行业标准《建筑工程风洞试验方法标准》,编号为JGJ/T338-2014,自2015年8月1日起实施。
风洞试验是确定建筑工程结构风荷载的重要手段,是对《建筑结构荷载规范》有关风荷载规定的必要补充。《建筑工程风洞试验方法标准》不仅为提高建筑工程风洞试验的质量、保证试验结果的可靠性提供了重要的技术依据和标准,也为结构工程师与风工程研究、咨询人员之间的沟通架起了桥梁,必将为建筑工程结构抗风安全和风环境优化发挥重要作用。近日,主编金新阳研究员就标准条文要点进行了解读,希望可以帮助设计人员更好地理解和应用标准。
试验参数模拟
大气边界层:风洞试验应按现行荷载规范规定的地面粗糙度类别模拟大气边界层。为保证大气边界层的模拟精度,对风洞内模拟风剖面的测点数量、覆盖范围、测点间距等都做了明确规定。
试验模型:试验模型应与试验原型的几何相似,应包括建筑表面的主要建筑部件和装饰物,还应模拟周边的环境,包括建筑物、构筑物、显著突出的地形等。并对模型的阻塞比、与风洞壁的距离做了明确规定。
CFD数值模拟:对风环境风场模拟与舒适度评估、风致介质输运、风致积雪漂移等特殊风工程问题,也可采用CFD数值模拟的方法。标准通过附录A规定了数值模拟方法的基本要求。
风洞设备与标模测试 风洞:用于建筑工程试验的风洞设备,投入使用前应通过风洞的验收和流场校测。验收时,应对设备项参数、流场性能、运行状态等做出结论,并形成验收意见;流场校测要对气流稳定性、背景湍流度、轴向静压梯度、流场不均匀度等指标进行测量。
测试设备:商业产品化的风洞试验设备应具有合格证书和检验证书,自主研发的风洞试验设备应满足测试精度的要求,并规定了定期校准、日常维护、量程和精度等对试验测试仪器的各项具体要求。
标模测试:标准按低矮建筑和高层建筑分别给出了两类典型建筑的标准模型和标准测试方法,用于检验风洞试验系统的可靠性。标准中收集整理了以往国内公认先进风洞的试验结果和现场实测结果,通过数据比较可以判断风洞试验结果的合理性。
风荷载试验
风荷载试验主要包括测压试验、测力试验和气动弹性模型试验。根据三种不同类型试验的特点,标准分别对各类试验的适用范围、试验模型、试验方法和成果应用做出规定。
测压试验:测压试验的目的是得到建筑表面平均压力和脉动压力的分布,据此也可结合动力学分析方法进行风振计算,进一步获得建筑结构的位移、加速度等风致响应,为建筑主体结构和围护结构设计提供风荷载依据。
测力试验:直接测量模型在风荷载作用下的弯矩、扭矩、剪力等整体受力以及动态响应。测量结果可用于估算基本振型接近直线的工程结构的风致响应。
气动弹性模型试验:气弹试验是为了可准确评估气动弹性力而进行的,主要针对那些刚度和阻尼均较小、风致振动幅度较大、风和结构的耦合作用对结构响应的影响不可忽略的建筑,如超高层建筑、高耸结构、柔性屋盖、索膜结构等。
最小风荷载限值:依据风洞试验报告提供的风荷载,考虑风向的风速折减系数不应小于0.85,主结构风荷载不应低于按现行荷载规范计算值的70%,围护结构风荷载不应低于按现行荷载规范计算值的80%。
风环境试验
试验目标:新建的建筑物密集的大型商业或住宅区域,风环境可能对建筑品质有较大影响,在研究建筑方案时宜通过风环境试验判断方案的合理性,并对建筑布局进行调整优化;建在现有城区的规模较大的新建工程,应通过风环境试验评估其对既有区域的风环境造成的不利影响;对那些风环境要求较高的建筑工程,如绿色建筑,应评价和优化其周边风环境的舒适度。
风环境评估:本标准在规定风环境评估准则时,参考了国内外的大量研究成果,并考虑到国内气象资料相对并不完备的现实情况,给出了两种不同的评估方法。在能够获得气象资料时,可根据日最大风速记录或者逐时风速记录计算不同风速的发生频率,参考Davenport的舒适度分级指标对风环境进行分类。而当缺乏气象资料时,则可采用平均风速比对风环境舒适度作出定性评价,在所有风向下的平均风速比均不宜小于0.1,主导风向下的平均风速比不宜大于1.2。
结论 研究编制建筑工程风洞试验标准,对保证风洞试验质量,提高试验可靠性十分必要。风洞试验经过数十年的发展已日趋成熟,其理论体系和工程应用时的分析框架已基本成型,标准编制时机已经成熟。但风洞试验中仍然存在一些难点问题,在现有技术条件下尚无法完全解决,现有标准充分考虑了具体规定的可行性和可操作性,并将在实施中总结经验,不断完善。
什么是风洞试验?
根据豆丁网可知,它的尺寸要求如下:
1、模型的迎风面积不得超过试验段横截面积的5%,即模型在风洞试验段中的阻塞度不得超过5%;
2、模型的宽度不得超过试验段宽度的70%;
3、模型的长度应在风洞静压梯度比较均匀的区域内,以减小风洞试验段内沿风洞轴线方向的静压梯度影响。
什么是风洞
风洞一般称之为风洞试验。简单地讲,就是依据运动的相对性原理,将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,以此模拟空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说,风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处,那是历史原因造成的。
发达国家如何发展空气动力学
空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视,不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。
美国早在80年代中期出台的震撼全球的超级跨世纪工程——“星球大战”计划中,就曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。的确,如果不先在空气动力学上获得重大突破,这个将耗资1万亿美元的超级工程,很多关键技术将无法解决。紧接着在1985年发表的“美国航空航天2000年”中,也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一个。而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。这使美国花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。
前苏联在“十月革命”胜利后的第二年,列宁就下令组建了国家空气动力研究机构——中央流体动力研究院,并任命“俄罗斯航空之父”茹可夫斯基担任院长,这一决策为前苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。二次大战之前,斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于进行整架飞机试验的全尺寸风洞。与美国相比,前苏联在空气动力学的整体水平上毫不逊色,甚至在许多方面都领先于美国,它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。
英、法两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家,然而战后他们突然发现自己比美、苏等国落后了一截,于是两国重振旗鼓、奋起直追。在战后第二年,法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起,组建了国家空气动力研究机构,并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心,堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后,除了政府加强对空气动力学的领导规划之外,充分利用大学进行基础学科的研究。据有关资料透露,在英国的46所大学里,至少有30个以上高水平的空气动力研究试验室。
日本在战后受到限制的情况下,航空工业曾有过长达8年的空白。但在此期间,其基础研究——空气动力学则进展神速。仅60年代,就先后仿制出11种飞机,自行设计8种飞机。
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