膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究手段

膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載效應(yīng)分析的方法要從風(fēng)工程的研究方法中去尋找。風(fēng)荷載研

究的常用手段包括風(fēng)洞試驗(yàn)，現(xiàn)場實(shí)測和計(jì)算流體力學(xué)（Computation Fluid 

Dynamics，CFD）數(shù)值模擬。

風(fēng)洞試驗(yàn)也稱為物力風(fēng)洞試驗(yàn)，是試驗(yàn)室里模擬大氣邊界層的實(shí)際風(fēng)環(huán)境和

實(shí)際建筑結(jié)果，進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)室中的模型風(fēng)效應(yīng)考察實(shí)際結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)。由于在人

為控制條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的再現(xiàn)，其工作效率很高。對于復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下，有

復(fù)雜外形的建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)研究，其它手段很難進(jìn)行時，風(fēng)洞試驗(yàn)只需要對實(shí)

際條件作適當(dāng)?shù)暮喕涂梢赃_(dá)到研究的目的。通過邊界層風(fēng)洞模擬大氣邊界層基

本特征的試驗(yàn)技術(shù)日趨成熟，風(fēng)洞試驗(yàn)是目前采用最普遍的研究手段，是風(fēng)工程

應(yīng)用中重要的信息來源。

現(xiàn)場實(shí)測一般利用風(fēng)速儀、加速度計(jì)等儀器在現(xiàn)場對實(shí)際風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)風(fēng)響

應(yīng)進(jìn)行測量，以獲得風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的第一手資料，使檢驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠

性的主要依據(jù)，是風(fēng)工程研究中一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性工作。由于現(xiàn)場實(shí)測投資

大，很多困難因素難以人為控制，因而在實(shí)際研究中較少應(yīng)用。國內(nèi)外僅對少量

的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測研究。

隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的飛速發(fā)展和 CFD 技術(shù)的不斷完善，出現(xiàn)了與試驗(yàn)相

對應(yīng)的數(shù)值風(fēng)洞方法（Numerical Wind Tunnel）。數(shù)值模擬的方法與傳統(tǒng)的風(fēng)

洞試驗(yàn)相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①它的適用范圍較廣，能計(jì)算理論流體力學(xué)所不能

求解的復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜流動問題；②它的“測量系統(tǒng)”對流動不會產(chǎn)生任何擾

動，且所需時間和費(fèi)用也要比風(fēng)洞試驗(yàn)少得多；③它可以構(gòu)造與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸相

同的計(jì)算模型，從而避免了在風(fēng)洞試驗(yàn)中由于采用縮尺模型所帶來的相似比問

題；④它可以完全控制流體的性質(zhì)，且對于流動參數(shù)的選擇具有很大的靈活性，

因而便于進(jìn)行各種參數(shù)分析。另一方面，盡管 CFD 數(shù)值模擬方法有眾多優(yōu)點(diǎn)，

并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但是由于土木工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)多呈鈍體型

狀，其繞流不可避免的伴隨著分離，再附，旋渦脫落等復(fù)雜的流動現(xiàn)象，因此在

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的 CFD 數(shù)值模擬要比人們以往研究較多的管流和機(jī)翼繞流問題

復(fù)雜得多。例如，Simiu 就曾指出，由于對鈍體繞流的模擬尚處于定性研究階

段，因此在高雷諾數(shù)流動的數(shù)值計(jì)算還無法取代風(fēng)洞試驗(yàn)；Stathopoulos 在一篇

計(jì)算風(fēng)工程綜述文章中，通過對 CFD 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較指出，對

一些形狀較為簡單的大雷諾數(shù)、三維繞流問題，采用 CFD 數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)可

以得到較為精確的結(jié)果，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)物形狀比較復(fù)雜時，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)

果的差別也會增大；Tamura更進(jìn)一步指出，即使對于一些形狀簡單的三維繞流

情況，計(jì)算結(jié)果的精確性也僅限于一些平均的物理量（如平均風(fēng)壓、阻力系數(shù)

等）的模擬上，而對于流動中高脈動成份的模擬與試驗(yàn)結(jié)果尚有出入。綜上所

述，可以認(rèn)為：CFD 數(shù)值模擬方法的發(fā)展已經(jīng)為建筑物表面的靜態(tài)風(fēng)壓分布規(guī)律

提供了一種較為簡便、快捷的途徑，而且可以基本滿足工程精度要求；但就現(xiàn)階

段而言，特別是將這種方法用于高雷諾數(shù)三維模擬時，尚有一些技術(shù)難題需要解

決，一種較為安全穩(wěn)妥的思路是將 CFD 數(shù)值模擬方法作為風(fēng)洞試驗(yàn)的一種輔助

手段，用于工程方案階段預(yù)研，特別是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這正是膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)