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大跨度屋盖钢桁架测量技术摘要：本文以深圳市体育中心改造提升工程项目（一期）主体工程施工测量为例，将大跨度屋盖钢桁架测量分为平面测量与高程测量，并在桁架提升时，通过对提升吊点同步性的测量控制和挠度监控，既保证了平面位置与高程标高的精确度，又保证了大跨度屋盖钢桁架结构稳定性及刚度的要求，提高安装精度。
关键词：大跨度、钢桁架、测量技术随着我国科技的进步，建筑科技也迎来了蓬勃发展的时期，许多大型建筑都在追求新颖独特的外观设计。
由于钢桁架拥有自重轻、力学性能良好等优势，在建筑行业上得到广泛的运用。
在实际施工过程中，钢桁架通常采用现场焊接、整体提升的施工方式，由于桁架具有构件自身尺寸较大、拼装单元长度跨度较大、部分构件节点复杂、吊装高度较高等特点，所以测量难度较大。
如何保证大跨度屋盖钢桁架测量的精准度，成为了大跨度屋盖钢桁架施工的重点。
1 工程概况深圳市体育中心改造提升工程项目（一期）主体工程位于福田区笔架山下，东邻上步路，北接泥岗西路，南靠笋岗路，临近深圳地铁6号线。
质量目标为确保中国钢结构“金钢奖”、工程“鲁班奖”，总建筑面积26.59万㎡。
屋盖钢桁架包括井字主桁架、外围环桁架、次桁架钢结构，用钢量约4000吨，整体提升的口字型桁架约1700t。
主桁架与环桁架通过支座与主体结构连接，其中环桁架支座为半球斜撑结构，主桁架作为主要承力结构支撑屋盖钢结构。
中心口字型桁架地面拼装整体提升，主桁架其他结构根据吊重分段散吊。
2测量技术要点2.1.1明确主控对象及测量内容在进行测量前，明确主控对象及测量内容，采用多个设立于施工场地外受影响较小、相对稳定区域内的原始点，用高精度全站仪及高精度水准仪建立平面控制网和高程控制网，用经纬仪和水准仪进行钢柱安装测量控制，用全站仪进行钢梁以及斜立面钢结构的空间三维定位测量，主控对象及测量内容表如表1所示。
表1主控对象及测量内容表序号对象内容1点位复核首级控制网的移交与复测2平面高程控制网建立以现场施工阶段性为依据建立动态平高控制网，确保测控与施工阶段拟合，提高测控合理性。
体育场月牙形大跨悬挑屋盖风荷载特性李波;冯少华;杨庆山;范重【摘要】风荷载是大跨悬挑屋盖的主要控制性载荷,本文以灵武体育中心为例,采用同步测压风洞试验技术,对体育场中最常采用的双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖平均风压、脉动风压、极值风压分布进行了研究,为该类结构的抗风设计提供参考.试验结果表明:不同风向角下,由于月牙形悬挑屋盖倾角的变化,来流在屋盖表面形成不同的特征湍流；对于屋盖整体而言,平均风荷载、脉动风荷载随风向角变化均匀,处于来流下游的悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载均较处于来流上游的悬挑屋盖大.悬挑屋盖上表面极值风压数值普遍大于下表面,且变化更为剧烈.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2013(034)005【总页数】5页(P588-592)【关键词】悬挑屋盖;风洞试验;平均风荷载;脉动风荷载;极值风荷载【作者】李波;冯少华;杨庆山;范重【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;中国建筑设计研究院范重工作室,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TU312.1大跨悬挑屋盖具有自重轻、跨度大、结构柔等特点，风荷载是其结构设计的主要控制性荷载，属典型风敏感结构［1-2］.大跨悬挑屋盖的风荷载特性一直是风工程研究的热点，国内外研究者通过风洞试验得到了一些有价值的结论［3-5］，对认识该类结构的风荷载特性起到了重要作用.月牙形大跨悬挑屋盖是现代体育场看台最常采用的罩棚形式，并且通常呈双侧布置用以满足建筑功能要求.平面形体的改变使得月牙形大跨悬挑屋盖的风荷载分布更为复杂，双侧布置又使得屋盖间风致干扰效应成为需要考察的内容.相对于普通大跨悬挑屋盖，专门针对月牙形大跨悬挑屋盖风荷载的研究相对缺乏.文献［6］采用数值的方法对月牙形大跨悬挑屋盖的平均风压分布进行了预测，文献［7］则研究了局部构造对月牙形悬挑屋盖平均风压分布的影响.灵武体育中心位于宁夏回族自治区灵武市新区行政中心，距自治区首府银川市38 km，总建筑面积27 173 m2.体育场西侧设上、下两层看台，东侧设一层看台，并在东、西两侧看台上方设置大跨度悬挑屋盖.悬挑屋盖为复杂曲面，前高后低，且中间高、两侧低，平面投影为月牙形.本文将以灵武体育中心为例，采用同步测压风洞试验的方法对双侧布置的月牙形悬挑屋盖风荷载特性进行了研究，重点分析该类悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载与极值风荷载的分布特性，为该类结构的抗风设计提供参考.1 风洞试验概况1.1 试验风场本次试验在北京交通大学风洞实验室高速试验段完成，该风洞(图1)为双试验段回流式闭口风洞，风洞洞体平面尺寸为41.0 m×18.8 m，其中，高速试验段尺寸为3.0 m ×2.0 m ×15.0 m，低速试验段尺寸为5.2 m ×2.5 m ×14.0 m.经第三方校核，风洞风场品质优秀.图1 北京交通大学风洞试验室Fig.1 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University在正式试验前，首先通过尖塔和立方体粗糙元的组合，按照我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定，模拟了1∶200的B类风场(地面粗糙度指数α=0.16)，试验中名义风速为15 m/s，风场平均风剖面如图 2 所示.图中 Z、Zr、U、Ur、α 分别为高度、参考点高度、风速、参考点处风速和风速剖面幂指数(试验中，参考点设置在模型顶部高度处).图2 平均风速与湍流度剖面Mean wind speed and turbulence intensity profiles1.2 试验模型及数据处理试验模型为刚性模型，根据设计图纸，采用ABS材料制作，主体模型具有足够的强度和刚度，在试验过程不会发生变形和振动，以保证压力测量的精度.根据实际建筑物的大小和风洞试验阻塞率的要求，模型几何缩尺比选为1∶200，如图3所示.图3 风洞试验模型Fig.3 Wind tunnel test model该体育中心月牙形大跨悬挑屋盖分东、西两部分，其中，东悬挑屋盖面积较小，且高度较西悬挑屋盖低.采用双面测压技术［8］，在西悬挑屋盖内外表面共布置352个测压点，在东悬挑屋盖内外表面共布置312个测压点，如图3所示.测点处设置测压管，用来测量各点的瞬时风压.试验采用美国PSI公司生产的电子扫描阀测压系统，采样频率311.74 Hz，每个通道采样点数为 9 000，采样时间28.8 s.在0°～360°范围内每转动10°测试一次，主要风向角如图4所示.在结构风工程中，物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，该系数可按下式确定［9］:式中为测压点i处相应于参考点的压力系数;Pi为作用在测点i处的压力;P0、P∞分别是试验中参考高度处的总压与静压.图4 测点布置图及风向角示意Fig.4 Tap distribution and wind angle本文风压符号约定为:压力向上或向外为负，压力向下或向内为正.2 平均风荷载压力系数的均值反映了平均风荷载.本节将基于风洞试验结果给出月牙形大跨悬挑屋盖压力系数均值分布，用以揭示该类结构的平均风荷载分布特性.2.1 平均风荷载分布图5给出了灵武体育中心0°、270°风向角，屋盖上、下表面合成后的压力系数均值分布云图.0°风向角时平均风荷载分布如图5(a)所示.该风向角东、西悬挑屋盖沿来流方向对称布置，由于两片屋盖形状相似，平均风荷载分布规律基本相同;受屋盖倾角变化的影响，平均风荷载沿屋盖由正压逐渐变化为负压;其中，屋盖正压区与负压区的分界线大致在屋盖三分之一处，该处屋盖倾角约为10°;由平均压力分布图还可以看出，来流在屋盖正压区、负压区的角部产生了明显的锥形涡［10-11］，正压区涡心处压力系数均值为0.6，负压区涡心处压力系数均值为 -0.5.270°风向角时平均风荷载分布如图5(b)所示.该风向角东悬挑屋盖位于来流上游，作用于屋盖的风荷载均为负压，并且风压分布对称性较好.来流在东屋盖根部形成了明显的柱状涡［12］，涡心处压力系数均值达到-0.6，但是柱状涡作用范围较小，衰减很快;来流流过东屋盖后，在西屋盖悬挑端再次形成柱状涡，由于来流受东屋盖阻碍，流速减缓，湍流成分增加，该柱状涡的作用范围较大，但强度小，涡心处压力系数均值仅为-0.35.图5 压力系数均值分布Fig.5 Distribution of the mean of pressure coefficient 2.2 平均风荷载随方向角变化为了更好地说明平均风压分布规律，图6给出了月牙形大跨悬挑屋盖整体平均压力系数随风向角的变化曲线.其中，屋盖整体平均压力系数定义为:式中为测点i处上、下表面压力系数合成后的均值;Ai为测点i所代表的面积.图6 屋盖整体平均压力系数Fig.6 The mean of pressure coefficient of the whole roof可以看出，东、西悬挑屋盖整体平均压力系数随风向角变化的规律性较好.处于来流上游的悬挑屋盖整体风压值较小，而处于下游的悬挑屋盖风压值较大;50°和140°风向角时，东屋盖整体风压值较大，其值达到 -0.4;230°与310°风向角时，西屋盖整体风压值较大，其值达到-0.54.3 脉动风荷载压力系数的根方差是用来衡量脉动风压大小的重要指标.图7给出了0°、270°风向角，月牙形大跨悬挑屋盖上、下表面合成后的压力系数根方差分布云图.图7 压力系数根方差分布Fig.7 Distribution of the RMS of pressure coefficient由图7可以看出，压力系数根方差的分布规律与压力系数均值分布规律相似.90°风向角时，东、西屋盖压力系数根方差分布基本相同，但是西屋盖涡心处压力系数根方差的值较东屋盖大;270°风向角时，东屋盖压力系数根方差衰减较慢，西屋盖则衰减较快.定义屋盖整体压力系数根方差为式中为测点i处上、下表面压力系数合成后的根方差.图8给出了屋盖整体压力系数根方差随风向角的变化曲线.可以看出，处于来流上游的悬挑屋盖脉动风压较小，而处于下游的悬挑屋盖脉动风压较大，该规律与平均风压变化规律一致.图8 屋盖整体压力系数根方差Fig.8 The RMS of pressure coefficient of the whole roof4 极值风荷载极值风压是用来指导围护结构抗风设计的重要依据.对于大跨度悬挑屋盖而言，上吸风极值通常为最不利荷载，按本文的符号约定，即为压力系数极小值.本文按下式确定作用于屋盖的极值风荷载:式中分别为测点i处的压力系数极大值和极小值分别为测点i处的压力系数平均值和根方差，g为峰值因子，本文取3.5.图9给出了36个风向角作用下，月牙形大跨悬挑屋盖上、下表面最不利压力系数极小值分布云图.由图可以看出，屋盖表面的极值风压分布对称较好，上表面极值风压数值普遍大于下表面，且变化更为剧烈;屋盖上表面极值风压数值大于-1.6的区域占到整个屋盖的1/3，并且仅位于屋盖的悬挑端;下表面则是屋盖边缘周圈的极值风压数值均较大，约占屋盖的1/5区域.图9 压力系数极值分布Fig.9 Distribution of the minimum of pressure coefficient5 结论风荷载是大跨悬挑屋盖结构设计的主要控制性荷载，本文以灵武体育中心为例，采用同步测压风洞试验得到了作用于体育场双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载以及极值风荷载的分布特性:1)整体而言，作用于双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖的平均风荷载、脉动风荷载随风向角变化均匀，处于来流下游的悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载均较处于来流上游的悬挑屋盖大.2)当来流与悬挑屋盖纵向平行时(如0°风向角)，受屋盖倾角变化的影响，来流前缘为正压区，后缘为负压区，并且，来流在屋盖表面形成锥形涡，涡心位于屋盖角部;当来流与悬挑屋盖横向平行时(如270°风向角)，屋盖表面均为负压区，来流在屋盖前缘形成柱状涡.3)悬挑屋盖上表面极值风压数值普遍大于下表面，且变化更为剧烈;上表面悬挑端1/3的范围均可划为边缘区，极值风荷载较大.参考文献:【相关文献】［1］HOLMES J D.Wind load of structures［M］.New York:Spon Press，2001:210-221. ［2］孙瑛.大跨屋盖结构风荷载特性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007:3-8.SUN Ying.Characteristics of wind loading on long-span roofs［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2007:3-8.［3］LAM K M，TO A P.Generation of wind loads on a horizontal grandstand roof of large aspect ratio［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，54(55):345-357.［4］朱川海，顾明.大型体育场主看台挑篷抗风研究现状及展望［J］.空间结构，2005，11(2):27-33.ZHU Chuanhai，GU Ming.Present state and perspectives of wind resistance studies on grandstand cantilevered roofs of large stadiums［J］.Spatial Structures，2005，11(2):27-33.［5］李元齐，胡渭雄，王磊.大跨度空间结构典型形体风压分布风洞试验研究现状［J］.空气动力学学报，2010，28(1):32-38.LI Yuanqi，HU Weixiong，WANG Lei.State of art:wind tunnel investigation on wind pressure distribution of large span spatial structures with typical shapes［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2010，28(1):32-38.［6］顾磊，齐宏拓，武芳.典型体型体育场风荷载数值模拟分析［J］.空间结构，2010，16(2):72-80.GU Lei，QI Hongtuo，WU Fang.CFD numerical simulation of typical shape stadiums ［J］.Spatial Structures，2010，16(2):72-80.［7］李超，陈水福，盛建康.局部构造对月牙形凸屋盖风荷载影响的研究［J］.空间结构，2010，16(3):47-54.LI Chao，CHEN Shuifu，SHENG Jiankang.Effect of local configurations on wind load of a crescent-shaped convex roof Structure［J］.Spatial Structures，2010，16(3):47-54. ［8］李波，杨庆山，冯少华.周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究［J］.试验流体力学，2012，26(5):27-30.LI Bo，YANG Qingshan，FENG Shaohua.Research on the interference effect of surrounding buildings on the wind load of long-span roof［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26(5):27-30.［9］李波，杨庆山，田玉基，等.锥形超高层建筑脉动风荷载特性［J］.建筑结构学报，2010，31(10):8-16.LI Bo，YANG Qingshan，TIAN Yuji，etal.Characteristics of turbulent wind load of tapered super-tall buildings［J］.Journal of Building Structures，2010，31(10):8-16.［10］陈学锐，顾志福，李燕.锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载［J］.力学学报，2007，39(5):655-660.CHEN Xuerui，GU Zhifu，LI Yan.Conical vortex induced wind loading on the roof of a building［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2007，39(5):655-660.［11］KAWAI H.Local peak pressure and conical vortex on building［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，2002，90:251-263.［12］李波，杨庆山，田玉基，等.国家网球中心新馆可开启屋盖风荷载特性［J］.土木工程学报，2010，43(S2):112-118.LI Bo，YANG Qingshan，TIAN Yuji，et al.Wind load characteristics of retractable roof of New National Tennis Center［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(S2):112-118. ［13］张相庭.结构风工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006:124-125.。
国家体育场自然通风效果模拟分析全文国家体育场自然通风效果模拟分析摘要国家体育场是北京2008年奥运会的主会场，其比赛区和观众席采用自然通风方式。
本文针对国家体育场建筑结构的特点，运用计算流体力学（CFD）模拟的手段，对其在典型夏季条件下的比赛区和观众区的自然通风效果进行模拟分析；并采用热安全性和热舒适性两种指标对国家体育场自然通风的效果进行了分析和评价。
结果表明，在典型夏季条件下，国家体育场的比赛区和观众区的温度和速度可以为人员接受；从热安全角度出发，自然通风可以保证人员是安全的；从热舒适角度出发，比赛区和观众区稍嫌热，但可以接受。
关键词国家体育场自然通风数值模拟1．引言国家体育场坐落在北京奥林匹克公园中心区南部，俗称“鸟巢”，是北京2008年奥运会的主会场，将承担开幕式、闭幕式和田径、足球决赛等活动和赛事。
国家体育场占地20.4万平方米，建筑面积25.8万平方米，长333m，宽298m，高69m。
其中地下3层，地上7层。
国家体育场观众席的通风设计采用自然通风方式，体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的宗旨。
除3、4层以外的区域，包括观众席等处都充分利用场地的出入通道作为自然通风的进风口。
由于国家体育场采用的是自然通风，因而在保证热安全的情况下，体育场的正常使用和观众区的热舒适是最需关注的问题。
本文的目标是，针对国家体育场建筑结构的特点，运用计算流体力学（CFD）模拟的手段，对其在典型夏季条件下的比赛区和观众区的自然通风效果（气流速度和温度）进行模拟分析，得到各处的温度、速度等相关的数值模拟结果；并对以上计算结果采用热安全性和热舒适性两种指标对国家体育场自然通风的效果进行分析和评价。
在本次分析中，采用的商用CFD计算程序是PHOENICS。
2．物理模型及计算首先对国家体育场进行了物理建模。
设定计算区域为440m×360m×90m的方型区域，将体育场置于计算区域中心。
为了模拟自然通风下体育场内部的气流组织，将计算区域的各个面均设为相对压力为0Pa的边界，通过体育场内的人员和灯光发热与外部产生热压，从而形成空气流动。
大跨索穹顶屋盖结构风洞试验及敏感风速研究聂竹林;吴福成;陈伟;毛吉化;汪大洋;郭荣幸;罗创涟【期刊名称】《建筑结构》【年(卷),期】2024(54)2【摘要】大跨索穹顶屋盖结构频率密集,其风振动力响应复杂,不同风速下脉动风响应对大跨索屋盖结构的风敏感性影响一直是当前风工程研究的热议难题。
针对大跨索穹顶屋盖结构,设计制作了缩尺比为1∶250的试验模型,在B类地貌下开展了36组风洞测压试验,研究了全风向角下大跨索穹顶屋盖结构的风压峰值分布规律和典型不利风向角,最后基于风洞试验数据,探究了索穹顶屋盖在不同风速等级下的风振敏感性。
结果表明:索穹顶屋盖主要以承载负风压为主;屋面以承载Z向负风振位移响应为主,呈现中心区域向周边下降的变化规律;屋面Z向风振位移响应随风速增大而递增,平均风响应随风速增大呈线性递增;部分风速等级下索穹顶屋盖的脉动风位移响应和总极值位移响应敏感,且风振系数较大;结构屋面响应最大点处风压系数时程傅里叶变换幅值在结构前10阶部分频段为峰值,表明索穹顶屋盖结构存在敏感风速范围,其脉动风响应显著,且与结构模态自振特性密切相关,抗风设计时应找出敏感风速范围,并对响应显著区域加强抗风设计。
【总页数】10页(P77-85)【作者】聂竹林;吴福成;陈伟;毛吉化;汪大洋;郭荣幸;罗创涟【作者单位】广州广检建设工程检测中心有限公司;广州大学土木工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU335【相关文献】1.斜交梁结构体系在大跨屋盖中的应用实践--某油田职工活动中心大跨屋盖结构设计2.具有凹面外形的大跨屋盖结构风荷载分布及风洞试验研究3.大跨屋盖结构风效应的风洞试验与原型实测研究4.大跨屋盖结构刚性模型风洞试验研究5.大跨屋盖结构风洞试验的风压极值研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
国家体育场鸟巢调研报告调研报告：国家体育场鸟巢一、引言国家体育场，俗称“鸟巢”，是中国现代建筑的代表之一，以其独特的外观和丰富多样的功能而闻名于世。
本次调研报告旨在对国家体育场进行深入了解，从历史背景、建筑特色、设施功能等方面揭示其在体育和文化领域的重要地位。
二、历史背景国家体育场是2008年北京奥运会的主体育场，由瑞士建筑师雅各布斯导师设计。
它的创造灵感来自于中国古代陶瓷工艺，坚固而富有曲线美。
鸟巢的建设不仅为北京奥运会提供了一个标志性的场馆，也成为了改善周边环境和丰富当地文化的重要举措。
三、建筑特色国家体育场外形酷似巢穴，由大量的钢材和混凝土构成。
它采用了创新的结构设计，拥有立体交错的网状结构，使整个体育场看起来如同一个巨大的鸟巢。
不仅如此，鸟巢的悬挑屋面和曲线形状更是增添了其视觉冲击力和美观度。
四、设施功能国家体育场不仅是一座体育场馆，还拥有多种功能。
它可以举办各类大型体育赛事，如足球比赛、田径比赛和国际友谊赛等。
此外，它也是一个多功能的文化艺术中心，经常举办音乐会、演唱会和舞蹈表演等文化活动。
此外，鸟巢还设有展览馆、商业区、餐饮区等，为游客提供丰富多样的服务。
五、影响力及意义国家体育场作为北京奥运会的主要场馆，不仅让世界瞩目中国体育事业的发展，也使中国建筑成为国际舞台上的一颗耀眼明星。
国家体育场作为中国的标志性建筑之一，对于提升中国的国际形象、增强国家凝聚力起到了积极的推动作用。
六、意见及建议国家体育场已经成为一个很好的文化、体育交流平台，但还有一些改进的地方。
首先，应更加注重对于运动员和观众的人性化设计，提供更加便利的设施和服务。
其次，可以进一步丰富鸟巢的文化活动，吸引更多的人前来参观和体验。
最后，应积极加强国家体育场的维护和管理，确保其长期可持续发展。
七、结论国家体育场作为中国现代建筑的杰作，不仅在外观上令人惊叹，更在其功能及影响力上具备了巨大的价值。
通过本次调研，我们深入了解了鸟巢的历史背景、建筑特色和设施功能，也为其未来的发展提出了一些建议。
国家体育场大跨度屋盖结构风场实测研究罗尧治;蔡朋程;孙斌;童若飞;沈雁彬;王洽亲【摘要】With the aid of self-developed measurement system based on wireless sensor network, field measurements of wind characteristics were conducted on the roof of the National Stadium. Boundary layer wind characteristics such as mean wind speed and direction, turbulence intensity, gust factor and power spectrum density of longitudinal wind speed etc were revealed. Analysis results show that there are remarkable differences between the characteristics of the wind on the roof and the nature wind, which represent the roof wind to be of high non-Gaussian characteristic, high turbulence, peaks of PSD function appearing in high frequency domain, and weak correlation among the oscillations at different points in space. It is proved that the theory of quasi-steady state is not applicable to the large-span roof structure.%利用自主开发的基于无线传感技术的土木工程结构风场实测系统,对国家体育场大跨度屋盖上的风速风向进行了监测,获得了屋盖上的风场实测数据.得到了平均风速和风向、阵风系数、湍流度以及脉动风速功率谱等风特性参数.经过对实测数据的分析,分析结果表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大差别,表现为非高斯特性明显、湍流度较大、脉动风速功率谱在较高频率处达到峰值、空间上不同点脉动特性相关度较弱；该文从实测角度上证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】6页(P64-68,78)【关键词】现场实测;国家体育场;功率谱;湍流度【作者】罗尧治;蔡朋程;孙斌;童若飞;沈雁彬;王洽亲【作者单位】浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058;浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058;现代设计集团上海建筑设计研究,上海200041;浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058;浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058;浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058;浙江大学空间结构研究中心浙江省空间结构重点实验室,杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TU393.3随着结构体系、建筑材料、设计和施工技术的进步，现代建筑朝着高度越来越高﹑跨度越来越大的方向发展，使得工程结构逐渐呈现质量轻、柔度大﹑阻尼小和自振频率较低的特性，风荷载往往成为控制结构设计的主要荷载。
目前，风洞试验方法仍然是结构抗风研究的最主要方法，但由于其是缩尺模型试验，风洞试验模拟与实际现场实测所得的结果相比仍会有很多区别，如风洞模拟的湍流度难以达到实际值，描述流体特征的重要参数雷诺数也比实际值低2到3个数量级。
总之，风洞试验虽然是现在最主流的风工程研究方法，但其仍存在许多问题。
而现场实测是最直接可靠的手段，可以有效验证和改进风洞试验﹑数值风洞的结果及模拟方法，促进整个风工程研究方法的发展。
近年来，国内外学者广泛开展了土木工程领域的风场实测研究，取得了一些研究成果。
李秋胜等［1-2］开发了移动式台风观测系统和远程监控系统，研究了我国沿海多个城市和地区的风场特性和建筑结构风振响应。
申建红等［3］对一超高层建筑进行了强风下风速、风压场的现场同步实测，研究了强风作用下超高层建筑风场特性及表面的风压分布特征。
顾明等［4］在上海环球金融中心大楼顶部放置了超声风速仪，对超高层建筑上的风速进行了采集和分析。
徐安等［5］采用两种超声风速仪对台风近地风场进行了现场实测，对台风的风速时程﹑风向角﹑风攻角变化进行了分析。
由于现场实测费用高﹑难度大﹑布线困难，有关现场实测的文献仍较少，尤其对于大跨空间结构的风场实测，国内外研究极少。
本文首次将无线传感网络技术［6］以及3G网络应用于风场实测中，开发出远程风场实测系统，对国家体育场这一典型大跨度空间结构的屋盖上表面风场进行了观测，取得了初步的数据和研究成果。
1 国家体育场大跨度屋盖风场实测概况国家体育场是2008年北京奥运会主体育场，外形结构主要是由巨大的门式钢架组成，支撑在24根桁架柱上。
建筑顶面呈鞍形，长轴方向最大尺寸为332.3 m，短轴方向最大尺寸为296.4 m，最高点高度为68.5 m，最低点高度为40.1 m，屋盖中间开洞长度为185.3 m，宽度为 127.5 m，场地地面粗糙度类别为 B 类［7］。
在体育场屋盖上表面放置了4个风速风向观测点，测点位置布置见图1，其中风速风向测点1﹑2﹑3周围开阔，而测点4在“鸟巢”火炬东南方向约5 m范围处。
风速风向传感器安装在距屋盖顶部0.8 m高度处，距地面约50 m左右，图2为实物安装图。
图1 测点布置平面示意图Fig.1 Plan view of sensor location图2 风速传感器实物图Fig.2 Wind speed sensor2 风场特性分析方法2.1 脉动风速概率分布现有的风特性分析方法假定脉动风速的概率分布为高斯分布(正态分布)，而特殊环境或大气湍流受到干扰时，风速记录可能不符合高斯分布。
实际统计分析中，通常将偏度和峰度结合起来运用，以判断变量分布是否接近于高斯分布，其中偏度度量概率密度分布的偏斜程度及偏向，峰度度量概率密度分布在平均值处峰值高低。
2.2 顺风向湍流度与阵风系数大跨度屋盖结构柔度大﹑自振频率低，大气湍流特征对于屋盖结构共振效应有重要影响。
湍流度和阵风系数是建筑结构风荷载设计中两个基本的湍流特征信息。
顺风向湍流度Iu定义为10 min时距内顺风向脉动风速均方根值σu与水平平均风速U 的比值:顺风向阵风系数Gu定义为顺风向阵风持续时间tg(本文取3 s)内平均风速最大值与基本时距(10 min)内平均风速U之比:2.3 顺风向湍流积分长度大气边界层中的湍流涡旋可以视为频率为n的周期脉动，定义涡旋的波长λ=U/n，其中U为平均风速，那么这个波长就是涡旋大小的量度，湍流积分尺度是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。
对于顺风向的湍流积分尺度根据泰勒(Taylor)假设［8］，即假设湍流涡旋以平均风速U沿顺风向迁移，则顺风向的湍流积分尺度Lxu可以表示为:式中R(τ)为脉动风速自相关函数。
计算时以10 min为基本时距，积分上限取到R(τ)=0.05σ2u，σu表示顺风向脉动风速的根方差。
2.4 脉动风速功率谱脉动风速功率谱用来描述湍流中不同尺度的旋涡的动能对湍流脉动动能的贡献。
它在频域上的分布代表了湍流动能在不同尺度上的能量分布比例。
其中达文波特(Davenport)谱﹑冯·卡门(Von Karman)谱和卡曼(Kaimal)谱应用较多［9］。
(1)冯·卡门(Karman)谱卡门谱是1948年美国著名空气动力学家 Von Karman根据湍流各向同性假设提出的，表达式为:式中，，其中为纵向紊流积分尺度，n为脉动风频率，表示脉动风的方差，U表示平均风速。
(2)达文波特(Davenport)谱1961年，加拿大著名风工程专家Davenport提出了第一个大气边界层中的水平脉动风功率谱:式中，，U(10)表示10 m高度处的平均风速，其余符号同上。
Davenport谱与高度无关，是大气边界层水平脉动风谱的近似表达式，也是目前国际上用得最多的水平脉动风谱。
(3)卡曼(Kaimal)谱卡曼提出的风速谱的数学表达式为:式中，，U为z高度处平均风速，其余符号同上。
3 实测数据分析利用远程风场实测系统对多个风速测点同步采集和观测，获得了国家体育场屋盖上的风速记录。
数据分析选取3段平均风速较大风速时程，见表1。
由于风速风向测点4位于“鸟巢”火炬区域，火炬本身及火炬拆除期间工具的堆放对测点4数据有明显影响，表现为风速数据偏小，风向角与其他测点相差较大，湍流度偏大，故在数据分析时对测点4数据予以剔除。
表1 实测样本记录Tab.1 The records of the measured samples样本代号记录时间时长(min)平均风向0915 2010-9-15 22:40～02:10 220西南0927 2010-9-27 10:13～14:13 240 西北1004 2010-9-27 15:16～16:36 80西南3.1 脉动风速概率分布图3为4次风速样本中风速风向测点1在1个小时内脉动风速的概率密度函数。
对于一个标准的高斯分布，其峰度系数和偏度系数分别为3和0。
峰度系数大于3，表明落在风速均值附近的概率分布大于标准正态分布;而偏度系数大于0，表明概率分布向右偏斜，数据右端有较多的极端值。
3次风速样本的概率分布呈现出不同程度的非高斯特征。
脉动风速可以看作是稳定流场和一系列旋涡叠加的结果［5］，在风速构成以稳定流为主时，脉动风速近似为高斯分布。
而对于大跨度屋盖结构而言，屋盖上表面主要受分离的旋涡作用，风场较为紊乱，因而非高斯特性表现明显。
图3 1 h脉动风速和标准概率分布Fig.3 1 h wind speed fluctuation and standard probability distribution3.2 平均风速与风向两个均以10 min为基本时距的实测样本数据的平均风速和风向如图4(a)﹑图4(b)﹑图4(c)和图4(d)所示。
“0915”样本总体平均风速为3.0 m/s，其中最大10 min平均风速为4.5 m/s，总体平均风向为162°，即风向以西南方向为主。
“0927”样本的总体平均风速为4.0 m/s，其中最大10 min平均风速为5.5m/s，总体平均风向为18°，即风向以西北方向为主。
