熱帶海島地區(qū)薄膜溫室建筑抗風(fēng)研究綜述

李 昊，黃 斌，劉 建，李正農(nóng)，張志田，曾加?xùn)|

（1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南海口 570228；2.海南大學(xué)園藝學(xué)院，海南海口 570228；3.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410082）

引言

近年來(lái)，國(guó)家頒布了一系列支持設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策，如2017年，下發(fā)《農(nóng)業(yè)部財(cái)政部關(guān)于批準(zhǔn)創(chuàng)建第一批國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的通知》（農(nóng)計(jì)發(fā)〔2017〕100號(hào)）［1］；2019年，根據(jù)中央農(nóng)村工作會(huì)議、中央1號(hào)文件部署，下發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳財(cái)政部辦公廳關(guān)于開展2019年國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園創(chuàng)建工作的通知》（農(nóng)辦規(guī)〔2019〕3號(hào)）［2］；2021年，自然資源部、國(guó)家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《關(guān)于保障和規(guī)范農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展用地的通知》（自然資發(fā)〔2021〕16號(hào)）［3］，提出保障設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展用地的政策措施。同時(shí)，國(guó)家為鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)溫室建筑建設(shè)，制定了一系列補(bǔ)助政策。這些政策扶持，使農(nóng)業(yè)溫室建筑發(fā)展前途光明。

發(fā)展高性能溫室建筑是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要途徑。溫室建筑是采用透光覆蓋材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且具備一定環(huán)境調(diào)控能力，以抵御不良?xì)夂颍ＷC作物正常生長(zhǎng)的低矮農(nóng)業(yè)建筑設(shè)施［4］。溫室建筑的覆蓋材料主要有塑料薄膜、PC板和玻璃等。采用低密度聚乙烯塑料薄膜作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄膜溫室建筑，具有投入低、產(chǎn)出高、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用；但該結(jié)構(gòu)屬于安全系數(shù)低的輕型膜結(jié)構(gòu)，存在流固耦合效應(yīng)，相比普通建筑，受風(fēng)荷載影響嚴(yán)重。因此，風(fēng)災(zāi)是薄膜溫室建筑的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。由強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)造成溫室破壞、倒塌的事故時(shí)有發(fā)生，給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。1976年1月，英國(guó)1/4塑料溫室建筑在一夜間被一場(chǎng)風(fēng)暴嚴(yán)重?fù)p壞［5］。2011年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”襲擊韓國(guó)西部沿海，摧毀農(nóng)業(yè)設(shè)施42.08 hm2，造成經(jīng)濟(jì)損失約410萬(wàn)美元［6］。我國(guó)海南省處于“臺(tái)風(fēng)走廊”地帶，生成于太平洋和南海的臺(tái)風(fēng)均有可能對(duì)海南造成威脅，其臺(tái)風(fēng)具有數(shù)量大、活動(dòng)時(shí)間較集中、路徑多樣的特點(diǎn)。2009年第16號(hào)臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”、2010年第2號(hào)臺(tái)風(fēng)“康森”和2012年第23號(hào)臺(tái)風(fēng)“山神”等均對(duì)海南南部大量溫室建筑造成破壞［7］；2014年第9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”對(duì)海南北部467 hm2溫室建筑造成毀滅性災(zāi)害［8］；2016年第21號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”損毀海口市云龍鎮(zhèn)15.67 hm2和萬(wàn)寧市2.15 hm2溫室建筑［9］。歷次風(fēng)災(zāi)表明，薄膜溫室建筑主要破壞形式有：薄膜損毀、骨架變形、構(gòu)件受損和整體倒塌（圖1）。

圖1 薄膜溫室建筑的主要破壞形式Fig.1 Destruction forms of thin-film greenhouse buildings

我國(guó)地域廣闊且地貌復(fù)雜，針對(duì)我國(guó)國(guó)情的溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范較少，致使多數(shù)溫室建筑存在安全隱患，影響其生產(chǎn)效益。海南為高溫、高濕、多雨的熱帶海洋性氣候，病蟲害比內(nèi)陸地區(qū)嚴(yán)重，且偶有低溫冷害等，而溫室能克服這些不利因素，對(duì)作物起保護(hù)作用。然而，風(fēng)致破壞頻發(fā)使得海南省薄膜溫室難以滿足《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183-2016）［10］中15年設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定。造成薄膜溫室建筑風(fēng)致破壞的主要原因是人們對(duì)熱帶海島地區(qū)近地面臺(tái)風(fēng)特性和溫室風(fēng)效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不足，溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)理論不完善，在溫室抗風(fēng)設(shè)計(jì)與建造時(shí)缺乏相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)作用下薄膜溫室建筑的風(fēng)致破壞機(jī)理、考慮流固耦合效應(yīng)的風(fēng)致響應(yīng)、新型抗風(fēng)措施等尚未開展系統(tǒng)研究。因此，基于分布式光纖傳感技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法，系統(tǒng)開展海島地區(qū)的近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)研究，得到相應(yīng)的破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)風(fēng)荷載參數(shù)，提出相應(yīng)的抗風(fēng)措施，建立相應(yīng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論并運(yùn)用于工程實(shí)際具有重大意義。

1 近地面風(fēng)場(chǎng)特性研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于沿海、內(nèi)陸平原、復(fù)雜山區(qū)、城市中心和沙漠地區(qū)等多種地貌類型，對(duì)季風(fēng)、強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)天氣下的風(fēng)場(chǎng)特性開展了一系列研究，并取得一些成果。Tamura等［11］利用多普勒聲雷達(dá)，對(duì)海岸和內(nèi)陸場(chǎng)地在50～340 m內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，認(rèn)為風(fēng)剖面與豎向湍流度剖面可用指數(shù)律表達(dá)。Hui等［12］利用香港昂船洲大橋附近50 m測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲取季風(fēng)與臺(tái)風(fēng)天氣下的大量風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。陳雋等［13］利用復(fù)雜地形下距地面50 m處的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用非平穩(wěn)風(fēng)速模型和平穩(wěn)風(fēng)速模型分析脈動(dòng)風(fēng)特性，認(rèn)為時(shí)變平均風(fēng)速選取恰當(dāng)時(shí)，非平穩(wěn)風(fēng)速模型更適用于近地臺(tái)風(fēng)特性分析。Shiau等［14］利用某海港26 m測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)，認(rèn)為脈動(dòng)風(fēng)速為高斯分布，順風(fēng)向風(fēng)譜接近von Karman譜。Schroeder［15］獲取颶風(fēng)“Bonnie”登陸期間的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)風(fēng)特性參數(shù)進(jìn)行了分析。Sparks等［16］通過(guò)多種方式分別對(duì)海面、海岸和內(nèi)陸的近地面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，認(rèn)為臺(tái)風(fēng)的風(fēng)特性與內(nèi)陸良態(tài)風(fēng)的特性基本相同。Powell等［17］采用GPS探測(cè)儀實(shí)測(cè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面，研究表明邊界層內(nèi)200 m以下的平均風(fēng)剖面可用對(duì)數(shù)律描述，且約在500 m處風(fēng)速取最大值。張傳雄等［18］基于溫州市中心某高層建筑頂部實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，獲得了城市中心高空臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性。肖儀清等［19］基于4次實(shí)測(cè)于城市中心高層建筑頂部的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用多種計(jì)算方法分析了臺(tái)風(fēng)的湍流積分尺度，并將縱向脈動(dòng)風(fēng)速譜與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。陳麗等［20］在臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”作用期間對(duì)廣州市中心的超高層建筑“中信廣場(chǎng)”進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到了建筑物頂部的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)。胡尚瑜等［21］采用追風(fēng)房獲取臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”、“彩虹”、“凱薩娜”和“芭瑪”等影響海南文昌期間的風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析了近地3.2～10 m的風(fēng)特性。龍水等［22］根據(jù)建立在廣東省茂名市某海岸的近地臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”登陸過(guò)程中的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了近地面7.5 m和10 m的風(fēng)場(chǎng)特性。李正農(nóng)等［23］研究了北京延慶縣12.5 m內(nèi)的冬季風(fēng)場(chǎng)，并與相關(guān)國(guó)家規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比。黃斌等［24］實(shí)測(cè)了沙漠地區(qū)近地面10 m內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)特性，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。陳凱等［25］對(duì)傍山地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與鄰近氣象站同期記錄之間的相關(guān)性很差，傍山地區(qū)局部風(fēng)場(chǎng)具有特殊性。周志勇等［26］采用軟件IMAGEWARE和Gambit建模，對(duì)某一大范圍區(qū)域的復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。黃文鋒等［27］引入海面10 m高風(fēng)速的海面拖拽系數(shù)，發(fā)展了Vickery臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?duì)臺(tái)風(fēng)“黑格比”期間的海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

目前，風(fēng)場(chǎng)特性研究主要集中在離地10～500 m內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面，其結(jié)果主要用于城市風(fēng)環(huán)境評(píng)估，高層建筑、大型橋梁以及其他大型基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)效應(yīng)分析。因受地表面障礙物影響較大，對(duì)于離地10 m內(nèi)的近地面風(fēng)場(chǎng)特性研究較少，特別是在熱帶海島地區(qū)10 m內(nèi)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性方面，尚未形成較為深刻的認(rèn)識(shí)。各類溫室建筑的高度一般在3～8 m內(nèi)，受近地面強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的嚴(yán)重影響，尤其是薄膜溫室建筑具有顯著的流固耦合效應(yīng)，風(fēng)致破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生。因此，開展熱帶海島地區(qū)近地面風(fēng)場(chǎng)研究具有重要的理論與工程實(shí)際意義。

2 溫室建筑抗風(fēng)研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面對(duì)農(nóng)業(yè)溫室建筑的抗風(fēng)性能展開研究，并編制了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。具體研究狀況以下幾方面闡述。

2.1 溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

國(guó)外對(duì)于農(nóng)業(yè)溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究開展較早，并取得了一些成果。Wells等［28］在自然風(fēng)下，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了5種不同橫截面的玻璃溫室在0°～90°風(fēng)向內(nèi)的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析。Hoxey等［29-30］在自然風(fēng)下，對(duì)英國(guó)6個(gè)典型的單跨和多跨塑料溫室建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和表面壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)，并討論了幾何效應(yīng)對(duì)壓力分布的影響，有利于設(shè)計(jì)者在保證足夠強(qiáng)度和高透光率間實(shí)現(xiàn)更有效的平衡。Richardson［5］在自然風(fēng)下，選取約50%滲透率的防風(fēng)層，在防風(fēng)層和溫室間分別以7.5、15 m兩個(gè)平行于溫室屋脊的間距，對(duì)有無(wú)遮蔽的薄膜溫室表面壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到相應(yīng)的遮蔽系數(shù)。Richardson［31］也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了塑料薄膜覆蓋的單跨畜禽舍建筑的內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)，為這種新型式結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。Teitel等［32］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、CFD模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)研究，認(rèn)為風(fēng)向?qū)厥彝L(fēng)率、氣流模式和溫度分布有顯著影響，著重討論了溫室開口處實(shí)測(cè)風(fēng)速與數(shù)值模擬值存在差異的原因。

目前有關(guān)溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究較少，與此相關(guān)的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)則更少；現(xiàn)有研究主要采用傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量方法測(cè)量溫室的應(yīng)變和風(fēng)壓，鮮有結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)溫室三維整體應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)的研究；現(xiàn)有研究集中于自然風(fēng)作用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，尚未涉及熱帶海島地區(qū)強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)作用下薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)的實(shí)測(cè)研究。

2.2 溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)

Kyeong-seok Kwon等［6］為評(píng)估沿海地區(qū)溫室建筑的安全性，在風(fēng)洞中模擬風(fēng)環(huán)境，測(cè)量不同風(fēng)向、屋頂坡度和曲率半徑下，韓國(guó)4種典型單跨溫室建筑的風(fēng)壓系數(shù)。Moriyama等［33-34］基于1：20的管棚式溫室剛性縮尺模型，采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了側(cè)山墻開口對(duì)溫室內(nèi)、外壓力系數(shù)的影響和間距對(duì)2～3個(gè)平行布置的溫室表面風(fēng)壓系數(shù)的影響。Yang等［35］基于剛性模型研究單跨塑料溫室和日光溫室表面的風(fēng)壓分布，推導(dǎo)了兩類溫室表面損傷的臨界風(fēng)速，并總結(jié)各表面分區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)規(guī)律。謝小妍等［36］對(duì)華南型單棟塑料溫室進(jìn)行剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了16種風(fēng)向下溫室風(fēng)荷載體型系數(shù)大小和分布規(guī)律，討論了屋檐、天窗等外伸部位對(duì)溫室風(fēng)荷載分布的影響。武燕飛［37］通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了有無(wú)遮陽(yáng)幕時(shí)溫室表面的風(fēng)壓系數(shù)，并采用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)溫室表面風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬。王健等［38］基于剛性縮尺模型，在不同風(fēng)向和有無(wú)遮陽(yáng)幕工況下對(duì)互插式連棟塑料溫室的風(fēng)壓分布進(jìn)行分析，確定了溫室風(fēng)載體型系數(shù)。楊再?gòu)?qiáng)等［39］開展了塑料大棚的剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，分析不同風(fēng)向下大棚表面的風(fēng)壓分布規(guī)律，并推導(dǎo)了設(shè)施大棚各區(qū)域發(fā)生風(fēng)災(zāi)的臨界風(fēng)速。

現(xiàn)有關(guān)于溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞模擬主要為平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)下的剛性縮尺模型測(cè)壓試驗(yàn)，將薄膜溫室外表面按固面處理，對(duì)于非平穩(wěn)與陣風(fēng)風(fēng)場(chǎng)下考慮流固耦合效應(yīng)的風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)極少研究；而且在風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，縮尺比較大，難以完全模擬實(shí)際地貌的近地面風(fēng)場(chǎng)特性，在一定程度上影響了試驗(yàn)的精確性。此外，建筑物門窗的開敞或突然開孔導(dǎo)致內(nèi)壓增大會(huì)影響屋蓋的安全［40］，但目前有關(guān)開孔溫室風(fēng)效應(yīng)及破壞機(jī)理的研究較少。

2.3 溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬

Mathews等［41］對(duì)半圓形溫室的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了雷諾數(shù)和地形粗糙度對(duì)溫室風(fēng)壓分布的影響。Reichrath等［42］采用Fluent對(duì)52跨Venlo型溫室表面風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，為今后溫室風(fēng)壓模擬提供了依據(jù)。Mistriotis等［43］通過(guò)數(shù)值模擬，獲得橫風(fēng)向作用時(shí)拱形溫室在兩側(cè)對(duì)稱開口和背風(fēng)面開口工況下的內(nèi)、外部風(fēng)壓系數(shù)分布特點(diǎn)。Kim等［44-45］采用CFD模型對(duì)韓國(guó)典型的多跨溫室風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行研究，考慮風(fēng)向、跨數(shù)和溫室設(shè)計(jì)因素的影響，分析了覆蓋層設(shè)計(jì)的最大風(fēng)壓系數(shù)值。Kuroyanagi［46］通過(guò)數(shù)值模擬研究了縱向和橫向風(fēng)對(duì)溫室漏風(fēng)和溫室內(nèi)外壓力系數(shù)的影響，并用實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果。陶冶［4］選取Pealizable k-ε湍流模型，分析了Venlo型連棟玻璃溫室在不同風(fēng)向、頂窗形式、開窗形式下的風(fēng)壓分布規(guī)律。郭萬(wàn)東等［47］采用CFX-5，結(jié)合k-ε湍流模型和結(jié)構(gòu)化非均勻網(wǎng)格模擬了華南型單棟和連棟溫室表面風(fēng)壓分布，討論了溫室屋檐和屋脊處的風(fēng)壓分布特點(diǎn)。王東霞［48］采用達(dá)文波特譜對(duì)北京地區(qū)脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行了模擬，并考慮流固耦合作用，對(duì)平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)下的彈性溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)壓和風(fēng)振分析。蔡唯益［49］為獲取圓拱型溫室群在不同風(fēng)向、排列方式中各單體的風(fēng)壓系數(shù)和它們之間的相互影響，選取Pealizable k-ε湍流模型對(duì)溫室群建筑進(jìn)行了表面風(fēng)壓模擬，為圓拱型溫室抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考。劉云飛［50］建立了桁架拱輕鋼塑料大棚有限元模型，計(jì)算了風(fēng)荷載作用下大棚骨架的應(yīng)力及位移，對(duì)塑料大棚骨架參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳昆等［51-52］采用CFD數(shù)值模擬，結(jié)合Reynolds時(shí)均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，分析了拱形塑料大棚單棚和群棚模型在不同風(fēng)向和棚間距時(shí)的表面風(fēng)壓，并用干擾因子定量分析了群棚間的風(fēng)致干擾效應(yīng)。

相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究開展較多，并取得了一些成果。然而，對(duì)于單棟和群體布置的塑料薄膜溫室的風(fēng)致響應(yīng)和群體干擾效應(yīng)主要簡(jiǎn)化為剛性模型進(jìn)行研究，即針對(duì)薄膜溫室這種膜結(jié)構(gòu)，尚未建立系統(tǒng)考慮流固耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬方法。

2.4 溫室建筑相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

多數(shù)國(guó)家制定了農(nóng)業(yè)溫室建筑的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)溫室標(biāo)準(zhǔn)（NGMA，Design Loads in Greenhouse Structures，1996）［53］、荷蘭溫室標(biāo)準(zhǔn)（NEN 3859，Greenhouse Structural Requirements，1982）［54］、英國(guó)溫室標(biāo)準(zhǔn)（BS 5502，Buildings and Structures for Agriculture，1993）［55］、歐盟溫室標(biāo)準(zhǔn)（Greenhouses-Design and construction-Part 1：Commercial production greenhouses）（EN 13031-1：2001）［56］、日本園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)［57］、中國(guó)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183-2016）［10］等。然而，現(xiàn)有溫室規(guī)范多套用工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，再附加一些條款，未完全體現(xiàn)溫室建筑的特殊性。溫室建筑屬于輕型結(jié)構(gòu)，在規(guī)模、重要性、使用年限等方面與工業(yè)與民用建筑差別較大，因此，將工民建規(guī)范直接用于溫室建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有諸多不合理之處。

在我國(guó)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183-2016）［10］中，未考慮脈動(dòng)風(fēng)壓影響，風(fēng)振系數(shù)為1.0，而溫室建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如薄膜、PC板、玻璃等）破壞往往是由于極值風(fēng)壓的作用；風(fēng)荷載體型系數(shù)僅考慮0°和90°風(fēng)向角，且基本按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［58］、歐盟溫室標(biāo)準(zhǔn)（EN 13031-1：2001）［56］的有關(guān)規(guī)定給出，局部風(fēng)荷載體型系數(shù)規(guī)定較粗略；關(guān)于風(fēng)壓高度變化系數(shù)，中國(guó)溫室荷載規(guī)范對(duì)截?cái)喔叨鹊囊?guī)定不如歐洲規(guī)范劃分細(xì)致，無(wú)法體現(xiàn)溫室這種低矮建筑在高度范圍內(nèi)的風(fēng)壓變化情況；溫室常以多跨、群體形式存在，而現(xiàn)有規(guī)范未提及溫室群體風(fēng)致干擾的影響，未針對(duì)群體風(fēng)致干擾效應(yīng)對(duì)相應(yīng)位置的溫室風(fēng)荷載計(jì)算進(jìn)行修正；對(duì)有啟閉通風(fēng)口的溫室，規(guī)定風(fēng)荷載設(shè)計(jì)中宜按通風(fēng)口關(guān)閉狀態(tài)設(shè)計(jì)，而溫室開口對(duì)體型系數(shù)可能有較大影響。因此，亟需進(jìn)一步完善農(nóng)業(yè)溫室建筑的相關(guān)規(guī)范，提高溫室建筑抗風(fēng)性能。

3 膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究

薄膜溫室建筑屬于膜結(jié)構(gòu)，可參考膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究的相關(guān)理論和方法。膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生大幅變形和振動(dòng)，而結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)又會(huì)影響周圍流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布，即“流固耦合”效應(yīng)［59］。Pramila［60］通過(guò)對(duì)膜結(jié)構(gòu)開展風(fēng)洞試驗(yàn)，得出其風(fēng)致破壞臨界風(fēng)速和自振頻率僅為不考慮流固耦合效應(yīng)時(shí)的15%～30%。因此，膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮流固耦合效應(yīng)。膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和流固耦合數(shù)值模擬。

3.1 膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

Michalski等［61］對(duì)傘形膜結(jié)構(gòu)開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)值和模擬值驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。Kim等［62］對(duì)韓國(guó)濟(jì)州島世界杯體育場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)的加速度進(jìn)行了4年實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其在強(qiáng)風(fēng)下的氣彈效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)頻率降低5%，總阻尼隨振幅增大約2倍。朱丙虎等［63］對(duì)強(qiáng)風(fēng)下上海世博軸索膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)湍流度大，具有顯著的紊亂性和隨機(jī)性；平均風(fēng)壓系數(shù)實(shí)測(cè)值略小于風(fēng)洞試驗(yàn)值。張建勝等［64］對(duì)雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)測(cè)，并與數(shù)值模擬值對(duì)比，結(jié)果表明，風(fēng)壓系數(shù)實(shí)測(cè)值略小于模擬值。蔣磊等［65］基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)強(qiáng)風(fēng)下某大跨度膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)壓特性與非高斯特性分析，發(fā)現(xiàn)膜邊緣處的風(fēng)壓呈明顯非高斯特性，且測(cè)點(diǎn)上下風(fēng)壓呈負(fù)相關(guān)；風(fēng)壓中低頻成分幅值較大。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不涉及相似比問(wèn)題，最能真實(shí)反映膜結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)，且能驗(yàn)證數(shù)值模擬和氣彈試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。然而，目前針對(duì)實(shí)際膜結(jié)構(gòu)工程的實(shí)測(cè)仍較少。

3.2 膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)

針對(duì)實(shí)際工程的風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)研究，Lazzari等［66］基于拉普拉塔體育場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)原型，保證幾何相似、頻率相似、阻尼相似和剛度相似，開展氣彈試驗(yàn)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)與阻尼和剛度系數(shù)矩陣有關(guān)，阻尼和剛度系數(shù)矩陣由與風(fēng)速相關(guān)的迭代矩陣進(jìn)行修正，隨著風(fēng)速增大，當(dāng)?shù)仃嚪钦龝r(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生氣彈失穩(wěn)。Rank等［67］以直徑30 m的傘形張拉膜結(jié)構(gòu)為原型開展氣彈試驗(yàn)，保證結(jié)構(gòu)幾何相似，并將試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證CFD模擬的正確性，發(fā)現(xiàn)模擬值和風(fēng)洞試驗(yàn)值吻合較好。針對(duì)假想膜結(jié)構(gòu)工程的氣彈試驗(yàn)研究，武岳、孫曉穎和陳昭慶［68-69］在均勻流場(chǎng)中分別進(jìn)行開敞式、封閉式單向張拉膜結(jié)構(gòu)的氣彈試驗(yàn)，研究了膜結(jié)構(gòu)的流固耦合機(jī)理。針對(duì)氣彈模型相似條件的研究，韓志惠等［70］基于1/5、1/10和1/20縮尺比的氣彈模型，研究了質(zhì)量比、費(fèi)勞德數(shù)、彈性模量對(duì)鞍型張拉膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響，并給出部分相似參數(shù)的理論取值控制范圍。

目前針對(duì)膜結(jié)構(gòu)實(shí)際工程的風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)仍較少，有重要參考價(jià)值的研究則更少。忽略相似理論限制，以假想模型為原型，以膜結(jié)構(gòu)的氣彈響應(yīng)為研究對(duì)象的氣彈試驗(yàn)取得了一定成果，但仍未徹底解決膜結(jié)構(gòu)的流固耦合機(jī)理和氣彈失穩(wěn)機(jī)理。模型制作時(shí)，放松部分相似條件對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響程度仍難以量化分析。

3.3 膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬

模擬膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)采用流固耦合數(shù)值模擬方法，即結(jié)合CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、CSD計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)的流固耦合過(guò)程［59］。按其求解策略分為強(qiáng)耦合法和弱耦合法。強(qiáng)耦合法是對(duì)流體方程、結(jié)構(gòu)方程和耦合條件同時(shí)聯(lián)立，在同一時(shí)間步內(nèi)對(duì)所有變量同時(shí)求解，其精度高，但對(duì)計(jì)算方法、離散格式及網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度等要求也高。Hubner等［71］基于強(qiáng)耦合法模擬二維膜結(jié)構(gòu)的流固耦合問(wèn)題，其收斂性好，但未引入湍流模型，其計(jì)算精度有待提高。孫芳錦等［72］采用強(qiáng)耦合法，把偽實(shí)體模型引入流體域來(lái)處理變形問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)二維雙坡屋面膜結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。弱耦合法是在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)流體域和結(jié)構(gòu)域分別求解，并通過(guò)設(shè)置具體參數(shù)，在兩個(gè)計(jì)算域間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分區(qū)間的耦合求解，計(jì)算效率高。Knight等［73］采用弱耦合法，將風(fēng)洞風(fēng)壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入自編流體計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)敞篷汽車車頂二維膜結(jié)構(gòu)的流固耦合模擬，其響應(yīng)值與勢(shì)流理論解和試驗(yàn)值吻合較好。孫曉穎等［74］基于弱耦合法，結(jié)合FLUENT、自行編制的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和動(dòng)網(wǎng)格程序，建立流固耦合數(shù)值模擬平臺(tái)，對(duì)單向柔性屋蓋和鞍形膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。申躍奎等［75］選用RNG k-ε湍流模型，基于弱耦合法模擬考慮流固耦合的矩形氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，發(fā)現(xiàn)考慮流固耦合時(shí)的體型系數(shù)比不考慮流固耦合時(shí)明顯偏大。此外，孫曉穎等［76］提出一種簡(jiǎn)化數(shù)值模擬方法，將膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分為平均響應(yīng)、背景響應(yīng)和共振響應(yīng)，對(duì)應(yīng)流固耦合過(guò)程分為靜態(tài)耦合、擬靜態(tài)耦合和瞬態(tài)耦合，分別采用不同方法求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)鞍形張拉膜結(jié)構(gòu)的流固耦合簡(jiǎn)化數(shù)值模擬。

流固耦合數(shù)值模擬在計(jì)算策略和效率上已取得一定進(jìn)展，但仍僅限于簡(jiǎn)單膜結(jié)構(gòu)的分析；開展流固耦合數(shù)值模擬時(shí)，其動(dòng)網(wǎng)格更新效率有待提高；數(shù)值模擬計(jì)算量巨大，難以滿足大規(guī)模推廣運(yùn)用和指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的要求。

4 現(xiàn)有研究存在的主要問(wèn)題

綜上所述，國(guó)內(nèi)外在近地面風(fēng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)溫室建筑與膜結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究方面均取得一些進(jìn)展。然而，針對(duì)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的熱帶海島地區(qū)，在薄膜溫室建筑這一種特殊膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究方面仍存在以下問(wèn)題亟待解決：

（1）熱帶海島地區(qū)近地面強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏。現(xiàn)有風(fēng)規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10 m以下的風(fēng)場(chǎng)描述較為粗糙，對(duì)風(fēng)特性參數(shù)的規(guī)定也不統(tǒng)一。然而，近地面強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)熱帶海島地區(qū)薄膜溫室建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)尤為重要。

（2）強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下熱帶海島薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)的原型實(shí)測(cè)很少。國(guó)外主要是實(shí)測(cè)自然風(fēng)作用的溫室風(fēng)效應(yīng)，對(duì)溫室臺(tái)風(fēng)作用及群體風(fēng)致干擾的實(shí)測(cè)鮮有報(bào)道；國(guó)內(nèi)主要實(shí)測(cè)低矮和高層建筑風(fēng)效應(yīng)，對(duì)熱帶海島薄膜溫室臺(tái)風(fēng)效應(yīng)的實(shí)測(cè)甚少。

（3）強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下薄膜溫室整體應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)的實(shí)測(cè)研究開展甚少。現(xiàn)有關(guān)于薄膜溫室在風(fēng)荷載下的應(yīng)變測(cè)量主要采用應(yīng)變片等傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量方法，僅能獲得少數(shù)位置的局部應(yīng)變和變形特征，難以全面監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形分布。

（4）非平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)下薄膜溫室流固耦合效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究很少。薄膜溫室在非平穩(wěn)的強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下存在流固耦合效應(yīng)，而現(xiàn)有研究主要基于平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)下的剛性模型試驗(yàn)來(lái)分析薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的薄膜溫室存在安全隱患。

（5）尚未建立薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)分析的流固耦合數(shù)值模擬方法。需要在求解策略和效率上作進(jìn)一步的探索和研究。

（6）對(duì)薄膜溫室建筑的風(fēng)致破壞機(jī)理研究甚少。薄膜開孔、表面極值風(fēng)壓與極值應(yīng)變分布對(duì)薄膜破壞和結(jié)構(gòu)整體倒塌的影響等破壞機(jī)理有必要進(jìn)一步研究。

（7）對(duì)薄膜溫室建筑抗風(fēng)措施的研究相對(duì)較少。防風(fēng)網(wǎng)的設(shè)置距離和位置對(duì)薄膜溫室建筑抗風(fēng)效果的影響，溫室骨架的選材對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的影響，體型優(yōu)化對(duì)薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)的影響，對(duì)風(fēng)壓較大區(qū)域進(jìn)行局部加固等抗風(fēng)措施的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

（8）對(duì)薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的研究?jī)?nèi)容不夠全面。有關(guān)側(cè)窗、天窗、肩窗的不同開啟或關(guān)閉組合、有無(wú)遮陽(yáng)幕、遮陽(yáng)幕的設(shè)置角度和高度等各種工況下的溫室建筑風(fēng)效應(yīng)還需全面、系統(tǒng)地分析和研究。

（9）對(duì)薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的研究手段比較單一。現(xiàn)有研究極少將分布式傳感技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)、流固耦合數(shù)值模擬以及理論分析等研究手段相結(jié)合的較為深入、系統(tǒng)和全方位的研究。

存在以上問(wèn)題的原因在于，一方面，沒有建立熱帶海島地區(qū)近地面臺(tái)風(fēng)和薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平臺(tái)，缺乏長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)；另一方面，大多數(shù)研究未考慮到薄膜溫室這種膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的流固耦合效應(yīng)，未建立薄膜溫室建筑的風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)方法和流固耦合數(shù)值模擬理論；最后，尚未研究并總結(jié)出針對(duì)薄膜溫室建筑抗風(fēng)性能的有效抗風(fēng)措施。

5 研究展望

針對(duì)目前薄膜溫室建筑抗風(fēng)研究中存在的主要問(wèn)題，采用分布式光纖傳感技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)熱帶海島地區(qū)的強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)、風(fēng)致破壞機(jī)理、抗風(fēng)措施開展全面、系統(tǒng)的研究具有重要的理論與工程意義。主要包括如下幾方面的研究。

5.1 熱帶海島地區(qū)近地面風(fēng)場(chǎng)與薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

（1）近地面風(fēng)場(chǎng)與薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)研制。在測(cè)風(fēng)塔上安裝多套風(fēng)速儀，連接采集儀，構(gòu)成風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)。選取典型的單棟和連棟塑料薄膜溫室為實(shí)測(cè)原型，在其表面布設(shè)風(fēng)壓和加速度傳感器、網(wǎng)狀應(yīng)變傳感光纖，并連接采集儀、分布式光纖傳感儀，構(gòu)成風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)。集成風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集。

（2）熱帶海島地區(qū)近地面強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。利用風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)，在典型海島地貌開展實(shí)測(cè)，獲取臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析平均風(fēng)速和風(fēng)向、風(fēng)剖面、湍流度、陣風(fēng)因子、積分尺度、風(fēng)速譜、湍流相關(guān)性、臺(tái)風(fēng)登陸后的衰減規(guī)律和臺(tái)風(fēng)的非平穩(wěn)性等風(fēng)場(chǎng)特性，并與現(xiàn)有風(fēng)規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，總結(jié)出熱帶海島典型地貌的近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。

（3）熱帶海島地區(qū)薄膜溫室建筑風(fēng)荷載的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。基于數(shù)據(jù)融合的傳感器優(yōu)化布置方法，優(yōu)化薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)。開展同步實(shí)測(cè)，獲取溫室表面風(fēng)壓和加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到單棟和連棟溫室薄膜表面的風(fēng)壓分布規(guī)律和加速度響應(yīng)特征。研究薄膜溫室的整體體型系數(shù)、局部體型系數(shù)以及風(fēng)致干擾效應(yīng)，并與現(xiàn)有風(fēng)規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，為規(guī)范的修訂提供參考。

（4）臺(tái)風(fēng)作用下薄膜溫室應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。基于分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)薄膜溫室結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，獲得臺(tái)風(fēng)下溫室表面的應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)，以全面把握溫室薄膜的實(shí)際變形狀態(tài)。基于實(shí)測(cè)應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)，分析溫室薄膜的破壞機(jī)理。

5.2 熱帶海島地區(qū)近地面風(fēng)場(chǎng)與薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

（1）熱帶海島地區(qū)近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的陣風(fēng)風(fēng)洞模擬。基于風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在陣風(fēng)風(fēng)洞中建立符合熱帶海島地形的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。同時(shí)，針對(duì)不同地貌和周邊建筑干擾對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響開展多工況研究，提出熱帶海島典型地貌的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算方法。

（2）剛性模型和氣彈模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)對(duì)比研究。基于實(shí)測(cè)原型，分別制作滿足相似理論的縮尺剛性測(cè)壓模型、氣動(dòng)彈性模型，對(duì)單棟、連棟溫室模型進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，并利用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）可視化模型周圍流場(chǎng)。對(duì)比剛性模型和彈性模型表面的風(fēng)壓分布特性、周圍流場(chǎng)分布特性，探討流固耦合效應(yīng)對(duì)溫室表面風(fēng)荷載和周圍流場(chǎng)的影響，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

（3）氣彈模型風(fēng)洞同步測(cè)振與測(cè)壓試驗(yàn)。在彈性模型表面安裝超薄型加速度傳感器，基于陣風(fēng)風(fēng)洞中建立的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)單棟、連棟溫室彈性模型進(jìn)行同步測(cè)振與測(cè)壓試驗(yàn)。分析流固耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，研究模型響應(yīng)與其表面脈動(dòng)風(fēng)壓之間的相關(guān)性。

5.3 熱帶海島地區(qū)近地面風(fēng)場(chǎng)與薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

（1）熱帶海島地區(qū)近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。基于CFD軟件，選取合適的湍流模型模擬得到熱帶海島地區(qū)的近地面臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)，為后續(xù)薄膜溫室流固耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。

（2）考慮流固耦合的薄膜溫室建筑風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究。開發(fā)流固耦合模型模擬溫室的風(fēng)效應(yīng)，對(duì)比是否考慮流固耦合效應(yīng)時(shí)薄膜表面的風(fēng)壓特性、應(yīng)力應(yīng)變分布特性、加速度響應(yīng)以及輕鋼骨架的應(yīng)力應(yīng)變分布特性和位移響應(yīng)，獲得臺(tái)風(fēng)影響下薄膜溫室風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的特征。結(jié)合分形理論將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探究各研究手段的相似性，以提高數(shù)值模擬的可靠性。

（3）熱帶海島地區(qū)薄膜溫室多工況風(fēng)效應(yīng)研究。探究不同開窗組合、開窗角度、是否遮陽(yáng)、群體布置條件等工況對(duì)薄膜溫室表面風(fēng)壓以及內(nèi)外部流場(chǎng)的影響。

5.4 熱帶海島地區(qū)薄膜溫室建筑風(fēng)致破壞機(jī)理研究

（1）薄膜溫室建筑的薄膜風(fēng)致破壞機(jī)理研究。基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，重點(diǎn)分析溫室薄膜表面極值風(fēng)壓、極值應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變場(chǎng)和變形場(chǎng)特征，確定薄膜表面的薄弱部位，并推導(dǎo)出薄膜各區(qū)域發(fā)生風(fēng)致破壞的臨界風(fēng)速；開展熱帶海島地區(qū)溫室覆蓋薄膜在高溫、高濕、高鹽霧及強(qiáng)紫外線照射等環(huán)境因素影響下的耐候性研究，從溫室施工和維護(hù)方面研究薄膜老化后的力學(xué)性能及風(fēng)致破壞機(jī)理。

（2）薄膜溫室建筑的輕鋼骨架風(fēng)致破壞機(jī)理研究。基于數(shù)值模擬結(jié)果，重點(diǎn)分析溫室輕鋼骨架的極值應(yīng)力、極值應(yīng)變以及變形特征，確定其薄弱部位，得到臺(tái)風(fēng)作用下薄膜溫室輕鋼骨架的風(fēng)致破壞機(jī)理。

5.5 薄膜溫室建筑抗風(fēng)措施、抗風(fēng)效果與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論研究

（1）薄膜溫室建筑的抗風(fēng)措施與效果研究。基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等手段研究外形與細(xì)部構(gòu)造、間距以及風(fēng)向等參數(shù)對(duì)薄膜溫室風(fēng)效應(yīng)的影響，優(yōu)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)；研究種植樹木、安裝擾流板與阻尼耗能抗風(fēng)裝置等措施改善溫室的抗風(fēng)效果，提出最優(yōu)抗風(fēng)措施。

（2）薄膜溫室建筑輕鋼骨架的加固與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)溫室輕鋼骨架的薄弱部位，提出相應(yīng)的加固措施；對(duì)溫室輕鋼骨架進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化后的薄膜溫室再次進(jìn)行流固耦合數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證加固與優(yōu)化的可行性。

（3）薄膜溫室建筑覆蓋薄膜的加固與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。考慮經(jīng)濟(jì)效益和保證溫室覆蓋薄膜具有良好透光性能的基礎(chǔ)上，提出溫室建筑覆蓋薄膜的最優(yōu)抗風(fēng)加固措施，如在薄膜材料中增加合適網(wǎng)格尺寸的鋼絲網(wǎng)，對(duì)溫室覆蓋薄膜進(jìn)行加固設(shè)計(jì)研究。

（4）薄膜溫室建筑等效風(fēng)荷載的確定方法研究。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)、流固耦合數(shù)值模擬和理論分析等方法，系統(tǒng)地開展熱帶海島地區(qū)薄膜溫室臺(tái)風(fēng)作用及其效應(yīng)的研究，提出薄膜溫室等效風(fēng)荷載確定的新方法，為薄膜溫室的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

通過(guò)一系列深入的研究，加強(qiáng)人們對(duì)熱帶海島地區(qū)近地面臺(tái)風(fēng)和薄膜溫室建筑風(fēng)荷載特性的認(rèn)識(shí)，完善溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)理論和規(guī)范，從而提高強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)地區(qū)薄膜溫室建筑的抗風(fēng)性能，以減小風(fēng)災(zāi)損失。