利用汽車行駛風測試建筑風壓系數的跑車試驗方法研究

李勝利，武 昊，鄭舜云，歐進萍, 丁金全

(1.鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450001；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090；3.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450001)

目前國內建筑抗風研究已經得到了快速發展，風洞試驗室數量達到幾十家。建筑抗風的研究手段主要有三種，現場實測，數值模擬和風洞試驗,現場實測是研究結構抗風最可靠的方法[1-2]，但存在試驗周期長、風速風向不穩定等問題[3]。Yi等[3]研究了臺風作用下超高層建筑風效應并與風洞試驗結果進行驗證。隨著計算機技術的發展，很多學者采用數值模擬手段進行抗風研究[4-5]。然而數值模擬依然存在不能較好模擬流場且計算域劃分不精確問題[6]。Braun等[7]利用CFD手段分析了CAARC標準模型平均風壓系數分布規律。其中風洞試驗是目前為止學者們研究抗風的主要手段[8-9]。然而風洞試驗較難真實反映流場狀況，諸如實際湍流度和地貌特征[10]。Melbourne[11]對6家風洞機構測得的CAARC標準模型風壓數據進行了對比分析，6家研究機構試驗結果差異較小，并分析了出現結果差異的原因，為以后新建風洞實驗室風場校核提供參考。風洞試驗需要建造大型風洞實驗室，對于沒有風洞實驗室地區的結構抗風研究將受到限制，因此研究便攜式建筑抗風試驗方法具有很好的創新性。

Tanaka等[12]采用1∶1 000大縮尺比對CAARC標準模型進行了測壓試驗，與其他風洞機構測試數據對比后得出，采用大縮尺比模型對風壓數據結果影響不大,風壓系數受模型縮尺比影響較小。楊高豐等[13]對運牛車在行駛過程中車廂內風速風向進行了研究，得出了車頂周圍不同位置的風速風向規律，說明汽車行駛可以在車頂產生風的作用，并且風速風向有一定的分布規律。Qiang等[14]研究了高速列車在不同湍流度狀況下測點風壓系數變化規律，均勻流情況下風壓系數變化規律與湍流狀況下一致，僅僅在風壓數值上存在差異。Tecle等[15]利用風洞試驗對低矮建筑進行了測壓研究，壓力測點布置較多，利用壓力掃描模塊較多，造成試驗花費昂貴，而且受風洞實驗室尺寸和斷面的限制不能完全避免阻塞效應。相對而言利用汽車行駛產生風測試建筑物風壓系數的方法具有明顯的優點：能較真實反映測試建筑物的風場；能有效避免阻塞效應；試驗裝置簡單，試驗成本較低，試驗便利。此方法可作為抗風研究中一種新的試驗方法應用，成為風洞試驗方法之外的一個有益補充。試驗理論基礎的建立，試驗風速與皮托管測試風速的一致對應，如何處理試驗影響因素也是需要研究的重要內容。風洞試驗中定義與模型同高度處作為參考高度[16]，跑車試驗中選取汽車頂部合適位置放置皮托管。目前對于不采用風洞試驗的建筑結構測壓技術還是一項空白，基于此本文采用跑車試驗方法對剛性模型進行測壓試驗，驗證此種方法是否可行，并對測壓試驗方法進行新的探索。以上研究表明車輛在行駛中，自身整體或局部以及所運輸的物體均會受到風的作用，因此利用汽車行駛風測試布置在汽車頂部建筑模型的風壓系數的跑車試驗方法可成為一種新的抗風試驗方法。

受到上述相關研究成果的啟發，本文提出了一種理想道路條件下利用汽車行駛風測試建筑風壓系數的跑車試驗方法，采用理論推導和現場試驗的方法，構建了跑車試驗的基本理論，設計和組裝了跑車試驗的物理試驗平臺，搭建了軟件測試系統，研究了測試數據的處理方法，運用該方法對相關文獻CAARC標準模型測點的平均風壓系數進行測試。

1 跑車試驗理論模型構建

風洞試驗和數值模擬中建筑風壓系數的表達式為[17]：

(1)

式中：P為測點壓力值；P0為來流靜壓值；U為來流平均風速；ρ為空氣密度；Cp為無量綱風壓系數。

跑車試驗方法中，汽車行駛速度與車頂風速一致，汽車行駛速度應相當于風洞中來流風速。跑車試驗中將皮托管放置在對模型無干擾的理想高度處，在該位置處皮托管測得靜壓值應與風洞中來流靜壓一致,因此由前所述本文提出的跑車試驗方法中，布置在車頂建筑模型風壓系數的表達式為：

(2)

式中：P為測點壓力值；PP為跑車試驗車頂合理位置處靜壓值；Pt為跑車試驗車頂合理位置處總壓值；Cp為無量綱風壓系數。

公式(2)即為本文跑車試驗方法的基本理論公式，該公式與傳統的建筑風壓系數相比，不需要測試空氣密度的大小。影響空氣密度的溫度、海拔高度等因素均不影響該方法的測試結果，因此本文提出的跑車試驗方法的理論公式簡單實用。

2 跑車試驗方法

2.1 物理試驗平臺

本文提出的跑車試驗方法的物理試驗平臺主要由矩形平臺和轉盤等組成，如圖1所示。矩形平臺由鋼板切割和焊接而成，由于鋼板剛度大，在汽車平穩行駛過程中平臺相對振動很小，可保證矩形平臺具有較好的穩定性。如圖1(a)所示，矩形平臺放置在車頂天窗上，平臺長90 cm,寬60 cm,厚0.5 cm,平臺中心位置切割直徑3 cm圓孔，用于將試驗模型測壓管從孔中穿入車內。在試驗平臺上鉆7個鉆孔，1#鉆孔直徑 6 mm,本試驗選取1#鉆孔作為皮托管放置位置；2#、3#、4#、5#鉆孔直徑 10 mm,螺栓插入平臺2#、3#鉆孔，鋼板片從螺栓下部穿入，通過螺母將鋼板片與車頂平臺固定牢固，4#與5#鉆孔采取同樣方式固定，最終將試驗平臺固定在汽車天窗上部。如圖1(b)所示，為了能夠實現調整模型不同風向角，制作一個轉盤，將試驗模型固定在轉盤6#、7#、8#鉆孔上，調整好模型風向角后將指針插入指針孔，擰緊鎖定裝置。筆記本電腦在試驗時放置在車內，用于驗數據的采集和處理；供電設備采用2塊12 V電源串聯，并通過逆變器轉換成220 V電源為筆記本電腦等設備持續供電。

(a) 物理試驗平臺

(b) 轉盤

2.2 測試軟硬件系統

利用跑車試驗方法測試建筑風壓系數的硬件系統主要包括：高頻壓力傳感器、皮托管、振動測試儀以及數據采集儀等設備,如圖2所示。高頻壓力傳感器由西安美測科技有限公司生產，采用三線制接線，輸出信號為0～5 V電壓，傳感器接口采用2.5 mm氣嘴，用于與測壓軟管連接；傳感器量程±2 kPa，精度等級為0.25% Fs，頻率最高可達4 kHz，傳感器數量共22個，主要對模型表面測點進行壓力測量和皮托管總壓及靜壓測量。皮托管采用L型標準皮托管，皮托管直徑6 mm,長度50 cm，靜壓孔與總壓孔直徑2.5 mm(方便與測壓軟管緊密連接)。數據采集儀選用由北京阿爾泰公司生產的高頻數據采集卡，可實現32通道數據采集，最高采樣頻率可達500 kHz,并通過usb接口與計算機連接，方便試驗數據的存儲和處理。振動測試儀選用北京東方振動和噪聲技術研究所生產的采集分析儀和配套的加速度傳感器，選用一個水平加速度傳感器，加速度傳感器最大量程為0.3 m/s，靈敏度2.4 m/s，采集分析儀4個通道，AD精度24位，內置有存儲器和充電電池。

圖2 測試軟硬件系統

2.3 測試步驟

跑車試驗選擇平整度良好且車流量較少路面進行，目的是降低因路面不平整對車身振動的影響和周邊汽車行駛對來流的干擾，保證整個試驗過程中試驗條件的穩定性。如圖3所示，將試驗平臺、CAARC標準模型和儀器設備安裝完成后，啟動汽車，當汽車行駛到一定車速且速度穩定時準備進行測壓實驗同時開啟汽車定速巡航模式，當無周邊車干擾時開始采集風壓數據。當一個工況采集完成后，繼續進行下一個工況采集，直到采集完所有試驗工況時停止行駛汽車，并將試驗平臺和車內儀器設備拆卸完畢。

圖3 跑車試驗流程

2.4 理想道路條件

本文理想條件指：假設沒有車輛振動或振動很小，道路平坦、筆直，自然風很小可以忽略不計，試驗過程中周圍沒有車流通過，試驗在天氣晴朗狀況下進行等條件。依據理想條件可選擇一條剛修成的高速公路，在其筆直平坦段進行試驗，并且選擇自然風很小的時間進行，利用汽車的定速巡航功能保證車速穩定，如表1所示。

3 標準模型風壓系數跑車試驗

3.1 標準模型試驗概況

為了驗證跑車試驗測試建筑風壓系數的可行性，試驗模型采用國際上通用的CAARC高層建筑標準模型。CAARC高層建筑標準模型是一全尺度尺寸為30.48 m×45.72 m×182.88 m(100 ft×150 ft×600 ft)的矩形柱體,表面平整，無任何附屬物[11]。通常規定在模型2/3H高度水平面處布置20個測點作為標準的壓力測點，如圖4所示。跑車試驗CAARC剛性模型采用1∶300的幾何縮尺比，模型采用5 mm厚有機玻璃制作，通過三氯甲烷試劑粘接在一起，保證模型具有足夠的強度和剛度。按圖所示測點位置鉆直徑2 mm測壓孔，并用膠水將內徑1.5 mm黃銅管埋入其中，粘接過程中用針頭插入黃銅管內防止堵塞。CAARC模型上各個測壓孔用PVC軟管與壓力傳感器氣嘴連接。PVC軟管長度為90 cm,以防止過長軟管導致信號發生畸變，影響試驗數據準確性[18]。本試驗所有工況均定義車向前行駛來流方向為 0°風向角，并先選擇 0°風向角對試驗結果進行驗證，試驗中皮托管高度與模型標準測點高度一致。

表1 理想道路條件

(a)立體圖(b)平面圖

圖4 CAARC標準模型測點圖

Fig.4 Standard model test point

根據前述試驗流程和基本假定本試驗選擇在鄭州—云臺山高速平整度良好路段進行試驗，道路條件滿足基本假設條件，如圖5所示。由于CAARC高層建筑標準模型具有較好的對稱性，不同面測點的風壓系數具有較好的規律性，為了研究不同車速對標準模型風壓系數的影響，測壓試驗測點分別選擇迎風面3#測點、側風面10#測點、背風面13#測點，這三個測點具有典型的代表性，能很好地反映CAARC模型平均風壓系數變化規律。為了分析汽車振動對風壓數據的影響，在進行測壓試驗時同步進行汽車振動測試采集。試驗分別測試了0°風向角下三種不同車速狀況下三個典型測點平均風壓系數的變化規律，并分析了0°、15°、30°風向角下標準模型20個典型測點風壓系數變化規律且與7家風洞試驗機構測得的數據進行對比驗證。為了提高試驗結果的精確性，每一車速下連續重復三次測試，并將多次測試結果的平均值作為試驗最終結果。

(a) 鄭云高速行駛路線

(b) 實際道路狀況

3.2 試驗結果

3.2.1 跑車試驗汽車振動和行駛風速

如圖6所示，給出了汽車行駛72 km/h時30°風向角下汽車振動速度和風速的時程曲線。如圖6(a)所示，由風速時程曲線可以看出皮托管測得風速值與車速值相比整體趨勢依舊偏大，誤差在±4 m/s以內，而風速均值為24.06 m/s，與0°風向角時風速均值相差僅為0.02 m/s，可見不同風向角下風速均值比較穩定，并沒有受到汽車振動的影響。圖6(b)為汽車振動時程曲線，由拾振器測得汽車振動速度基本在0 m/s附近變動，振動速度均值為0.000 017 m/s，比0°風向角時振動速度均值小一個量級，而振動速度均值與風速均值相較0°風向角差別更大，振動速度最大值在0.023 m/s左右，最小值在-0.022 5 m/s左右，整體看振動時程曲線仍舊較為平穩，沒有明顯的峰值和突變，說明在30°風向角下測試標準模型測點風壓試驗過程中汽車行駛較為平穩，行駛中沒有出現明顯顛簸和上下坡等路段。30°風向角下汽車振動狀況相較0°風向角時差別較大，而30°風向角下風速均值與0°風向角吻合良好，說明汽車振動對試驗風速的影響不大，在30°風向角下測試標準模型測點風壓試驗過程中也可以考慮忽略汽車振動對風速的影響。

(a) 風速時程

(b) 振動時程

Fig.6 Vehicle speed and vibration time history curve under 30° wind direction angle

如圖7所示，給出了汽車行駛72 km/h時30°風向角下振動和風速的幅頻曲線。從圖7(a)中可以看出風速幅頻曲線在0 Hz附近存在峰值，其他位置沒有明顯峰值。圖7(b)為汽車振動幅頻曲線，振動幅頻曲線峰值依然在10 Hz附近存在唯一明顯峰值，大約為0.002 2 m/s。振動速度和風速的卓越頻率沒有出現重合，且兩者幅頻曲線的幅值差兩個數量級，從幅頻曲線角度來看汽車振動對測試風速基本沒有影響。可認為在30°風向角下測試標準模型測點風壓試驗過程中汽車振動對風速數據基本沒有影響。

(a) 風速幅頻

(b) 振動幅頻

3.2.2 跑車試驗標準模型測點風壓

本文僅給出了18 m/s車速情況下利用跑車試驗測試建筑模型風壓測點中的三個典型測點原始數據和相應數據傅里葉變化結果，同一車速重復測試三次并在圖中分別用T1、T2、T3表示。

如圖8所示，18 m/s車速下3#測點風壓時程中T3測試結果較T1和T2偏小100 Pa左右，主要原因在于T3測試時由皮托管測得風速值較T1、T2測試結果偏小；風壓時程的傅里葉變換結果顯示曲線波動不明顯，并且在0～2 Hz內出現峰值，但峰值均不明顯。18 m/s車速下10#測點和13#測點風壓時程曲線中T1、T2、T3測試風壓數據存在略微波動但整體趨勢均較穩定，可重復操作性強；風壓時程的傅里葉變換結果中沒有出現明顯的峰值且T1、T2、T3測試變化趨勢接近。同一車速下，風壓原始數據重復測試結果除個別測點外呈現穩定趨勢，傅里葉變換結果顯示數據沒有明顯峰值，說明汽車振動對風壓數據影響很小，不需要采用濾波手段對數據進行處理。

(a) 3#測點風壓時程和傅里葉變換結果

(b) 10#測點風壓時程和傅里葉變換結果

(c) 13#測點風壓時程和傅里葉變換結果

圖8 汽車行駛18 m/s三次重復測試典型測點原始數據

Fig.8 Original data of typical measuring points repeated three times at 18 m/s vehicle speed

3.2.3 跑車試驗標準模型測點風壓系數

如圖9所示，給出了不同車速下三次重復測試得到的典型測點平均風壓系數。18 m/s車速下3#測點T3測試結果較前兩次偏小，誤差均在10%以內；10#測點三次測試結果吻合較好，13#測點T2測試結果較其余兩次測試結果偏小，誤差在10%以內。在20 m/s和25 m/s車速下，三次重復測試所得典型測點平均風壓系數結果較穩定，說明利用跑車試驗在一定速度下測試CAARC標準模型風壓系數可重復性操作且結果穩定性良好 。

(a) 18 m/s車速

(b) 20 m/s車速

(c) 25 m/s車速

圖9 三種不同車速重復三次得到平均風壓系數結果

Fig.9 The mean wind pressure coefficients at three different speeds

表2給出了7家風洞機構研究CAARC標準模型測壓時所模擬風場類型信息[19]，包括風速剖面指數和模型頂部位置湍流強度，而跑車試驗測得模型頂部湍流度在0.04～0.06范圍內，屬于低湍流度狀況。

表2 相關文獻CAARC標模所處風場類型

為了減小試驗結果的誤差，本文采用三次重復測試結果求平均值作為典型測點風壓系數最終值。如圖10所示，給出了三種不同車速下所得典型測點平均風壓系數對比結果。在不同車速下3#測點和10#測點平均風壓系數結果吻合較好，這兩個測點平均風壓系數結果不受車速影響。在25 m/s車速下,13#測點所得結果與其余兩個車速相比略微偏小，但誤差很小且不超過10%，可以認為測點風壓系數值基本不受車速影響。說明利用跑車試驗測試典型測點平均風壓系數結果受車速影響很小。

圖10 三種不同車速平均風壓系數對比結果

如圖11所示，0°風向角下利用跑車試驗方法測試標準模型測點的平均風壓系數曲線與其他機構平均風壓系數曲線大體上趨勢一致，總體吻合較好，僅個別測點的平均風壓系數存在一定的誤差，但誤差與風洞試驗數據差別在15%以內(圖11(a))。15°風向角下跑車試驗方法測試標準模型測點平均風壓系數曲線與其他風洞機構測得平均風壓系數曲線相比整體浮動較大，總體趨勢一致，個別測點存在較大誤差，大多數測點誤差較小(圖11(b))。30°風向角下跑車試驗方法測試標準模型測點平均風壓系數曲線與風洞機構所得平均風壓系數曲線吻合很好，趨勢變化也較為一致(圖11(c))。說明跑車試驗方法測試建筑模型風壓系數具有一定的可行性。跑車試驗方法可以成為建筑抗風研究的一個新方法，同時該方法還有許多需要改進和完善的地方，諸如不同風場的模擬、自然風的影響、如何控制模型風向角等內容，這也是我們目前正在研究的方向。

(b) 15°風向角

(c) 30°風向角

4 結 論

利用跑車試驗測試建筑模型風壓系數在某一車速下可重復試驗，且測得平均風壓系數值基本不受車速影響；跑車試驗測試建筑模型風壓系數時可以忽略汽車振動的影響；跑車試驗方法中皮托管測得的汽車行駛風風速時程較為穩定，結果較準確；利用跑車試驗方法測得CAARC標準模型典型測點平均風壓系數結果與已有風洞試驗結果吻合較好，說明該方法具有一定可行性。