摘 要：
具有质量轻，柔性大的大跨度结构，在风荷载作用下十分敏感。因此，对此类结构的风荷载识别，成为了这类结构设计的主控荷载之一。目前可以用来对大跨度空间结构的风荷载进行识别的方法主要有以下几种，风洞试验，数值模拟计算和现场实测。但是这些方法都存在一些不足，采用数值模拟引导下的风洞试验方法，可以提高风洞试验的精确度，这是一种较有效的进行风荷载识别的方法。
关键词：
大跨度结构；风荷载识别；风洞试验；数值模拟
中图分类号：TB
文献标识码：A
随着经济的飞速发展以及新型的建筑材料的开发利用，土木工程建造技术也随之得到飞速的提升。为了满足人类多元化的交流、生活需求，需要打造出能提供较大空间的大跨度空间结构。为此空间结构向着，大跨度化、体型复杂化发展。也可以说，在建筑史发展方向上，土木工程的建筑结构在空间上向着高层、高耸、大跨度结构方面发展，在体型上涌现出一批造型独特、外形复杂的建筑物。可以说，建造复杂的、大型的大跨度空间结构往往成为了一个城市发展的需要，往往也能反映出一个国家或城市，在土木工程建造技术水平方面水平及成果。
1 大跨度空间结构设计需要考虑的主控因素
随着新材料的利用和新工艺的发展，目前设计的大跨度空间结构常采用的结构形式主要有网架结构、网壳结构、膜结构、薄壳结构、悬索结构、组合结构等结构形式。形态各异的大跨度空间结构广泛应用于建造大型的公共建筑物，如火车站、航站楼、体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中。这类结构有些共同点，那就是质量轻，阻尼小，柔性大，自振频率较低等。因此该类结构对风荷载作用下的反应非常的敏感。那么，对此类结构的风荷载进行识别设计，成为了这类结构设计的主控荷载之一。我国又是全球少数受台风袭击最严重的国家之一，通过大量资料表明，每年在我国发生的风灾造成了众多的人员伤亡和巨额的经济损失。那么，对这类大跨度空间结构风荷载是控制结构设计的主要荷载之一。在进行结构设计前，对这类结构的风荷载进行有效的识别分析，显得非常的关键。
2 大跨度空间结构风荷载作用的特异性
风荷载的识别是进行大跨度空间结构设计、防灾减灾分析的基础。然而，长期以来我国在大跨度空间结构的理论研究方面主要侧重于静力作用下结构的分析，对大跨度空间结构在风荷载作用下的风振反应研究较少。在进行结构设计时使用的风振系数，这些系统往往来源于对高层和高耸结构的风荷载研究中获得。由于大跨度结构与高层和高耸结构的差异性，可以说通过这种方法获得的风振系数精度不高，甚至有些与大跨度空间结构的风振效应甚至是矛盾的。为了能保证结构的安全性，设计人员会选择一个很保守的定义风振系数的数值，这样设计的大跨度空间结构很难实现经济的效果，甚至有可能还会为将来结构的安全埋下了隐患。总的来说，大跨度结构与高层和高耸结构的风荷载差异性体现在如下几个方面。
（1）风荷载作用下的结果不同。高层建筑，由于结构层间刚度及整体刚度均很大，那么这类结构在风荷载作用下一般不会出现局部失稳问题，那么这类结构的风荷载设计时，重点放在分析其结构强度及整体变形；对高耸结构而言，虽然整体刚度较小，但是在风荷载作用下，其振动具有很明显的一维特性，结构以顺风向和横风向的振动较为明显，其设计与分析也相对简单一些；对大跨空间结构，此类结构对风荷载作用非常敏感。结构在风荷载作用下表面的风压分布不均匀，甚至有可能使结构出现动力失稳问题。
（2）风荷载作用下分析的维数不同。对于大部分高耸结构、高层建筑结构等，这类结构设计时大多可简化为一维受力结构体系。大跨度空间结构，进行风荷载的设计，通常要在时间、空间上全面的分析，其作用是三维的。
（3）空间相关性不同。对高层、高耸建筑而言，其高度尺寸远远大于其他方向尺寸，设计时只考虑沿建筑物高度方向的风荷载的相关性，但是设计的大跨度空间结构，其在长、宽、高三个方向的尺寸非常的接近，必须考虑三个方向风荷载的空间相关性。
（4）结构分析的节点多。为了增大结构的跨度，大跨度结构内部杆件与杆件之间存在很多节点，其表面体型的复杂性，也决定了结构风荷载在结构不同节点处风荷载分布的不均匀性，所以要对每一个节点周围处的风荷载进行时域、空间的分析才显得有意义。
3 常用的大跨度空间结构风荷载识别方法
现代主要是通过研究自然界中的风与建筑物和构筑物的作用效应，来进行结构风荷载的研究。换句话说，结构风荷载研究的重点就是对风与建筑物和构筑物产生的作用效应分析，也就是对这类结构的风荷载效应进行有效的识别。如已经形成的理论有：近地风的紊流效应、钝体空气压力，以及由风荷载引起的结构的风致振动及风振控制的研究。按照建筑物在风荷载作用下的效应不同，结构风荷载的研究可以分为两个方面，一是针对高层建筑的风荷载识别方法，二是适用于大跨度结构的风荷载识别方法。
随着建筑行业的飞速发展，较好的解决了高层结构风荷载识别分析的问题。在高层建筑风荷载识别方面，已形成了基于结构弹性、线性和拟定常气动力理论的风荷载识别方法。但由于大跨度结构风荷载的特殊性，这些方法无法直接用于大跨度结构风荷载的识别。目前常用的基于大跨度空间结构的风荷载识别方法主要有几下几种。
（1）风洞试验方法。风洞试验可以分为两大类，分别是刚性试验模型和气动试验模型。基于刚性模型的风洞试验一般只需要精确的模拟建筑的外形，通过外形反应结构的动力特性；基于气动模型的风洞试验需要综合考虑结构物的外形、结构的刚度、质量分布以及阻尼特性这些反应结构动力特性的参量。通过在风洞试验模型的建立中考虑这些动力特性参量，以达到有效的识别风荷载。一般情况下，不做特殊要求的，大部分大跨度空间结构的风洞试验选用的是刚性结构模型。通过风洞试验，收集结构测点的风荷载数据资料。利用计算机辅助软件功能，可以提高风洞试验数据采集技术的效率。目前利用计算机控制下的多通道压力测量系统，可以同时进行几百个测点的瞬时脉动风压的收集。收集到的测点风压资料，利用神经网络法和加权的本征正交分解法对原始风压数据资料进行重组。分析前几阶本征向量的物理意义以及其对风荷载的贡献，通过前几阶起控制作用的本征模态风荷载信息，可以很迅速实现对风荷载的识别。 （2）数值模拟计算方法。该方法将流体力学理论（CFD，Computational Fluid Dynamic）和计算机模拟技术结合起来，可以通过计算机对风荷载进行模拟识别，虚拟模拟出结构表面的风压场分布并由此进一步计算出出结构表面的风荷载。随着计算机模拟技术的普及应用和数值分析方法的深入运用，风荷载的数值模拟理论计算方法取得很大发展。在各种模拟方法中，以Monte.Carlo法和Orthogonal Decomposition法应用较多，两种方法中Monte.Carlo法更具优势。因此，工程上通常以Monte.Carlo法为基础，结合Fourier变换和滤波方法，可以从不同的角度用随机过程模拟风速、不同的脉动风速谱或风压时程。
（3）现场实测方法。其通过在屋面上布置传感器，用来测量大跨度结构表面的风压以及结构响应，从而达到对风荷载进行识别，其基于在现场直接测量分荷载。
以上几种方法，相互之间可以实现补充，另外也可以相互进行检验，其中以风洞试验方法应用为主。但是该方法也存在不足，该方法的准确性很大程度上受到测点布置方案的影响；数值模拟方法，由于其采用虚拟的手段模拟风荷载，识别风荷载。因此其可靠性和精确性还有待进一步检验；现场实测方法但由于该方法需要进行现场实测，该方法的可行性受到很大的限制，另外在实测过程中需要布置仪器，占用较长时间，因此目前该方法运用较少。
4 基于集成的数值模拟引导下的风洞试验研究方法
虽然风洞试验是研究大跨度结构风荷载的主要方法，然而风洞试验过程中也有其不足之处。由于试验之前尚不清楚结构表面的风荷载分布，那么测点的布置方案，试验的周期安排只能靠研究人员根据经验来确定。特别是对于造型复杂的大跨度空间结构，很可能会出现观测点的数据采集周期，以及测点布置方案不太合理，导致风洞试验下无法对风荷载进行有效的识别，体现在无法收集到准确反应结构风荷载效应的参数和风荷载分布参数。影响风荷载识别精度，给后面结构抗风设计带来安全隐患。
在工程上可以将数值模拟和风洞试验两种研究方法集合起来，发挥其各自的优势，即形成了基于“数值模拟引导下的风洞试验”方法来进行风荷载的识别。首先利用数值模拟方法，虚拟出结构表面的风压分布。该虚拟得到的风压分布趋势，可以用来确定结构表面的最不利的风压力分布区域。其确定的最不利风压分布，可以用来辅助工程人员在风洞试验中优化测点的布置方案、指导试验周期的安排，提高风洞试验的精确度。
参考文献
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