获得风速时程的途径主要有三种:现场实测方法、风洞试验、数值模拟。
目前,一记录风速数据量大、持续周期长、费用大、精度受测试条件和仪器误差的 影响大,应用于实际工程还不能普遍实现。现在常用的方法是风洞试验和数值模拟。
(1)现场实测方法
相比于高层建筑,低层建筑的全尺寸现场实测开展的较多。国外不少学者在70、80年代对低层建筑的现场实测开展了大量的工作,获得了很多第一手资料,很多实验成果已经体现在各国的风荷载规范中了。这其中较为著名的有英国的
Aylesbury,ExperimentalBuilding,silsoestruetureBuilding以及美国的TTUBuilding。通过现场实测数据和风洞实验数据的比较,风工程研究者们掌握了大量 有关低层建筑风荷载和地面大气层的分布特性和规律。
在大量实测数据积累的基础上,近些年国外专家提出了一个面向工程设计, 建立一个详细的空气动力的数据库。在数据库中有完整的低层建筑风洞试验测量的时程数据,这些数据可以存储也可以直接被设计人员利用。根据专家系统的数据以及识别,可以由具体的建筑几何外形和周围的风环境,来确定屋面的风荷载。
(2)风洞试验
目前,风洞试验是结构抗风研究中最主要的方法。学者们进行了大量的风洞试验,内容涵盖了对各种体型及屋面形式的低层房屋的风压分布研究;屋顶的构造和覆面材料对风压分布的影响;建筑物之间相互干扰的影响;低层房屋屋面压力峰值及其波动的研究;房屋开洞对于低层建筑内外风压的影响等。但是通过风洞实验确定低层建筑的风荷载存在一定难度:
1、几何缩尺比例影响。风洞实验为了得到与实际相符的风场,通常需要对大气边界层进行模拟,受风洞条件的限制,大气边界层模拟通常采用1/200一1/500的几何缩尺比,根据几何相似原则,模型
也应该采用相同的几何缩尺比,这样就使得模型的几何尺寸过小。
2、紊流度的模拟。地面附近的紊流度比较高,但在风洞中要实现这样的高紊流度并同时兼顾风音U面的模拟,也是相当困难的。
然而结构风洞试验还存在很多重要的基本问题有待深入研究。比如风洞中模拟的紊流度难以达到实际值,特别是紊流尺度相似更难以模拟;在进行复杂地形风场特性试验时,通常受到堵塞率等因素的影响。
(3)数值模拟]
风对建筑物的绕流流动是复杂的三维湍流问题,随着计算流体动力学理论的不断完善和电子计算机的迅速发展,借助计算机数值模拟方法研究风的三维湍流问题已成为可能。数值风洞技术就是利用计算流体力学(CFD)方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风荷载。
这是近十几年发展起来的一种结构风工程研究方法,并逐渐形成了一门新兴的结构风工程分支一计算风工程学(CWE)。CWE是涉及多门学科的交叉学科,其主要研究内容包括:近地风特性,建筑钝体空气动力学和气动弹性力学,结构的风荷载和响应及破坏机理,结构风荷载及响应的控制方法,结构抗风设计方法等。
大多数土木工程结构对风的流动表现为钝体,多处在大气边界层中风速变化大、湍流度高的区域,因此风荷载数值模拟技术的对象是大气边界层中湍流作用下的钝体空气动力学。数值模拟的主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果,相比于投资大、周期长、难度高的实验研究来说,CFD的优点就更为突出。因此,将CFD与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进,而且能减少实验的工作量。可以说,CFD是一种有效和经济的研究手段。
到目前为止,风荷载的数值计算技术已经从基础的研究步入了实际应用,但仍然很不深入,所进行的工作主要集中在均匀来流条件下稳态流场的计算,而对于描述风荷载的另外一个重要数据脉动风压只能通过非稳态的计算来获得,目前这一领域仍然处于起步阶段。
困难首先表现在使用传统的湍流模型进行非定常的计算所得到的结果有较大的误差;其次,如何模拟大气边界层中的湍流并应用到数值风洞的边界条件当中也是一个非常困难的问题。目前模拟风的有效方法是根据脉动风的分布规律、风速谱及脉动风的空间相关性等来编制程序,人工产生脉动风速的时程曲线。
常用的模拟方法包括线性滤波法、谐波叠加法、逆Fourier变换法、小波分析法等。在这些方法中,线性滤波法的自回归(AR)模型因计算速度快,计算量小,精度高而广泛用于随机振动和时间系列分析中。
