摘 要： 

　　具有質(zhì)量輕，柔性大的大跨度結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下十分敏感。因此，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識(shí)別，成為了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主控荷載之一。目前可以用來對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行識(shí)別的方法主要有以下幾種，風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測。但是這些方法都存在一些不足，采用數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗(yàn)方法，可以提高風(fēng)洞試驗(yàn)的精確度，這是一種較有效的進(jìn)行風(fēng)荷載識(shí)別的方法。 

　　關(guān)鍵詞： 

　　大跨度結(jié)構(gòu)；風(fēng)荷載識(shí)別；風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)值模擬 

　　中圖分類號(hào)：TB 

　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 

　　隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及新型的建筑材料的開發(fā)利用，土木工程建造技術(shù)也隨之得到飛速的提升。為了滿足人類多元化的交流、生活需求，需要打造出能提供較大空間的大跨度空間結(jié)構(gòu)。為此空間結(jié)構(gòu)向著，大跨度化、體型復(fù)雜化發(fā)展。也可以說，在建筑史發(fā)展方向上，土木工程的建筑結(jié)構(gòu)在空間上向著高層、高聳、大跨度結(jié)構(gòu)方面發(fā)展，在體型上涌現(xiàn)出一批造型獨(dú)特、外形復(fù)雜的建筑物。可以說，建造復(fù)雜的、大型的大跨度空間結(jié)構(gòu)往往成為了一個(gè)城市發(fā)展的需要，往往也能反映出一個(gè)國家或城市，在土木工程建造技術(shù)水平方面水平及成果。 

　　1 大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的主控因素 

　　隨著新材料的利用和新工藝的發(fā)展，目前設(shè)計(jì)的大跨度空間結(jié)構(gòu)常采用的結(jié)構(gòu)形式主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。形態(tài)各異的大跨度空間結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建造大型的公共建筑物，如火車站、航站樓、體育場館、會(huì)展中心、影劇院、大型商場、工廠車間等建筑中。這類結(jié)構(gòu)有些共同點(diǎn)，那就是質(zhì)量輕，阻尼小，柔性大，自振頻率較低等。因此該類結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載作用下的反應(yīng)非常的敏感。那么，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行識(shí)別設(shè)計(jì)，成為了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主控荷載之一。我國又是全球少數(shù)受臺(tái)風(fēng)襲擊最嚴(yán)重的國家之一，通過大量資料表明，每年在我國發(fā)生的風(fēng)災(zāi)造成了眾多的人員傷亡和巨額的經(jīng)濟(jì)損失。那么，對(duì)這類大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，對(duì)這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行有效的識(shí)別分析，顯得非常的關(guān)鍵。 

　　2 大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用的特異性 

　　風(fēng)荷載的識(shí)別是進(jìn)行大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)分析的基礎(chǔ)。然而，長期以來我國在大跨度空間結(jié)構(gòu)的理論研究方面主要側(cè)重于靜力作用下結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振反應(yīng)研究較少。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用的風(fēng)振系數(shù)，這些系統(tǒng)往往來源于對(duì)高層和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載研究中獲得。由于大跨度結(jié)構(gòu)與高層和高聳結(jié)構(gòu)的差異性，可以說通過這種方法獲得的風(fēng)振系數(shù)精度不高，甚至有些與大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)甚至是矛盾的。為了能保證結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇一個(gè)很保守的定義風(fēng)振系數(shù)的數(shù)值，這樣設(shè)計(jì)的大跨度空間結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的效果，甚至有可能還會(huì)為將來結(jié)構(gòu)的安全埋下了隱患�？偟膩碚f，大跨度結(jié)構(gòu)與高層和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載差異性體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。 

　　（1）風(fēng)荷載作用下的結(jié)果不同。高層建筑，由于結(jié)構(gòu)層間剛度及整體剛度均很大，那么這類結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下一般不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)問題，那么這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)放在分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體變形；對(duì)高聳結(jié)構(gòu)而言，雖然整體剛度較小，但是在風(fēng)荷載作用下，其振動(dòng)具有很明顯的一維特性，結(jié)構(gòu)以順風(fēng)向和橫風(fēng)向的振動(dòng)較為明顯，其設(shè)計(jì)與分析也相對(duì)簡單一些；對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載作用非常敏感。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下表面的風(fēng)壓分布不均勻，甚至有可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)動(dòng)力失穩(wěn)問題。 

　　（2）風(fēng)荷載作用下分析的維數(shù)不同。對(duì)于大部分高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)等，這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)大多可簡化為一維受力結(jié)構(gòu)體系。大跨度空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)，通常要在時(shí)間、空間上全面的分析，其作用是三維的。 

　　（3）空間相關(guān)性不同。對(duì)高層、高聳建筑而言，其高度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方向尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)只考慮沿建筑物高度方向的風(fēng)荷載的相關(guān)性，但是設(shè)計(jì)的大跨度空間結(jié)構(gòu)，其在長、寬、高三個(gè)方向的尺寸非常的接近，必須考慮三個(gè)方向風(fēng)荷載的空間相關(guān)性。 

　�。�4）結(jié)構(gòu)分析的節(jié)點(diǎn)多。為了增大結(jié)構(gòu)的跨度，大跨度結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件與桿件之間存在很多節(jié)點(diǎn)，其表面體型的復(fù)雜性，也決定了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)處風(fēng)荷載分布的不均勻性，所以要對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍處的風(fēng)荷載進(jìn)行時(shí)域、空間的分析才顯得有意義。 

　　3 常用的大跨度空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載識(shí)別方法 

　　現(xiàn)代主要是通過研究自然界中的風(fēng)與建筑物和構(gòu)筑物的作用效應(yīng)，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究。換句話說，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究的重點(diǎn)就是對(duì)風(fēng)與建筑物和構(gòu)筑物產(chǎn)生的作用效應(yīng)分析，也就是對(duì)這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載效應(yīng)進(jìn)行有效的識(shí)別。如已經(jīng)形成的理論有：近地風(fēng)的紊流效應(yīng)、鈍體空氣壓力，以及由風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)及風(fēng)振控制的研究。按照建筑物在風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)不同，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究可以分為兩個(gè)方面，一是針對(duì)高層建筑的風(fēng)荷載識(shí)別方法，二是適用于大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識(shí)別方法。 

　　隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，較好的解決了高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載識(shí)別分析的問題。在高層建筑風(fēng)荷載識(shí)別方面，已形成了基于結(jié)構(gòu)彈性、線性和擬定常氣動(dòng)力理論的風(fēng)荷載識(shí)別方法。但由于大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的特殊性，這些方法無法直接用于大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的識(shí)別。目前常用的基于大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載識(shí)別方法主要有幾下幾種。 

　　（1）風(fēng)洞試驗(yàn)方法。風(fēng)洞試驗(yàn)可以分為兩大類，分別是剛性試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜌鈩?dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀；�于剛性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)一般只需要精確的模擬建筑的外形，通過外形反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性；基于氣動(dòng)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)物的外形、結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布以及阻尼特性這些反應(yīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的參量。通過在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕�立中考慮這些動(dòng)力特性參量，以達(dá)到有效的識(shí)別風(fēng)荷載。一般情況下，不做特殊要求的，大部分大跨度空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)選用的是剛性結(jié)構(gòu)模型。通過風(fēng)洞試驗(yàn)，收集結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)資料。利用計(jì)算機(jī)輔助軟件功能，可以提高風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的效率。目前利用計(jì)算機(jī)控制下的多通道壓力測量系統(tǒng)，可以同時(shí)進(jìn)行幾百個(gè)測點(diǎn)的瞬時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓的收集。收集到的測點(diǎn)風(fēng)壓資料，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和加權(quán)的本征正交分解法對(duì)原始風(fēng)壓數(shù)據(jù)資料進(jìn)行重組。分析前幾階本征向量的物理意義以及其對(duì)風(fēng)荷載的貢獻(xiàn)，通過前幾階起控制作用的本征模態(tài)風(fēng)荷載信息，可以很迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)荷載的識(shí)別。 　�。�2）數(shù)值模擬計(jì)算方法。該方法將流體力學(xué)理論（CFD，Computational Fluid Dynamic）和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)結(jié)合起來，可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行模擬識(shí)別，虛擬模擬出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓場分布并由此進(jìn)一步計(jì)算出出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的普及應(yīng)用和數(shù)值分析方法的深入運(yùn)用，風(fēng)荷載的數(shù)值模擬理論計(jì)算方法取得很大發(fā)展。在各種模擬方法中，以Monte.Carlo法和Orthogonal Decomposition法應(yīng)用較多，兩種方法中Monte.Carlo法更具優(yōu)勢。因此，工程上通常以Monte.Carlo法為基礎(chǔ)，結(jié)合Fourier變換和濾波方法，可以從不同的角度用隨機(jī)過程模擬風(fēng)速、不同的脈動(dòng)風(fēng)速譜或風(fēng)壓時(shí)程。 

　�。�3）現(xiàn)場實(shí)測方法。其通過在屋面上布置傳感器，用來測量大跨度結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行識(shí)別，其基于在現(xiàn)場直接測量分荷載。 

　　以上幾種方法，相互之間可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充，另外也可以相互進(jìn)行檢驗(yàn)，其中以風(fēng)洞試驗(yàn)方法應(yīng)用為主。但是該方法也存在不足，該方法的準(zhǔn)確性很大程度上受到測點(diǎn)布置方案的影響；數(shù)值模擬方法，由于其采用虛擬的手段模擬風(fēng)荷載，識(shí)別風(fēng)荷載。因此其可靠性和精確性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)；現(xiàn)場實(shí)測方法但由于該方法需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，該方法的可行性受到很大的限制，另外在實(shí)測過程中需要布置儀器，占用較長時(shí)間，因此目前該方法運(yùn)用較少。 

　　4 基于集成的數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗(yàn)研究方法 

　　雖然風(fēng)洞試驗(yàn)是研究大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的主要方法，然而風(fēng)洞試驗(yàn)過程中也有其不足之處。由于試驗(yàn)之前尚不清楚結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布，那么測點(diǎn)的布置方案，試驗(yàn)的周期安排只能靠研究人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定。特別是對(duì)于造型復(fù)雜的大跨度空間結(jié)構(gòu)，很可能會(huì)出現(xiàn)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集周期，以及測點(diǎn)布置方案不太合理，導(dǎo)致風(fēng)洞試驗(yàn)下無法對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行有效的識(shí)別，體現(xiàn)在無法收集到準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)的參數(shù)和風(fēng)荷載分布參數(shù)。影響風(fēng)荷載識(shí)別精度，給后面結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)帶來安全隱患。 

　　在工程上可以將數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種研究方法集合起來，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，即形成了基于“數(shù)值模擬引導(dǎo)下的風(fēng)洞試驗(yàn)”方法來進(jìn)行風(fēng)荷載的識(shí)別。首先利用數(shù)值模擬方法，虛擬出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布。該虛擬得到的風(fēng)壓分布趨勢，可以用來確定結(jié)構(gòu)表面的最不利的風(fēng)壓力分布區(qū)域。其確定的最不利風(fēng)壓分布，可以用來輔助工程人員在風(fēng)洞試驗(yàn)中優(yōu)化測點(diǎn)的布置方案、指導(dǎo)試驗(yàn)周期的安排，提高風(fēng)洞試驗(yàn)的精確度。 

　　參考文獻(xiàn) 

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