膜结构的风洞试验

   所谓风洞试验,就是将建筑物的缩尺模型置于一个特殊设计的管道内,用动力设备产生与实际情况近似的可控制的气流,并借助一定的测量仪器,获得所需的气动力信息。建筑风洞也叫做大气边界层风洞,它要求对来流的模拟要满足大气边界层的某些特征,如风剖面、湍流度等。风洞试验还要满足一系列的相似准则,如几何相似、雷诺数相似等, 实际上,要完全满足这些相似条件是不可能的,只能根据具体情况选择那些起决定作用的相似条件。
   膜结构风荷载的确定包含对结构表面风压分布的预测 ,或者说是风载体型系数的确定, 以及对膜结构在脉动风荷载作用下的动态响应的预测,或者说是风振系数的确定两部分。尽管风洞试验具有费用高、周期长、某些相似数无法准确模拟等缺点,但它仍然是目前研究钝体绕流的主要方法。目前的膜结构风洞测压试验技术已比较成熟,借助大气边界层风洞, 通过对刚性模型表面动态风压的测量,所获得的结果,可以基本满足结构设计的要求。

   由于膜结构在荷载作用下的位移较大,结构位形的变化必然会对其周围风场产生影响 , 从而改变其表面的风压分布。所以膜结构的风致动力响应过程是一个典型的流固耦合(风与结构相互作用)过程,对这一动力过程的风洞试验模拟必须采用气动弹性模型。气动弹性模型试验涉及到大量的相似参数和复杂的观测技术,技术难度大,目前国内外在这方面都还处于研究阶段。随着计算机有限元技术的发展,一种将计算流体力学和计算结构力学结合起来,用计算流体力学来模拟结构周围的风场、用计算结构力学来模拟膜结构,再借助某些参数的传递来实现两者之间的耦合作用的所谓”数值风洞”技术受到了越来越多的重视。从理论上讲, 这种方法具有较强的准确度和广泛的适应性。在实际操作上, 还有很多技术问题有待于进一步探讨。

   通过风洞试验,可以获得膜结构建筑物表面任一测点的净风压。将此压力除以一个特定的参考风压(通常选择梯度风压或建筑物檐口高度风压) ,得到一个无量纲系数, 称为压力分布系数。值得注意的是,压力分布系数和风载体型系数是不一样的,即便是在同一个面上不同测点的压力分布系数也是不一样的。根据这些系数可以画出建筑物表面的风压等值线图。在实际工程中,为了应用的方便,通常采用一个面上压力分布系数的加权平均作为风载体型系数,以供设计参考。

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