随着结构体系和建筑材料的进步,膜结构得到了迅速的发展.膜结构屋面具有自重轻、刚度小、跨度大等特点,因此风荷载会成为控制结构荷载的主要荷载.目前我国对膜结构屋面的风荷载分布和抗风性能的研究还不多,而中国的荷载规范[1]仅规定了规则形状的屋面风荷载体型系数,因此有必要对其进行现场实测的研究.

近年来,国内外学者开展的结构风场实测,并取得了具有重要参考意义的研究成果.如戴益民等[2,3]通过现场实测研究了低矮房屋屋面的风压系数特征,总结了不同风环境下屋面局部风压峰值的分布和脉动规律.朱丙虎等[4]通过对世博轴屋面进行长达两年的风特性监测,得到了屋面的风特性和风压分布特性并将其结果与风洞试验数据进行比较,实测结果略小于风洞试验值但两者分布趋势基本一致,验证其试验的可靠性.罗尧治等[5]对国家体育场大跨度屋盖进行了实测研究,分析表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大的差别,证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定.笔者基于理论和实验分析,利用FLUENT分析软件,采用Realiza-ble k-ε湍流模型[6,7,8],模拟膜结构屋面的风压特性,并与实测的结果进行了对比.

实测膜结构屋面的形状为双曲抛物面,包括支撑结构和索膜结构,全长36 m,宽4 m,立杆高度4.5m,屋面与杆节点高度分别为3.6,1.9m.膜结构位于城市中心,因此地面粗糙度类型为C类.图形如图1所示.

风速仪采用R.M.YOUNG公司生产的81000超声风速仪,可以测量三维风速,测量范围0~40m/s,误差精度1%;风向角范围0°~360°,风仰角范围-60°~60°,误差精度均为-2%~2%.风压传感器采用的是武汉超宇测控有限公司生产的CY2000F风压传感器(已被国内多所高校所采用),测压范围为-1.5~1.5kP,精度为0.5%.监测仪器如图2所示.

为了研究膜结构的风场特性,选择膜结构表面的中间段为监测对象,风速仪安装在支座顶部距离地面5m处.由于该膜结构是一个开放式结构,因此需要在其上表面和下表面的同一位置都安装传感器.总共安装12 个传感器,每一个表面上有6 个监测点,监测点布局如图3所示.

图4分别为在2015 年7 月一次大风实测中10分钟时距的平均风速和平均风向角.由图4 可知:平均风速在1.4~3.2m/s之间,而风向为80°~180°之间,即以西北风为主.由于结构的高度比较低,以及受到周围建筑物的影响,膜结构处于强湍流区域.图5 表示了脉动风湍流度随速度的变化情况,因为10min时距的平均风速很小,阵风特性明显,得不到3 m/s以上稳定风速的湍流度样本,因此平均风速的时距取5s.图5表明脉动风湍流度随风速的变快而减小,平均湍流度在20%左右.

脉动风谱反映了湍流能量在频域内的分布情况.Karman根据湍流的各向同性假设提出了Karman谱[9,10],其表达式为

式中: 为纵向湍流积分尺度.图6表示了实测的风速普与Karman谱的对比,可以看出两者基本一致.

结构的风荷载通常是用结构风荷载形状系数或屋面风压系数来表示.风压系数是由屋面表面上的风压力和风速换算的风压力之比.由于该结构是一个开放式结构,因此实测风压为上下表面的压力之差,风压系数的计算公式为

式中:Cpi为风压系数;Pi(t)为实测的风压值;P∞为参考静压力;ρ为来流风的密度;U为来流风度平均风速.图7依次为1~6号点10min时距风压数据.

表1为v=6.2m/s,θ=187°时的平均风压系数,由表1可知:双曲抛物面形膜结构屋面的来流风一侧以负压力为主.屋面结构其中对角两端高,另两端低,平均风压系数随高度的增大而增大.

根据现场实测的数据,对同一风向不同风速下的2组数据进行分析,得到了风速与平均风压系数之间的关系.由图8可知:平均风压系数随着风速的增大基本保持不变.

采用ANSYS对膜结构进行找形分析,如图9(a)所示.然后根据膜结构的尺寸,计算流场模型,计算流域大小为180m×120m×60m,膜结构放在整个流域的1/3的位置,入口10m高度处风速26.83m/s,湍流模型采用RSM模型.如图9(b)所示.

图10为实测数据和数值模拟数据的对比,由表1可知实测的风压系数小于数值模拟的结果.两者差异的原因是实测的膜结构屋面是柔性的,在风荷载作用下膜面会张拉产生较大的变形,而数值模型的膜结构屋面却是刚性的.且实测的膜结构周围建筑较多情况比较复杂,因此有所差异,但总体结果比较相近.

通过采集的风速和风压数据,研究了双曲抛物面形膜结构屋面的风压分布特性,针对开敞式结构风压的实测采取了上下表面同步测压的有效方法.在对于结构所处阵风效应明显的情况下取5s时距的风压样本,得出如下结论:膜结构所处风环境的湍流强度较大,平均值为20%,脉动风谱基本与卡曼谱相同;膜结构屋面的风压主要以负压为主,且来流来流风一侧屋面的风压较大,另一侧则反之;平均风压系数随风速的增大基本保持不变;膜结构屋面的实测风压系数小于数值模拟的风压系数,但二者的结果十分接近且其分布趋势基本相同.