膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗
1、膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的重要性
近年來,一些大型膜結(jié)構(gòu)在強風(fēng)作用下破壞的實例,也從另一個側(cè)面證明了抗風(fēng)設(shè)計的重要性。比如,美國佐治亞穹頂在建成幾年后,于 1995 年的一次大雨強風(fēng)襲擊下,五片薄膜被撕裂,撕裂長度達20余米;
膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的兩個顯著特點是輕和柔。輕,意味著結(jié)構(gòu)自身的慣性力很小,地震作用下的影響基本可以忽略不計,相對比較下風(fēng)對膜結(jié)構(gòu)的影響更為重要;柔,意味著彎曲剛度很低,膜結(jié)構(gòu)對外荷載的抵抗主要通過自身形狀的改變來實現(xiàn),即膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下會產(chǎn)生非常大的變形,表現(xiàn)出明顯彎曲線性特征。這些特點決定了膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),抗風(fēng)設(shè)計是膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計中很好的要考慮的因素。
2、膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)參數(shù)的確定
由于膜結(jié)構(gòu)的形體各異以及相關(guān)理論研究的滯后,目前在膜結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)確定方面還沒有一種普遍適用的方法。由于膜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系,因此定義荷載風(fēng)振系數(shù)在理論上并不完善,應(yīng)該確定基于響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)。對于復(fù)雜體型的大、中型膜結(jié)構(gòu),需借助風(fēng)洞試驗來確定相應(yīng)設(shè)計參數(shù)。
3、膜結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗
所謂風(fēng)洞試驗,就是將建筑物的縮尺模型置于一個特殊設(shè)計的管道內(nèi),用動力設(shè)備產(chǎn)生與實際情況近似的可控制的氣流,并借助一定的測量儀器,獲得所需的氣動力信息。
膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的確定包含對膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布的預(yù)測,或是風(fēng)載體型系數(shù)的確定,以及對結(jié)構(gòu)在脈動風(fēng)荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)的預(yù)測,或是風(fēng)振系數(shù)的確定兩部分。盡管風(fēng)洞試驗具有費用高、周期長、某些相似數(shù)無法準(zhǔn)確模擬等缺點,但它仍然是目前研究鈍體繞流的主要方法。目前的風(fēng)洞測壓試驗技術(shù)已比較成熟,借助大氣邊界層風(fēng)洞,通過對剛性模型表面動態(tài)風(fēng)壓的測量,所獲得的結(jié)果,可以基本滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。由于膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大,結(jié)構(gòu)位形的變化必然會對其周圍風(fēng)場產(chǎn)生影響,從而改變其表面的風(fēng)壓分布。所以膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動力響應(yīng)過程是一個典型的流固耦合(風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用)過程。對這一動力過程的風(fēng)洞試驗?zāi)M必須采用氣動彈性模型。氣動彈性模型試驗涉及到大量的相似參數(shù)和復(fù)雜的觀測技術(shù),技術(shù)難度大,目前國內(nèi)外在這方面都還處于研究階段。
隨著計算機有限元技術(shù)的發(fā)展,一種將計算流體力學(xué)和計算結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)合起來,用計算流體力學(xué)來模擬結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場、用計算結(jié)構(gòu)力學(xué)來模擬膜結(jié)構(gòu),再借助某些參數(shù)的傳遞來實現(xiàn)兩者之間的耦合作用的所謂“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)受到了越來越多的重視。從理論上講,這種方法具有較強的準(zhǔn)確度和廣泛的適應(yīng)性。在實際操作上,還有很多技術(shù)問題有待于進一步探討。
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