強/臺風作用下大跨空間索桁體系現場風壓風振實測研究_論文

第４２卷第５期

２０１ ３年１ ０月

上海師范大學學報（自然科學版）

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）

Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．５

０ｃｔ．．２ ０ １ ３

強／臺風作用下大跨空間索桁體系現場

風壓風振實測研究

張志宏 ，劉中華２，董石麟

（１．上海師范大學建筑Ｓ－程學院，上海２００２３３；２．浙江精２１２鋼結構有限公司，浙江紹興３１２０３０；

３．浙江大學土木Ｓ－程學院，杭州玉泉３１００２７）

摘要：為保證我國東南沿海地區大跨預應力柔性體系的抗風安全性，并為規范規程的進一步

修訂做準備，建筑工程學院針對強／臺風多發地區實際、典型大跨空間索桁體系一樂清“彎月”

體育場，進行現場風壓風振實測，以獲得足尺結構在真實建筑風環境下的風荷載和風致效應．

一

方面，這是研究大跨柔性體系強／臺風作用下的風荷載特性、風致效應及機理最為直接和有

效的手段，測試數據最具有科學研究和實際應用價值．另一方面，亦是深入研究其在強／臺風作

用下結構抗風設計實用方法的基礎．若能取得創新性成果，可顯著提升我國大跨預應力柔性體

系的抗風設計研究水平．

關鍵詞：空間索桁體系；現場實測；風荷載；風致效應

中圖分類號：ＴＵ ３５２．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１０００－５１３７（２０１３）０５－０５４６－０５

我國是世界上少數幾個風災影響嚴重的國家之一，緊鄰西北太平洋的我國東南沿海地區（如溫州

地區樂清市），更是熱帶氣旋影響的重災區，每年都要受到１～２次影響．熱帶氣旋給人民的生命財產安

全帶來了嚴重威脅，如２００４年１４號強臺風“云娜”正面襲擊樂清市，中心最大風速達５８．７ ｍ／ｓ，在樂清

上空停留長達１２ ｈ，３２１０間民房和廠房等大量低矮建筑倒塌，全市直接經濟損失近１８億元．

然而，近年來大跨柔性空間索桁體系（多用于體育場罩棚結構、通常采用ＰＴＦＥ／ＰＶＣ膜材圍護）應

用于我國東南沿海地區大型體育、公共建筑已比較多見，建筑高度一般在２０—４０ ｍ左右，屬于廣泛意義

上的近地低矮建筑范疇．如已建成的深圳寶安“竹林”體育場，佛山“世紀蓮”體育場和在建的樂清“彎

月”體育場等，環索初始設計預應力均在２×１０ Ｎ以上．由于對強／臺作用下大跨柔性體系非線性風致

效應機理認識不足及其抗風設計理論和實用方法的欠缺，臺風區大跨柔性體系的抗風安全性極易成為

工程設計的薄弱環節．具體體現在如下幾個方面：

（１）我國建筑結構荷載規范均基于良態氣候，較適用于不易受臺風影響的內陸地區．然而，我國東

南沿海地區最大風速大多由非良態氣候的臺風引起，臺風下近地風場特性如平均風速剖面、湍流強度剖

面、功率譜和風速風向風壓的非平穩特性等 與良態氣候下有較大的差異．

（２）大跨索膜結構往往具有復雜的氣動外形，我國建筑結構荷載規范要求通過剛性模型測壓風洞

試驗確定其風壓體型系數，沿用風振系數或等效靜力風荷載等高層、高聳結構（豎向一維尺度占優）的

抗風設計、計算方法，忽視了大跨空間結構（平面占優或三維尺度接近）的動力特性（如多模態耦合、多

收稿日期：２０１３－０７—１７

基金項目：國家自然科學基金項目（５１２７８２９７）；上海師范大學結構工程重點學科建設項目；上海市０８５內涵建設

項目

作者簡介：張志宏（１９７４一），男，博士，上海師范大學建筑工程學院副教授；劉中華（１９７６一），男，高級工程師，浙江

精工鋼結構有限公司總工程師．

第５期 張志宏，劉中華，董石麟：強／臺風作用下大跨空間索桁體系現場風壓風振實測研究 ５４７

振型參與和動力失穩等）和近地風場繞流特征．此外，風洞試驗亦較難準確模擬強／臺風下大氣邊界層

近地風場特性如湍流特征尺度、湍流強度、雷諾數、建筑風環境和豎向風等．大跨柔性體系尚存在非線性

動力特性明顯和風與結構的流固耦合效應等 ．

（３）大跨柔性索膜結構如空間索桁體系、索穹頂結構等，具有結構自重輕、柔度大、自振頻率低且分

布密集和阻尼小等結構特點，特別是在強／臺風多發區如我國東南沿海地區，風荷載可達結構自重的ｌ０

倍或以上，是結構設計的主要控制荷載．

（４）對于鋼筋混凝土薄殼和鋼網殼等大跨剛性體系，其形狀設計主要涉及重力荷載下結構幾何形

狀優化 而較少考慮風荷載及風致效應的影響 ．然而，對大跨空間索桁體系而言，設計合理的索系空

間曲線形狀及承風膜曲面形狀可大大提高其抗風安全性，降低體系的設計初始預應力水平和工程造價．

１現場實測研究現狀

目前，結構抗風方面的研究逐漸形成了以現場實測、風洞實驗和數值模擬等研究手段相結合的綜合

方法．現場實測相當于足尺氣彈模型自然風場試驗，可以避免縮尺氣彈模型物理風洞實驗的相似比畸變

效應，對強／臺風下大跨預內力柔性體系的風荷載和風致效應機理研究不可或缺．然而，現場實測亦存在

來流風向風速不穩定、周期長、費用高和工程地點不易選擇等問題．此外，風荷載計算流體力學（ＣＦＤ）數

值模擬可以與現場實測和風洞實驗對比研究，其突出的優點是快速、無硬性成本和可視化流場演化特征

等，且已有大型商業軟件如ＡＤＩＮＡ和ＡＮＳＹＳ１３．０等可用．

國外學者主要對一般高度意義上的低矮房屋（高度小于２４米，或七層以下房屋）非臺風情況下的

表面風壓特性和近地風場特性進行現場實測研究，如英國Ａｙｌｅｓｂｕｒｙ實驗樓、西爾斯試驗樓，美國德克薩

斯理工大學試驗樓（ｒＩ１’ｕ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ）等．大跨空間結構的現場實測較少，僅Ａｐｐｅｄｅｙ和Ｐｉｔｓｉｓ等 Ｉ９ 對悉尼

Ｂｅｌｍｏｒｅ與Ｃａｌｔｅｘ體育場懸挑屋蓋進行了小規模風壓實測．近年來，我國現場風壓實測方面的研究也正

逐步展開，成效顯著．例如李秋勝、胡尚瑜等 “ 在廣東某海岸建造了一個可移動式的原型實測房（追

風房），對比同體型比低矮房屋的風洞試驗數據，分析并總結了不同風場環境下的屋面風壓及體型系數

的分布規律；朱丙虎、張其林等 對世博軸索膜結構表面風壓進行了現場實測；黃鵬、顧明等¨ 在浦東

機場建造了一棟坡角可調的低矮房屋及測風塔，對東海邊附近的風場特性及低矮建筑屋蓋表面風壓特

性如非高斯分布偏度和峰度進行了研究（ＴＪＵ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ）．

上述開拓性研究表明，選取我國東南沿海地區典型大跨索膜結構一樂清“彎月”體育場（圖１，２），

進行現場風壓風振實測，獲得足尺結構在真實建筑風環境下的風荷載和風致效應，是研究大跨柔性體系

強／臺風致效應機理最為直接和有效的手段，測試數據也最具有科學研究和實際應用價值．

圖１樂清體育中心一場兩館效果圖

２測點布置

樂清“彎月”體育場現場已安裝索力、鋼結構應力應變、表面溫度、加速度及風速風向（Ｒ．Ｍ

第５期 張志宏，劉中華，董石麟：強／臺風作用下大跨空間索桁體系現場風壓風振實測研究

３測試系統設計

測試系統如表１所示．具體采樣系統技術要求：系統須保證２５６通道不低于１００Ｈｚ風壓數據同步、

長期（＞１年）穩定采集．預留模塊升級接口，增加該模塊后可實現系統無人值守，無線遠程控制，人工智

能自我故障診斷，遠程自動報警等功能．具體技術要求如下：（１）自動采集和記錄傳感器實際測量值；

（２）采集時間間隔，根據需要自行設置；每通道最大采樣數據不小于３Ｋ．（３）通道數：２５６路；（４）根據傳

感器數量，設置通道數，設置相應測試時間等；（５）可設置參數：采集通道、采樣間隔、采樣頻率等；（６）采

集后自動保存記錄成文本文件（或ＥＸＣＥＬ格式）；系統主要部件要求：（１）配套傳感器ＣＹＧ１７２１／

ＣＹＧ１７２２輸入電壓：２４ Ｖ；輸出電流：４～２０ ｍＡ（２）線性電源２４ ＶＤＣ／２ Ａ（四個朝陽線性電源）（３）２５６

通道信號防雷模塊三級防雷，１００００ Ｖ／５０００ Ａ（４）采樣轉換板電流信號轉電壓信號，帶低通濾波（４）

ＡＤ卡總線形式：ＰＣ１分辨率：１６位（Ｂｉｔ）總通道數：２５６路單端／卡單通道最高采樣速率：３ ＫＳ／ｓ輸入阻

抗：１００ ＭＩ２／１０ ｐＦ（關）；１００ ＭＤ．／１００ ｐＦ（關）．專用導氣屏蔽電纜技術要求：護套Ｐｕ外皮為白色內部為

黑色，防水耐候，耐紫外線壽命不小于５年，護套材料抗拉耐磨，護套厚度不小于１．３ ｍｍ，內帶內孔

１．２ ｍｍ導氣管．電纜外徑（７±０．１）ｍｍ，額定電壓６００ Ｖ，工作溫區：一２５～８５ ｏＣ，仰．１２ ｍｍ鍍鋅銅絲

屏蔽編制密度大于８０％．

表１表面風壓監測系統

４結語

簡單介紹了正在推進的樂清“彎月”體育場現場風壓、風振實測研究的前期準備工作，鑒于論文篇

幅限制及測試結果尚未處理完成，相關數據分析和研究內容暫不展開論述．

應當指出，強／臺風作用下大跨空間索桁體系的風致效應及機理復雜，不僅受控于風荷載的特性如

湍流特征尺度、氣流分離后渦脫的頻率和流場演化等結構外在條件，而且與大跨空間索桁體系內在的非

線性動力特性緊密相關，大跨柔性體系的抗風設計方法亦任重而道遠．

參考文獻：

［１］ 胡尚瑜，李秋勝．低矮房屋風荷載實測研究（Ｉ）一登陸臺風近地邊界層風特性［Ｊ］．土木工程學報，２０１２，４５（２）：

７７—８４．

［２］ 趙林，朱樂東，葛耀君．”羅莎”（０７１６）臺風高空實測脈動風特性分析［Ｊ］．空氣動力學學報，２０１０，２８（３）：２９１－２９６．

［３］ 陳亞楠，周岱．風敏感空間結構風致耦合研究與分析述評［Ｊ］．振動與沖擊，２０１２，３１（７）：１０４—１０９．

［４］ 王春江，陳鋒，周岱．風場中長單索結構流同耦合效應的動力學分析［Ｊ］．力學季刊，２０１０，３１（２）：２１３—２１９．

［５］ 王偉亮，楊慶山．薄膜結構風致耦合作用數值初探［Ｊ］．計算力學學報，２０１０，２７（３）：４２２－４２７．

５５０ 上海師范大學學報（自然科學版） ２０１３經

［６］ＢＥＬＬＥＳ Ｐ，ＯＲＴＥＧＡ Ｎ，ＲＯＳＡＬＥＳ Ｍ．Ｓｈｅｌｌ ｆｏｒｍ—ｉｆｎｄｉｎｇ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏｏｌｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，３１：２６５６—２６６６．

［７］

ＴＡＫＵＺＯ Ｙ，ＴＯＭＯＨＩＫＯ Ｋ．Ｓｈａｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｅｌｌ ｒｏｏｆｓ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｒｏｎｇ ｗｉｎｄ ｕｓｉｎｇ ｍｕｈｉｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｌｅ

ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊ Ｓｔｒｕｃｔ Ｃｏｎｓｔｒ Ｅｎｇ，ＡＩＪ，２００９，７４（６３６）：２９７—３０４．

［８］ ＡＰＰＥＲＬＥＹ Ｌ Ｗ，ＰＩＴＳＩＳ Ｎ．Ｍｏｄｅｌ／ｆｕｌｌ—ｓｃｌｅａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ ｇｒａｎｄｓｔａｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌ Ａｅｒｏｄｙｒａｎａｍｉｃｓ，１９８６，２３：１９９—２５９．

［９］ ＰＩＲＳＩＳ Ｎ Ｇ，ＡＰＰＥＲＬＥＹ Ｌ Ｗ．Ｆｕ￣ｈｅｒ ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｇｒａｎｄｓｔａｎｄ［Ｊ］．

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，１９９１（３８）：４３９—４４８．

２０１２，４５（８）：１５—２４． 胡尚瑜，李秋勝，等．臺風作用下低矮房屋屋面角部峰值壓力實測研究［Ｊ］．土木工程學報，

［１０］

李正農．低矮房屋風荷載實測研究（Ｈ）一雙坡屋面風壓特征分析［Ｊ］．土木工程學報，２０１２，４５ 李秋勝，胡尚瑜，

［１１］

（４）：１—８．

２０１２，４０（２）：１３ 朱丙虎，張其林．世博軸索膜結構屋面風效應的監測分析［Ｊ］．華南理工大學學報：自然科學版，

［１２］

—

１８．

［１３］ 王旭，黃鵬，顧明．海邊坡角可調試驗房風荷載現場實測研究［Ｊ］．震動與沖擊，２０１２，３１（５）：１７６—１８２．

［１４］ ＣＯＮＣＩ Ａ，ＧＡＴＹＡＳＳ Ｍ．Ｎａｔｕｒａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ ｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎｓ ｗｉｔｈ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆｒ Ｎｕｍｅｉｒｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９０，２９（８）：１６５３—１６７９．

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

ａｎｙ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｕｒ

ｃｏｕｎｔｒｙ．

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

（責任編輯：顧浩然）