建筑工程风洞试验结果应用及分析主要包括:一、为何要做风洞试验;二、风洞试验如何做;三、风洞试验结果如何看;四、风洞试验结果应用 五、风洞试验结果数据梳理及应用系列。
《建筑结构荷载规范》给出了主要承重结构计算时,垂直于建筑物表面风荷载 ,其中:wk风荷载标准值(kN/m2),βz高度z处的风振系数:μs风荷载体型系数风压高度变化系数,w0基本风压(kN/m2)。公式中βz、μs两项参数往往不确定,因此风洞试验往往为了解决这两项参数取值问题,从而确定垂直于建筑物表面风荷载标准值wk。
1、第8.3.1条 房屋和构筑物的风荷载体型系数,可按下列规定采用:
1 房屋和构筑物与表8.3.1中的体型类同时,可按表8.3.1的规定采用;
2 房屋和构筑物与表8.3.1中的体型不同时,可按有关资料采用;当无资料时,宜由风洞试验确定;
3 对于重要且体型复杂的房屋和构筑物,应由风洞试验确定。
【条文说明】8.3.1条 风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值,它主要与建筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题,对于不规则形状的固体,问题尤为复杂,无法给出理论上的结果,一般均应由试验确定。鉴于原型实测的方法对结构设计的不现实性,目前只能根据相似性原理,在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。
表8.3.1列出39项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数,这些都是根据国内外的试验资料和国外规范中的建议性规定整理而成,当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。 本次修订增加了第31项矩形截面高层建筑,考虑深宽比D/B对背风面体型系数的影响。当平面深宽比D/B≤1.0时,背风面的体型系数由-0.5增加到-0.6,矩形高层建筑的风力系数也由1.3增加到1.4。 必须指出,表8.3.1中的系数是有局限性的,风洞试验仍应作为抗风设计重要的辅助工具,尤其是对于体型复杂而且重要的房屋结构。
2、建筑结构荷载规范 GB 50009-2012第8.4.2 对于风敏感的或跨度大于36m的柔性屋盖结构,应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。屋盖结构的风振响应,宜依据风洞试验结果按随机振动理论计算确定。
【说明】根据《建 筑 结构荷载规范》(GB50009-2012)规 定,大 于36 m 的大跨度屋盖要考虑风振效应,而规范中给出的风振系数基本上只适用于高层建筑的顺风向响应.
3、8.3.2 当多个建筑物,特别是群集的高层建筑,相互间距较近时,宜考虑风力相互干扰的群体效应;一般可将单独建筑物的体型系数μs乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定:
1 对矩形平面高层建筑,当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时,根据施扰建筑的位置,对顺风向风荷载可在1.00~1.10范围内选取,对横风向风荷载可在1.00~1.20范围内选取;
2 其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定,必要时宜通过风洞试验确定。
4.2.7 房屋高度大于200m或有下列情况之一时,宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载:
1 平面形状或立面形状复杂;
2 立面开洞或连体建筑;
3 周围地形和环境较复杂。
【条文说明】4.2.7 对结构平面及立面形状复杂、开洞或连体建筑及周围地形环境复杂的结构,建议进行风洞试验。本次修订,对体型复杂、环境复杂的高层建筑,取消了02规程中房屋高度150m以上才考虑风洞试验的限制条件。对风洞试验的结果,当与按规范计算的风荷载存在较大差距时,设计人员应进行分析判断,合理确定建筑物的风荷载取值。因此本条规定“进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载”。
4.1.3 对于单个球面网壳和圆柱面网壳的风载体型系数,可按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009取值;对于多个连接的球面网壳和圆柱面网壳,以及各种复杂形体的空间网格结构,当跨度较大时,应通过风洞试验或专门研究确定风载体型系数。对于基本自振周期大于0.25s的空间网格结构,宜进行风振计算。
【条文说明】4.1.3 风荷载往往对网壳的内力和变形有很大影响,对在现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009中没有相应的风荷载体型系数及跨度较大的复杂形体空间网格结构,应进行模型风洞试验以确定风荷载体型系数,也可通过数值风洞等方法分析确定体型系数。大跨度结构的风振问题非常复杂,特别对于大型、复杂形体的空间网格结构宜进行基于随机振动理论的风振响应计算或风振时程分析。
4.2.1 屋盖结构风荷载体型系数应符合下列规定:
1 屋盖结构体型与本标准附录A规定的体型相同或相近时,可按本标准附录A确定;
2 本标准附录A未列出的屋盖结构体型,可按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009确定;
3 重要或体型复杂以及周边环境复杂的屋盖结构,应通过风洞试验分析确定。
【条文说明】4.2.1 多年来,编制组及多家研究机构积累了大量建筑屋盖风洞试验数据,总结了常见体型屋盖结构的体型系数。考虑到屋面尺度较大,屋面风压变化梯度较大,本标准附录A规定的屋面体型系数分区比现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009更细致。因此,当本标准规定的体型系数与现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009不一致时,宜采用本标准数值;本标准未做规定的,可按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009确定。相对于实际工程的建筑体型种类,本标准所给数据仍然是有限的,风洞试验仍应作为抗风设计重要的辅助工具,尤其是对于体型复杂而且重要的屋盖结构。
5.3.3 玻璃幕墙的风荷载标准值可按风洞试验结果确定;玻璃幕墙高度大于200m或体型、风荷载环境复杂时,宜进行风洞试验确定风荷载。
【条文说明】5.3.3 近年来,由于城市景观和建筑艺术的要求,建筑的平面形状和竖向体型日趋复杂,墙面线条、凹凸、开洞也采用较多,风荷载在这种复杂多变的墙面上的分布,往往与一般墙面有较大差别。这种墙面的风荷载体型系数难以统一给定。当主体结构通过风洞试验决定体型系数时,幕墙计算亦可采用该体型系数。
对高度大于200m或体形、风荷载环境比较复杂的幕墙工程,风荷载取值宜更加准确,因此在没有可靠参照依据时,宜采用风洞试验确定其风荷载取值。高度200m的要求与现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2002的要求一致。
第3.1.1体型复杂、对风荷载敏感或者周边干扰效应明显的重要建筑物和构筑物,应通过风洞试验确定其风荷载。
3.1.2主要受力结构的风荷载及风致响应,应通过测压试验并结合风振计算或高频测力天平试验确定。
【条文说明】3.1.2测压试验是利用压力传感器测量模型表面风压的试验。通过缩尺刚性模型的测压风洞试验,能够获得墙面(幕墙)和屋盖等结构的平均和脉动压力。在此基础上结合动力学分析方法进行风振计算,可进一步获得建筑结构的风致响应,包括位移、加速度等,并可根据一定原则得到用于主要受力结构设计的等效静风荷载。
3.1.3围护结构及其他局部构件的风荷载,应通过刚性模型测压试验确定。
【条文说明】3.1.3抗风领域所涉及的围护结构一般是指幕墙、屋面板、外窗等围挡物以及檩条、幕墙支撑龙骨等受局部风压影响显著的构件。这类围护结构对风荷载比较敏感,台风和飓风作用下围护结构的破坏所带来安全和经济损失问题也日益突出。刚性模型测压试验能够获得墙面、幕墙和屋盖等结构的平均和脉动压力,由此即可得出用于围护结构设计的风荷载标准值。
3.1.4有明显气动弹性效应的建筑工程,宜进行气动弹性模型试验。
3.1.5风环境舒适度、风致介质输运、风致积雪漂移等,可采用风洞试验或数值模拟方法进行评价。数值模拟宜符合本标准附录A的规定。
3.2.5试验模型的尺寸应足够大,且应符合下列规定:
1、阻塞比宜小于5%,且不应超过8%。阻塞比 应按下式计算:
2测试模型与风洞边壁的最短距离不应小于试验段宽度的15%。
3测试模型与风洞顶壁的最短距离不应小于试验段高度的15%。
4模型几何缩尺比宜和湍流积分尺度缩尺比接近。
3.2.9应根据建筑外形及周边干扰情况选择多个风向角进行试验。风荷载试验的风向角间隔不应大于15°,风环境试验的风向角间隔不应大于22.5°。特殊试验可根据实际情况确定风向角。