研究内容暂不展开论述．

应当指出，强／台风作用下大跨空间索桁体系的风致效应及机理复杂，不仅受控于风荷载的特性如

湍流特征尺度、气流分离后涡脱的频率和流场演化等结构外在条件，而且与大跨空间索桁体系内在的非

线性动力特性紧密相关，大跨柔性体系的抗风设计方法亦任重而道远．

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ａｎｄ ｗｉｎｄ．ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ

Ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｓｐａｔｉａｌ ｃａｂｌｅ－ｔｒｕｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｗｉｎｄ ｏｒ ｔｙｐｈｏｏｎ

ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｈｏｎｇ ，ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｈｕａ ，ＤＯＮＧ Ｓｈｉｌｉｎ

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉｎｇｇｏｎｇ Ｓｔｅｅｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，

Ｓｈａｏｘｉｎｇ ３１２０３０，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｗｉｎｄ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｓｏｕｔｈｅａｓｔ ｃｏａｓｔ ａｒｅａ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，ａｎｄ

ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｓｏｍｅｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｒｅｖｉｓｉｎｇ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｄｅｓ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｗｉｎｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｌａｒｇｅ・－ｓｐａｎ ｓｐａｔｉａｌ ｃａｂｌｅ・－ｔｒｕｓｓ ｓｙｓｔｅｍ—ｌｕｎａｒ ｓｔａｄｉｕｍ ｉｎ

Ｙｕｅｑｉｎｇ ｃｉｔｙ．Ｗｉｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｗｉｎｄ ｏｒ ｔｙｐｈｏｏｎ ｉｎ ｒｅａｌ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｗａｙ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅ￣ｙ，ｗｉｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ，

ａｎｄ ｗｉｎｄ・ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｗｉｌｌ ｂｅ ｈｉｇｈｌｙ ｖａｌｕａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ

ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗｉｎｄ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓａｆｅｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｆ ｒ

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ｃｏｕｎｔｒｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｔｉｌ ｃａｂｌａｅ—ｔｒｕｓｓ ｓｙｓｔｅｍ；ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｗｉｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ；ｗｉｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ

（责任编辑：顾浩然）