大跨度空间结构风场实测系统研究及应用

论文摘要

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。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。本文列举了国内外几起大跨度屋盖结构遭受风灾破坏的例子,指出大跨度屋盖结构因质量轻、阻尼小、自振周期小而对风荷载十分敏感,因此抗风设计十分关键。而传统最常用的抗风研究手段风洞试验、CFD数值模拟均存在一定的局限性和不足,推动结构原型风场实测十分有必要；国内外由于受制于实测所需的人力物力成本及有线实测在布线上的问题,对于大跨度屋盖结构实测研究极少。本课题组首次开发出基于无线传感网络技术的风场实测系统,较好的解决了以上的问题,可望促进大跨度空间结构领域风场实测的大规模开展,促进风工程研究的进步。介绍了风场实测系统的基本理论,脉动风速是风速中的动力成分,无论在宏观上还是在微观上都是随机的,因此风工程中用随机振动的方法分析风速。文章介绍了随机振动的基本知识和分析方法如FFT、相关性分析等,风特性分析的几种参数定义如湍流度、阵风系数等,包括一些经典的脉动风速功率谱,介绍了已有根据风洞试验、CFD数值模拟得到的大跨度屋盖结构上风荷载分布特性。文章阐述了本课题组开发的风场实测系统的构成,包括风速风向传感器、风压传感器的相关参数,无线传感网络的拓扑结构和组网技术,实测软件的系统构架、功能和编制原理。在实验室完成了系统的验证试验,实测系统在电风扇产生的周期变化的风场作用下,风速风向测点和风压测点的功率谱均在同一个频率达到峰值,验证了系统的正确性；随后将本应用于工程—国家体育场大跨度屋盖风速风向实测上,获取了大量有价值的数据,并对实测数据进行了分析。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 结构抗风研究的主要方法
• 1.3 国内外土木工程风场实测的研究现状
• 1.3.1 低层建筑的风场实测研究
• 1.3.2 高层建筑及高耸结构的风场实测研究
• 1.3.3 大跨空间结构的风场实测研究
• 1.4 基于无线传感网络的大跨度空间结构风场实测技术
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 风场实测系统的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 实测数据的处理方法
• 2.2.1 随机过程假定
• 2.2.2 自相关和互相关函数
• 2.2.3 数据加窗处理
• 2.2.4 快速傅里叶变换（FFT）
• 2.2.5 功率谱密度
• 2.3 大气边界层的风特性分析方法
• 2.3.1 脉动风速概率分布
• 2.3.2 湍流度与阵风系数
• 2.3.3 湍流积分长度
• 2.3.4 纵向脉动风速谱
• 2.3.5 脉动风空间相干函数
• 2.4 大跨度屋盖结构的风荷载特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 大跨度空间结构风场实测系统研究
• 3.1 前言
• 3.2 基于无线传感网络的实测硬件系统
• 3.2.1 传感器单元
• 3.2.2 无线传感单元
• 3.2.3 无线传感网络的组网技术
• 3.3 风场实测软件系统的研究
• 3.3.1 嵌入式程序设计
• 3.3.2 风速风压采集与分析软件
• 3.4 风速风压采集与分析软件的实现
• 3.4.1 设计模式的应用
• 3.4.2 命令队列的实现
• 3.4.3 三维可视化库VTK的应用
• 3.4.4 串口通讯功能的实现
• 3.4.5 C/S网络通讯的实现
• 3.4.6 数据分析功能实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 风场实测系统的工程应用
• 4.1 前言
• 4.2 系统验证
• 4.2.1 验证环境介绍
• 4.2.2 测试数据分析
• 4.2.3 结论
• 4.3 国家体育场大跨度屋盖风场实测研究
• 4.3.1 工程背景
• 4.3.2 数据采集方法
• 4.3.3 脉动风速概率分布
• 4.3.4 平均风速与风向
• 4.3.5 湍流度与阵风因子
• 4.3.6 湍流积分尺度与相关性分析
• 4.3.7 脉动风功率谱密度
• 4.3.8 结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 下一步工作与展望
• 参考文献
• 作者简介