李勝利，武 昊，鄭舜云，歐進(jìn)萍, 丁金全

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

目前國(guó)內(nèi)建筑抗風(fēng)研究已經(jīng)得到了快速發(fā)展，風(fēng)洞試驗(yàn)室數(shù)量達(dá)到幾十家。建筑抗風(fēng)的研究手段主要有三種，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是研究結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最可靠的方法[1-2]，但存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、風(fēng)速風(fēng)向不穩(wěn)定等問題[3]。Yi等[3]研究了臺(tái)風(fēng)作用下超高層建筑風(fēng)效應(yīng)并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行抗風(fēng)研究[4-5]。然而數(shù)值模擬依然存在不能較好模擬流場(chǎng)且計(jì)算域劃分不精確問題[6]。Braun等[7]利用CFD手段分析了CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。其中風(fēng)洞試驗(yàn)是目前為止學(xué)者們研究抗風(fēng)的主要手段[8-9]。然而風(fēng)洞試驗(yàn)較難真實(shí)反映流場(chǎng)狀況，諸如實(shí)際湍流度和地貌特征[10]。Melbourne[11]對(duì)6家風(fēng)洞機(jī)構(gòu)測(cè)得的CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，6家研究機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果差異較小，并分析了出現(xiàn)結(jié)果差異的原因，為以后新建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)場(chǎng)校核提供參考。風(fēng)洞試驗(yàn)需要建造大型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于沒有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室地區(qū)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究將受到限制，因此研究便攜式建筑抗風(fēng)試驗(yàn)方法具有很好的創(chuàng)新性。

Tanaka等[12]采用1∶1 000大縮尺比對(duì)CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)，與其他風(fēng)洞機(jī)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比后得出，采用大縮尺比模型對(duì)風(fēng)壓數(shù)據(jù)結(jié)果影響不大,風(fēng)壓系數(shù)受模型縮尺比影響較小。楊高豐等[13]對(duì)運(yùn)牛車在行駛過程中車廂內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行了研究，得出了車頂周圍不同位置的風(fēng)速風(fēng)向規(guī)律，說明汽車行駛可以在車頂產(chǎn)生風(fēng)的作用，并且風(fēng)速風(fēng)向有一定的分布規(guī)律。Qiang等[14]研究了高速列車在不同湍流度狀況下測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律，均勻流情況下風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律與湍流狀況下一致，僅僅在風(fēng)壓數(shù)值上存在差異。Tecle等[15]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)低矮建筑進(jìn)行了測(cè)壓研究，壓力測(cè)點(diǎn)布置較多，利用壓力掃描模塊較多，造成試驗(yàn)花費(fèi)昂貴，而且受風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室尺寸和斷面的限制不能完全避免阻塞效應(yīng)。相對(duì)而言利用汽車行駛產(chǎn)生風(fēng)測(cè)試建筑物風(fēng)壓系數(shù)的方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：能較真實(shí)反映測(cè)試建筑物的風(fēng)場(chǎng)；能有效避免阻塞效應(yīng)；試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，試驗(yàn)成本較低，試驗(yàn)便利。此方法可作為抗風(fēng)研究中一種新的試驗(yàn)方法應(yīng)用，成為風(fēng)洞試驗(yàn)方法之外的一個(gè)有益補(bǔ)充。試驗(yàn)理論基礎(chǔ)的建立，試驗(yàn)風(fēng)速與皮托管測(cè)試風(fēng)速的一致對(duì)應(yīng)，如何處理試驗(yàn)影響因素也是需要研究的重要內(nèi)容。風(fēng)洞試驗(yàn)中定義與模型同高度處作為參考高度[16]，跑車試驗(yàn)中選取汽車頂部合適位置放置皮托管。目前對(duì)于不采用風(fēng)洞試驗(yàn)的建筑結(jié)構(gòu)測(cè)壓技術(shù)還是一項(xiàng)空白，基于此本文采用跑車試驗(yàn)方法對(duì)剛性模型進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，驗(yàn)證此種方法是否可行，并對(duì)測(cè)壓試驗(yàn)方法進(jìn)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(yùn)輸?shù)奈矬w均會(huì)受到風(fēng)的作用，因此利用汽車行駛風(fēng)測(cè)試布置在汽車頂部建筑模型的風(fēng)壓系數(shù)的跑車試驗(yàn)方法可成為一種新的抗風(fēng)試驗(yàn)方法。

受到上述相關(guān)研究成果的啟發(fā)，本文提出了一種理想道路條件下利用汽車行駛風(fēng)測(cè)試建筑風(fēng)壓系數(shù)的跑車試驗(yàn)方法，采用理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，構(gòu)建了跑車試驗(yàn)的基本理論，設(shè)計(jì)和組裝了跑車試驗(yàn)的物理試驗(yàn)平臺(tái)，搭建了軟件測(cè)試系統(tǒng)，研究了測(cè)試數(shù)據(jù)的處理方法，運(yùn)用該方法對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

1 跑車試驗(yàn)理論模型構(gòu)建

風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬中建筑風(fēng)壓系數(shù)的表達(dá)式為[17]：

(1)

式中：P為測(cè)點(diǎn)壓力值；P0為來流靜壓值；U為來流平均風(fēng)速；ρ為空氣密度；Cp為無量綱風(fēng)壓系數(shù)。

跑車試驗(yàn)方法中，汽車行駛速度與車頂風(fēng)速一致，汽車行駛速度應(yīng)相當(dāng)于風(fēng)洞中來流風(fēng)速。跑車試驗(yàn)中將皮托管放置在對(duì)模型無干擾的理想高度處，在該位置處皮托管測(cè)得靜壓值應(yīng)與風(fēng)洞中來流靜壓一致,因此由前所述本文提出的跑車試驗(yàn)方法中，布置在車頂建筑模型風(fēng)壓系數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

式中：P為測(cè)點(diǎn)壓力值；PP為跑車試驗(yàn)車頂合理位置處?kù)o壓值；Pt為跑車試驗(yàn)車頂合理位置處總壓值；Cp為無量綱風(fēng)壓系數(shù)。

公式(2)即為本文跑車試驗(yàn)方法的基本理論公式，該公式與傳統(tǒng)的建筑風(fēng)壓系數(shù)相比，不需要測(cè)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(cè)試結(jié)果，因此本文提出的跑車試驗(yàn)方法的理論公式簡(jiǎn)單實(shí)用。

2 跑車試驗(yàn)方法

2.1 物理試驗(yàn)平臺(tái)

本文提出的跑車試驗(yàn)方法的物理試驗(yàn)平臺(tái)主要由矩形平臺(tái)和轉(zhuǎn)盤等組成，如圖1所示。矩形平臺(tái)由鋼板切割和焊接而成，由于鋼板剛度大，在汽車平穩(wěn)行駛過程中平臺(tái)相對(duì)振動(dòng)很小，可保證矩形平臺(tái)具有較好的穩(wěn)定性。如圖1(a)所示，矩形平臺(tái)放置在車頂天窗上，平臺(tái)長(zhǎng)90 cm,寬60 cm,厚0.5 cm,平臺(tái)中心位置切割直徑3 cm圓孔，用于將試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)壓管從孔中穿入車內(nèi)。在試驗(yàn)平臺(tái)上鉆7個(gè)鉆孔，1#鉆孔直徑 6 mm,本試驗(yàn)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(tái)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(tái)固定牢固，4#與5#鉆孔采取同樣方式固定，最終將試驗(yàn)平臺(tái)固定在汽車天窗上部。如圖1(b)所示，為了能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整模型不同風(fēng)向角，制作一個(gè)轉(zhuǎn)盤，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ谵D(zhuǎn)盤6#、7#、8#鉆孔上，調(diào)整好模型風(fēng)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(yàn)時(shí)放置在車內(nèi)，用于驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；供電設(shè)備采用2塊12 V電源串聯(lián)，并通過逆變器轉(zhuǎn)換成220 V電源為筆記本電腦等設(shè)備持續(xù)供電。

(a) 物理試驗(yàn)平臺(tái)

(b) 轉(zhuǎn)盤

2.2 測(cè)試軟硬件系統(tǒng)

利用跑車試驗(yàn)方法測(cè)試建筑風(fēng)壓系數(shù)的硬件系統(tǒng)主要包括：高頻壓力傳感器、皮托管、振動(dòng)測(cè)試儀以及數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備,如圖2所示。高頻壓力傳感器由西安美測(cè)科技有限公司生產(chǎn)，采用三線制接線，輸出信號(hào)為0～5 V電壓，傳感器接口采用2.5 mm氣嘴，用于與測(cè)壓軟管連接；傳感器量程±2 kPa，精度等級(jí)為0.25% Fs，頻率最高可達(dá)4 kHz，傳感器數(shù)量共22個(gè)，主要對(duì)模型表面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)量和皮托管總壓及靜壓測(cè)量。皮托管采用L型標(biāo)準(zhǔn)皮托管，皮托管直徑6 mm,長(zhǎng)度50 cm，靜壓孔與總壓孔直徑2.5 mm(方便與測(cè)壓軟管緊密連接)。數(shù)據(jù)采集儀選用由北京阿爾泰公司生產(chǎn)的高頻數(shù)據(jù)采集卡，可實(shí)現(xiàn)32通道數(shù)據(jù)采集，最高采樣頻率可達(dá)500 kHz,并通過usb接口與計(jì)算機(jī)連接，方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。振動(dòng)測(cè)試儀選用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的采集分析儀和配套的加速度傳感器，選用一個(gè)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(gè)通道，AD精度24位，內(nèi)置有存儲(chǔ)器和充電電池。

圖2 測(cè)試軟硬件系統(tǒng)

2.3 測(cè)試步驟

跑車試驗(yàn)選擇平整度良好且車流量較少路面進(jìn)行，目的是降低因路面不平整對(duì)車身振動(dòng)的影響和周邊汽車行駛對(duì)來流的干擾，保證整個(gè)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)條件的穩(wěn)定性。如圖3所示，將試驗(yàn)平臺(tái)、CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型和儀器設(shè)備安裝完成后，啟動(dòng)汽車，當(dāng)汽車行駛到一定車速且速度穩(wěn)定時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)壓實(shí)驗(yàn)同時(shí)開啟汽車定速巡航模式，當(dāng)無周邊車干擾時(shí)開始采集風(fēng)壓數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)工況采集完成后，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)工況采集，直到采集完所有試驗(yàn)工況時(shí)停止行駛汽車，并將試驗(yàn)平臺(tái)和車內(nèi)儀器設(shè)備拆卸完畢。

圖3 跑車試驗(yàn)流程

2.4 理想道路條件

本文理想條件指：假設(shè)沒有車輛振動(dòng)或振動(dòng)很小，道路平坦、筆直，自然風(fēng)很小可以忽略不計(jì)，試驗(yàn)過程中周圍沒有車流通過，試驗(yàn)在天氣晴朗狀況下進(jìn)行等條件。依據(jù)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(jìn)行試驗(yàn)，并且選擇自然風(fēng)很小的時(shí)間進(jìn)行，利用汽車的定速巡航功能保證車速穩(wěn)定，如表1所示。

3 標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)壓系數(shù)跑車試驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)模型試驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證跑車試驗(yàn)測(cè)試建筑風(fēng)壓系數(shù)的可行性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脟?guó)際上通用的CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型。CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定在模型2/3H高度水平面處布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)的壓力測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。跑車試驗(yàn)CAARC剛性模型采用1∶300的幾何縮尺比，模型采用5 mm厚有機(jī)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(qiáng)度和剛度。按圖所示測(cè)點(diǎn)位置鉆直徑2 mm測(cè)壓孔，并用膠水將內(nèi)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(nèi)防止堵塞。CAARC模型上各個(gè)測(cè)壓孔用PVC軟管與壓力傳感器氣嘴連接。PVC軟管長(zhǎng)度為90 cm,以防止過長(zhǎng)軟管導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[18]。本試驗(yàn)所有工況均定義車向前行駛來流方向?yàn)?0°風(fēng)向角，并先選擇 0°風(fēng)向角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)中皮托管高度與模型標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)高度一致。

表1 理想道路條件

(a)立體圖(b)平面圖

圖4 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)圖

Fig.4 Standard model test point

根據(jù)前述試驗(yàn)流程和基本假定本試驗(yàn)選擇在鄭州—云臺(tái)山高速平整度良好路段進(jìn)行試驗(yàn)，道路條件滿足基本假設(shè)條件，如圖5所示。由于CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型具有較好的對(duì)稱性，不同面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)具有較好的規(guī)律性，為了研究不同車速對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)壓系數(shù)的影響，測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分別選擇迎風(fēng)面3#測(cè)點(diǎn)、側(cè)風(fēng)面10#測(cè)點(diǎn)、背風(fēng)面13#測(cè)點(diǎn)，這三個(gè)測(cè)點(diǎn)具有典型的代表性，能很好地反映CAARC模型平均風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律。為了分析汽車振動(dòng)對(duì)風(fēng)壓數(shù)據(jù)的影響，在進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)時(shí)同步進(jìn)行汽車振動(dòng)測(cè)試采集。試驗(yàn)分別測(cè)試了0°風(fēng)向角下三種不同車速狀況下三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律，并分析了0°、15°、30°風(fēng)向角下標(biāo)準(zhǔn)模型20個(gè)典型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律且與7家風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的精確性，每一車速下連續(xù)重復(fù)三次測(cè)試，并將多次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)最終結(jié)果。

(a) 鄭云高速行駛路線

(b) 實(shí)際道路狀況

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 跑車試驗(yàn)汽車振動(dòng)和行駛風(fēng)速

如圖6所示，給出了汽車行駛72 km/h時(shí)30°風(fēng)向角下汽車振動(dòng)速度和風(fēng)速的時(shí)程曲線。如圖6(a)所示，由風(fēng)速時(shí)程曲線可以看出皮托管測(cè)得風(fēng)速值與車速值相比整體趨勢(shì)依舊偏大，誤差在±4 m/s以內(nèi)，而風(fēng)速均值為24.06 m/s，與0°風(fēng)向角時(shí)風(fēng)速均值相差僅為0.02 m/s，可見不同風(fēng)向角下風(fēng)速均值比較穩(wěn)定，并沒有受到汽車振動(dòng)的影響。圖6(b)為汽車振動(dòng)時(shí)程曲線，由拾振器測(cè)得汽車振動(dòng)速度基本在0 m/s附近變動(dòng)，振動(dòng)速度均值為0.000 017 m/s，比0°風(fēng)向角時(shí)振動(dòng)速度均值小一個(gè)量級(jí)，而振動(dòng)速度均值與風(fēng)速均值相較0°風(fēng)向角差別更大，振動(dòng)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(dòng)時(shí)程曲線仍舊較為平穩(wěn)，沒有明顯的峰值和突變，說明在30°風(fēng)向角下測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓試驗(yàn)過程中汽車行駛較為平穩(wěn)，行駛中沒有出現(xiàn)明顯顛簸和上下坡等路段。30°風(fēng)向角下汽車振動(dòng)狀況相較0°風(fēng)向角時(shí)差別較大，而30°風(fēng)向角下風(fēng)速均值與0°風(fēng)向角吻合良好，說明汽車振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)風(fēng)速的影響不大，在30°風(fēng)向角下測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓試驗(yàn)過程中也可以考慮忽略汽車振動(dòng)對(duì)風(fēng)速的影響。

(a) 風(fēng)速時(shí)程

(b) 振動(dòng)時(shí)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(shí)30°風(fēng)向角下振動(dòng)和風(fēng)速的幅頻曲線。從圖7(a)中可以看出風(fēng)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(dòng)幅頻曲線，振動(dòng)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(dòng)速度和風(fēng)速的卓越頻率沒有出現(xiàn)重合，且兩者幅頻曲線的幅值差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從幅頻曲線角度來看汽車振動(dòng)對(duì)測(cè)試風(fēng)速基本沒有影響。可認(rèn)為在30°風(fēng)向角下測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓試驗(yàn)過程中汽車振動(dòng)對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)基本沒有影響。

(a) 風(fēng)速幅頻

(b) 振動(dòng)幅頻

3.2.2 跑車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓

本文僅給出了18 m/s車速情況下利用跑車試驗(yàn)測(cè)試建筑模型風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)中的三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)和相應(yīng)數(shù)據(jù)傅里葉變化結(jié)果，同一車速重復(fù)測(cè)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(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程中T3測(cè)試結(jié)果較T1和T2偏小100 Pa左右，主要原因在于T3測(cè)試時(shí)由皮托管測(cè)得風(fēng)速值較T1、T2測(cè)試結(jié)果偏小；風(fēng)壓時(shí)程的傅里葉變換結(jié)果顯示曲線波動(dòng)不明顯，并且在0～2 Hz內(nèi)出現(xiàn)峰值，但峰值均不明顯。18 m/s車速下10#測(cè)點(diǎn)和13#測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程曲線中T1、T2、T3測(cè)試風(fēng)壓數(shù)據(jù)存在略微波動(dòng)但整體趨勢(shì)均較穩(wěn)定，可重復(fù)操作性強(qiáng)；風(fēng)壓時(shí)程的傅里葉變換結(jié)果中沒有出現(xiàn)明顯的峰值且T1、T2、T3測(cè)試變化趨勢(shì)接近。同一車速下，風(fēng)壓原始數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)試結(jié)果除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，傅里葉變換結(jié)果顯示數(shù)據(jù)沒有明顯峰值，說明汽車振動(dòng)對(duì)風(fēng)壓數(shù)據(jù)影響很小，不需要采用濾波手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(a) 3#測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程和傅里葉變換結(jié)果

(b) 10#測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程和傅里葉變換結(jié)果

(c) 13#測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程和傅里葉變換結(jié)果

圖8 汽車行駛18 m/s三次重復(fù)測(cè)試典型測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)

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

3.2.3 跑車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)

如圖9所示，給出了不同車速下三次重復(fù)測(cè)試得到的典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)。18 m/s車速下3#測(cè)點(diǎn)T3測(cè)試結(jié)果較前兩次偏小，誤差均在10%以內(nèi)；10#測(cè)點(diǎn)三次測(cè)試結(jié)果吻合較好，13#測(cè)點(diǎn)T2測(cè)試結(jié)果較其余兩次測(cè)試結(jié)果偏小，誤差在10%以內(nèi)。在20 m/s和25 m/s車速下，三次重復(fù)測(cè)試所得典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果較穩(wěn)定，說明利用跑車試驗(yàn)在一定速度下測(cè)試CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)壓系數(shù)可重復(fù)性操作且結(jié)果穩(wěn)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(fù)三次得到平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果

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

表2給出了7家風(fēng)洞機(jī)構(gòu)研究CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)壓時(shí)所模擬風(fēng)場(chǎng)類型信息[19]，包括風(fēng)速剖面指數(shù)和模型頂部位置湍流強(qiáng)度，而跑車試驗(yàn)測(cè)得模型頂部湍流度在0.04～0.06范圍內(nèi)，屬于低湍流度狀況。

表2 相關(guān)文獻(xiàn)CAARC標(biāo)模所處風(fēng)場(chǎng)類型

為了減小試驗(yàn)結(jié)果的誤差，本文采用三次重復(fù)測(cè)試結(jié)果求平均值作為典型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)最終值。如圖10所示，給出了三種不同車速下所得典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比結(jié)果。在不同車速下3#測(cè)點(diǎn)和10#測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果吻合較好，這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果不受車速影響。在25 m/s車速下,13#測(cè)點(diǎn)所得結(jié)果與其余兩個(gè)車速相比略微偏小，但誤差很小且不超過10%，可以認(rèn)為測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)值基本不受車速影響。說明利用跑車試驗(yàn)測(cè)試典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果受車速影響很小。

圖10 三種不同車速平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比結(jié)果

如圖11所示，0°風(fēng)向角下利用跑車試驗(yàn)方法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)曲線與其他機(jī)構(gòu)平均風(fēng)壓系數(shù)曲線大體上趨勢(shì)一致，總體吻合較好，僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)存在一定的誤差，但誤差與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)差別在15%以內(nèi)(圖11(a))。15°風(fēng)向角下跑車試驗(yàn)方法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)曲線與其他風(fēng)洞機(jī)構(gòu)測(cè)得平均風(fēng)壓系數(shù)曲線相比整體浮動(dòng)較大，總體趨勢(shì)一致，個(gè)別測(cè)點(diǎn)存在較大誤差，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)誤差較小(圖11(b))。30°風(fēng)向角下跑車試驗(yàn)方法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)曲線與風(fēng)洞機(jī)構(gòu)所得平均風(fēng)壓系數(shù)曲線吻合很好，趨勢(shì)變化也較為一致(圖11(c))。說明跑車試驗(yàn)方法測(cè)試建筑模型風(fēng)壓系數(shù)具有一定的可行性。跑車試驗(yàn)方法可以成為建筑抗風(fēng)研究的一個(gè)新方法，同時(shí)該方法還有許多需要改進(jìn)和完善的地方，諸如不同風(fēng)場(chǎng)的模擬、自然風(fēng)的影響、如何控制模型風(fēng)向角等內(nèi)容，這也是我們目前正在研究的方向。

(b) 15°風(fēng)向角

(c) 30°風(fēng)向角

4 結(jié) 論

利用跑車試驗(yàn)測(cè)試建筑模型風(fēng)壓系數(shù)在某一車速下可重復(fù)試驗(yàn)，且測(cè)得平均風(fēng)壓系數(shù)值基本不受車速影響；跑車試驗(yàn)測(cè)試建筑模型風(fēng)壓系數(shù)時(shí)可以忽略汽車振動(dòng)的影響；跑車試驗(yàn)方法中皮托管測(cè)得的汽車行駛風(fēng)風(fēng)速時(shí)程較為穩(wěn)定，結(jié)果較準(zhǔn)確；利用跑車試驗(yàn)方法測(cè)得CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型典型測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果與已有風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明該方法具有一定可行性。