建筑結構風工程數(shù)據(jù)庫研究

王鶴鶴

【摘 要】本文主要介紹了國內外幾個較為重要的風工程數(shù)據(jù)庫，包括美國標準與技術協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫，日本東京工藝大學氣動數(shù)據(jù)庫、美國圣母大學風荷載數(shù)據(jù)庫等，分析了各數(shù)據(jù)庫中所收錄的建筑模型種類、數(shù)據(jù)內容等，以便工程人員和研究人員參考。

【關鍵詞】高層建筑；風工程；數(shù)據(jù)庫；在線計算

0 引言

隨著建筑技術的發(fā)展，高層建筑的數(shù)量與日俱增，其高度也在不斷突破，從起初的幾十米已然發(fā)展到了現(xiàn)在的800多米，沙特甚至提出建造高達千米的超高層建筑“王國塔。一般而言，隨著高度的增大以及輕質建材的大量使用，結構變得越來越柔，其基頻更加接近自然界風的卓越頻率，風對結構的作用也隨之增大，風荷載逐漸成為建筑結構的控制荷載。與此同時，高層建筑的造型也已不再是簡單的長方體形狀，而是變得更為復雜，比如，倒角形，連體形，Y字截面形等。復雜的建筑造型使得建筑的風荷載分析變得更為棘手。對于這些復雜且超高的建筑，往往需要進行專門的風洞試驗研究以確定結構響應和等效靜力風荷載。

近年來，國內外研究機構為了某些研究項目完成了大量的風洞試驗，而項目完成以后這些風洞試驗數(shù)據(jù)往往會被閑置起來，造成了基礎資料的浪費。因此，為了更好地保存和展示這些風洞試驗數(shù)據(jù)，國內外一些機構基于本機構所完成的試驗紛紛建立了建筑結構風工程數(shù)據(jù)庫。其中包括了美國標準與技術協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫，日本東京工藝大學氣動數(shù)據(jù)庫，美國圣母大學風荷載數(shù)據(jù)庫，哈爾濱工業(yè)大學風工程數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)庫所收錄的試驗數(shù)據(jù)類型各不相同，依據(jù)所包含的試驗模型可分為高層建筑風工程數(shù)據(jù)庫，低矮建筑風工程數(shù)據(jù)庫，大跨建筑結構風工程數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)庫。總的來說，這些數(shù)據(jù)庫為研究人員提供了一個基礎數(shù)據(jù)來源，為風工程科研事業(yè)的發(fā)展做出了一定的貢獻。

1 幾個重要的風工程數(shù)據(jù)庫分析

目前主要的風工程數(shù)據(jù)庫是由北美和日本等地的一些研究機構所完成的。其中，美國標準與技術協(xié)會（NIST）建立的風荷載數(shù)據(jù)庫[xx]是專門的低矮建筑數(shù)據(jù)庫，收錄了大量低矮建筑模型的風洞試驗數(shù)據(jù)。Zhou & Kareem [xx]建立的美國圣母大學風荷載數(shù)據(jù)庫高層建筑氣動力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫以及Wang & Cheng [xx]建立的高層建筑抗風網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫是專門的高層建筑風工程數(shù)據(jù)庫，僅收錄了高層建筑模型的實驗數(shù)據(jù)。東京工藝大學氣動數(shù)據(jù)庫則是綜合性的數(shù)據(jù)庫，收錄了單獨高層建筑模型試驗數(shù)據(jù)，干擾高層建筑模型試驗數(shù)據(jù)以及低矮建筑模型試驗數(shù)據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學建筑風荷載數(shù)據(jù)庫則主要是收錄了若干個大跨結構模型的實驗數(shù)據(jù)，除此之外還收錄了少量高層建筑模型的實驗數(shù)據(jù)，是以大跨建筑為主的綜合性風工程數(shù)據(jù)庫。此外，美國圣母大學高層建筑數(shù)據(jù)庫還配套有風荷載在線計算系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入信息調取模型試驗數(shù)據(jù)進行計算。

1.1 美國標準與技術協(xié)會低矮建筑氣動數(shù)據(jù)庫

美國標準與技術協(xié)會（NIST）將加拿大西安大略大學（UWO）邊界層風洞試驗室得到的關于低矮房屋的風荷載數(shù)據(jù)進行整理，并建立了相應的風荷載數(shù)據(jù)庫[xx]。該數(shù)據(jù)庫收錄了由西安大略大學大學邊界層風洞實驗室完成的95個雙坡面屋頂模型的剛體模型測壓試驗數(shù)據(jù)，這些模型的屋頂傾斜度、房屋高度、房屋底面尺寸、開洞情況、幾何縮尺比以及地貌各有不同。該數(shù)據(jù)庫根據(jù)這些模型特征將模型列于表中，研究人員選擇模型后可查看該模型試驗數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括了測試工況、模型測點圖以及各測點風壓時程等基礎數(shù)據(jù)。

1.2 日本東京工藝大學氣動數(shù)據(jù)庫

該氣動數(shù)據(jù)庫包括高層建筑風壓數(shù)據(jù)庫、干擾下高層建筑風壓數(shù)據(jù)庫以及低矮建筑風壓數(shù)據(jù)庫三部分。其中高層建筑風壓數(shù)據(jù)庫收錄了13個簡單長方體模型在兩種風場下的剛體模型測壓試驗數(shù)據(jù)，各模型尺寸比例如表1所示，其中α指地面粗糙度指數(shù)。研究人員選擇要查看的模型后進入風洞試驗結果展示頁面。該頁面可查看的內容包括模型幾何參數(shù)、風壓測點布置圖、立面風壓分布等值線圖、立面風壓統(tǒng)計值、測點風壓系數(shù)等。該數(shù)據(jù)庫提供了測壓試驗的風壓基礎數(shù)據(jù)，工程人員或研究人員可以借助這些基礎數(shù)據(jù)做進一步的計算或研究。

干擾下高層建筑風壓數(shù)據(jù)庫收錄了受擾建筑模型剛體模型測壓試驗數(shù)據(jù)，其中施擾建筑是處于周邊特定位置的單個相同建筑模型。受擾建筑模型共有5種，其尺寸如表2所示。施擾建筑相對于受擾建筑共有37個相對位置，研究人員選擇受擾模型以及施擾建筑位置后，可查看該工況下受擾建筑模型的表面風壓分布等值線圖以及各測點風壓系數(shù)時程文件。

東京工藝大學低矮建筑風壓數(shù)據(jù)庫包含了有屋檐低矮建筑風壓數(shù)據(jù)庫，無屋檐低矮建筑風壓數(shù)據(jù)庫和群體低矮建筑風壓數(shù)據(jù)庫。

表3 美國圣母大學風荷載數(shù)據(jù)庫模型

研究人員根據(jù)建筑尺寸、屋檐情況、建筑群體情況選擇相應的模型和實驗工況后，可查看模型各表面風壓分布等直線圖、各測點風壓系數(shù)時程文件等。鑒于本文主要研究高層建筑數(shù)據(jù)庫，本部分暫不做詳細介紹，有興趣的研究人員可自行詳細了解。

1.3 美國圣母大學風荷載數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫包括了27種直棱柱模型在兩種風場下的剛體模型測力試驗數(shù)據(jù)。這些模型包括21個矩形截面模型，3個三角形截面模型以及3個平行四邊形截面模型，各模型參數(shù)如表3所示。

該數(shù)據(jù)庫附帶在線計算平臺，工程人員根據(jù)實際建筑幾何特性選擇模型，并輸入實際建筑的幾何參數(shù)、動力參數(shù)和風場信息后系統(tǒng)計算并輸入實際建筑的風力系數(shù)功率譜以及等效靜力風荷載等信息供工程人員參考。該在線平臺使得數(shù)據(jù)庫的使用更為便利化，特別是對于關注等效靜力風荷載的工程設計人員來說，該平臺的使用極大地提升了設計工作的效率。

1.4 同濟大學高層建筑抗風軟件平臺

該數(shù)據(jù)庫是由同濟大學結構風工程課題組所構建，包括了測力試驗數(shù)據(jù)庫，測壓試驗數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)庫以及基于規(guī)范的荷載響應在線計算平臺。數(shù)據(jù)庫收錄了大量形狀各異模型的試驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了基底剪力時程、表面風壓分布等基礎資料。

2 總結

本文主要分析了國內外幾個建筑結構風工程數(shù)據(jù)庫的建設狀況。總的來說，這類數(shù)據(jù)庫為研究人員和工程人員提供了重要的基礎資料來源，同時也解決了風洞試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的保存問題，實現(xiàn)了基礎資料的共享和再利用。為風工程學科的健全和發(fā)展具有一定意義。目前，這類數(shù)據(jù)庫的建設仍有一些不足之處，比如，多數(shù)數(shù)據(jù)庫收錄的模型較少，對于研究人員而言，無法獲得成系統(tǒng)的研究資料；大多數(shù)模型為標準的長方體模型，與現(xiàn)實情況不符。

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[責任編輯：楊玉潔]