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西塔能抗百年一遇大风 原来竟是因为这个!

2017-08-06 12:13 来源:南方都市报 贺蓓  邝木子 余珊燕 陶怡

  原标题:西塔能抗百年一遇大风 多亏“大管子”提前吹

  汕头大学风洞实验室最大可制造出十四级飓风,迄今已完成110余项建筑结构及桥梁的风洞试验项目

  巨型风扇的扇页直径长达2.4米,功力450千瓦,可提供最高风速45米/秒的风。

  广州珠江新城西塔位于广州新城市中轴线西侧,是广州市标志性的新建筑,主塔楼地面以上103层,高432米。

  风洞(windtunnel),是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。

  高层建筑物,受到高空气流影响,会引起结构稳定性方面的问题。风荷载作用下高层建筑产生振动,过大的振动加速度会使在高楼内居住的人们感觉不适,甚至不能忍受。不过,即使在百年一遇的大风作用下,位于432米高的广州西塔塔楼内的人,也不会有不舒服的感觉。这是怎么做到的?近日,南都记者在位于汕头大学的风洞实验室,找到了答案。

  蓝色全钢结构

  封闭回形“大管子”

  厚重的铁门打开,一个巨大的蓝色全钢结构封闭回形“大管子”横架室内空中。这便是传说中的风洞。汕头大学风洞实验室1994年开始筹建,1996年11月正式建成,年底通过验收,是广东高校中最早的建筑工业风洞实验室。“当时投资200万元,按目前的行情,现在要建一个风洞成本可能要翻10倍甚至更多。”汕头大学风洞实验室周奇教授说。

  这是一座串置双试验段闭口回流型的大气边界层低速风洞。主试验段宽3米、高2米、长20米,是当时最长的试验段。“上世纪90年代中期,实验室的硬件已达到国际先进水平,采用的测压,测力仪器均与国外同步。”周奇介绍,实验室是国内同类风洞中最早使用进口高速电子扫描阀和进口高频底座天平等仪器的研究单位之一。

  扇页直径长达2 .4米

  可提供最高风速45米/秒的风

  风洞由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。洞体就是这个回形大管子。做成“回形”有两个原因。一是循环风道利用效率高,风从一边吹出,转一个弯绕回来还能再利用,能耗低很多;二是密封性能好,受外界干扰小,噪音低很多。但回流式也有弊端———空气置换比较麻烦,风一直在里面反复摩擦,随着时间推移,温度也会改变。

  在密闭的巨型管道里,我们找到风的源头———巨型风扇。它便是驱动系统,即“心脏”。就像日常风扇的“巨大版本”,巨型风扇的扇页直径长达2.4米,功力450千瓦,可提供最高风速45米/秒的风。若根据风速基本换算方法,11级风时,风速约30米/秒。最高45米/秒的风速意味着,在这个蓝色管道里,最大可以制造出十四级的二级飓风。“这个风的功率,目前在业界处于中游水平。”周奇坦言,随着国内风工程的不断发展,新兴风洞实验室的建成,如今汕大风洞实验室的硬件优势不再明显。

  关 注

  百年一遇的风作用下

  西塔塔楼内不会不舒服

  在汕大风洞实验室的展示厅内,广州西塔、深圳京基金融中心、天津高银117大楼、2010年上海世界博览会中国馆等建筑模型一一陈列。1996年至今,汕大风洞实验室已完成110余项建筑结构及桥梁的风洞试验项目,在国内风工程界产生一定影响并受到建筑工程界的普遍认可。其中,西塔的风洞试验的成功,成为该实验室的美谈之一。

  400米以上的建筑

  对风的作用更加敏感

  广州珠江新城西塔位于广州新城市中轴线西侧,是广州市标志性的新建筑,也是超高层建筑的代表。主塔楼地面以上103层,高432米,受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响,核心筒顶部会一直处于偏摆运动状态,建筑难度较大。

  周奇说,当建筑处在低于200米时,结构对风还不很敏感,但随着高度越高结构越柔,400米以上的建筑对风的作用将更加敏感。“此时一般会需要建筑的结构刚一点”。周奇介绍,首先风洞实验室根据不同的设计方案和建筑外形对西塔进行简单选型试验;确定基本外形进入深化设计后再通过测压模型,测量结构表面的压力分布,并针对具体结构设计施工图计算建筑准确的风荷载。“如果发现振动响应太大,会影响结构安全和舒适度,则需要改变结构设计,使得响应和变形在可控范围。”

  西塔结构顾问试验证实

  汕大风洞试验数据可靠

  高层建筑在抵抗风荷载上,要设计一些抗侧向力的装置。比如改变柱子尺寸,或增加柱子以增加结构的刚度等。在西塔的抗风试验中,汕头大学进行的风洞试验,利用PW ISR采用不同的频域和时域分析方法计算结构的风振响应。比如在广州西塔在240°风向的各楼层在x和y两个方向的等效静风荷载分布,在y方向的等效静风荷载和其平均值的方向相反,且其大小甚至小于平均风荷载,这往往很难为工程设计人员所理解。而由时域方法得到的结构顶部中心轨迹可以非常直观地对这种现象进行解释。

  结果显示在百年一遇的大风作用下,位于塔楼内的人都不会有不舒服的感觉。广州珠江新城西塔工程的结构顾问奥亚纳公司,对该项目在美国CPP公司,进行了另一次独立的风洞试验校核和计算。奥亚纳公司在其“风工程—风洞试验解释报告”中如下评价,“风洞试验结果以及原始数据取自汕头大学风洞实验室。我们使用A R U P公司内部软件以相同的设计参数重新分析了两套原始数据。我们的分析结果与风洞实验室的分析结果完全一致,说明风洞试验分析方法是可靠的。”而且“汕头大学及C PP使用相同的设计参数,分析结果是相同的,这说明两个不同风洞实验室试验结果的可靠性及分析结果的可重复性。”周奇说,这意味着汕大完成的试验项目被认为经受得起国际同行的检验。

  揭 秘

  风洞是干啥的?

  让建筑的结构系统

  被设计得安全抗风

  风工程的快速发展,主要因为一座桥的坍塌。1940年11月7日,美国华盛顿州的一座悬索桥塔科马大桥坍塌,为当时全球第四大悬索桥。当时风速并不大,不到20米每秒,仅约8级。塔科马大桥在风中振颤了近两个月后,桥面扭曲变形过大,最终破坏坍塌。这个被冠以“塔科马大桥倒塌的困惑”,后引起包括航空、土木、空气动力学等各界的关注并逐渐开展了风与建筑的研究。“在我们的统计中,风灾是全球最为常见的和最为严重的自然灾害之一,也是带来损失最多的自然灾害。”周奇说。

  风作用在建筑上的大小

  跟结构物的形状密切相关

  风洞(w indtunnel),是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。无影无踪无所不在的风,在这里被“驯服”成循规蹈矩、各种强度、各种“形状”所需的气流。我们常问,这个建筑能抵抗多大的风?这是风洞试验研究的目的之一———确定建筑的等效静力风荷载。周奇介绍,风作用在建筑结构上的大小,跟结构物的形状密切相关。

  “一个看起来‘弱不禁风’的建筑,也许比你想象中要更抗风,形状不同,抗风性能很不一样。”高层建筑物,受到高空气流影响,会引起结构稳定性方面的问题,“质量越轻,结构越柔的建筑,对风力越敏感,风的振动响应比较大”。周奇说。风荷载作用下高层建筑产生振动,过大的振动加速度会使在高楼内居住的人们感觉不适,甚至不能忍受,直接影响工作和生活。“建筑物的风振加速度越大,人的不舒适程度就大。”

  摩天大楼、大跨度桥梁

  通常需要进行风洞试验

  通过风洞试验,向设计部门提供对于建筑当地风的绕流模式、风荷载以及风致结构振动的预估。“使建筑的结构系统能够被设计得安全抗风,并且提供一个居住者行动敏感性不超越正常的舒适标准的环境,这些预估是必需的”。通常需要进行风洞试验的包括摩天大楼、大跨度桥梁、大跨度屋盖、具非寻常体型或非寻常柔度的轻质大型结构。

  “比如高度超过200米以上的高层建筑,或者高度没有超过,但结构形状比较特殊,或者几个建筑之间挨得较近,有干扰效应的类似情况,都需要做风洞实验,确定风荷载。”周奇说,对于桥梁结构,风洞实验除了提供风荷载(静力三分力系数)和风振响应(抖振),还提供一系列风致振动稳定问题的评估以及其控制措施的技术。

  风洞试验怎么做?

  造好符合条件的风

  测建筑模型上的风压数据

  “风洞一响,黄金万两。”抗风研究怎么做?简单总结就是造风,像电风扇一样。通俗地说:将大风扇打开,风扇吹出来的风,经过试验段,通过利用转角处设置的导流板改变风的运行轨迹。或通过风道的宽度变化,或通过蜂窝器之类的结构,或通过粗糙元和专门设计的布置在上游的尖塔等装置,使风的控制更加精准———从而完成风场的模拟,即模拟流向模型区的自然风的平均风速廓线和湍流度等参数。有了符合条件的风后,实验人员就把要测试的建筑模型固定在测试平台上,测试作用在物体上的力、位移、加速度等数据。

  不是简单测

  能不能被风吹倒

  怎么测?在数据测试上,主要用到多点压力同步扫描系统,以及六分量力天平。它们是高频压力积分技术和高频天平技术得以应用的基本仪器。应用这些技术和相关的计算理论可以确定平均风荷载和动态风荷载,将这些风荷载与原型结构的动力特性相结合可以确定风致响应。

  “并不是简单测它能不能被风吹倒”。周奇笑着说,建筑模型按一定几何缩尺比进行缩尺,模型上会设定数十个到几百个不等的测压点。每个测压点上均贴有编号,编号与压力传感器连接并一一对应。“多点压力同步扫描系统可同时测一组512个孔的压力,最多可一套系统同时测1024个测点,而我们有两套这样的系统”。

  通过传感器采集

  建筑表面测压点的风压

  试验启动后,通过传感器采集到建筑表面测压点的风压,以此收集数据进行分析计算,从而得出风荷载和风振响应等数据。实际上,模型所受的力与真实建筑结构受力之间都有一定相似关系。“模型在风洞里的响应直接测量出来,可以换算到实际结构中去。”

  这里的算法的计算工具正是风洞实验室的灵魂———软件。该实验室目前拥有自主知识产权的风洞试验和风振分析软件包WTM,该系统在目前风工界有显著先进性和尤为重要的可靠性。包括数据采集、流场调试、数据处理和复杂结构风致响应分析等多个功能。特别是拥有核心专利技术的P WISR模块,是目前国内计算风振响应最快的软件,可以在1天之内完成。包括从结构设计人员获取修改后的结构动力模型———进行风振响应分析和等效静力风荷载计算———提交给设计计算人员的全过程。这种过程最初在其他单位,至少需要半个月时间才能完成。

  相 关

  汕大为文昌铺前大桥

  提供施工抗风控制研究

  海南文昌铺前大桥上,上百台大型机械往来穿梭,工人们正紧张施工。这座海南省迄今为止规模最大的独立跨海桥梁工程,连接铺前到海口,竣工后,往返两地的车程将由原来的1个半小时缩短到20分钟。由于地处海南岛东北部强台风多发的琼州海峡沿岸,且靠近风力强劲的海峡东部入口,铺前大桥的设计基本风速是国内最大的———49.5米/秒,桥面高度设计基准风速更是接近60m/s。2014年对海南岛造成重创的“威马逊”和“海鸥”超强台风均从桥位处经过。大桥对抗风性能提出巨大挑战。汕头大学风洞实验室,正是此次铺前大桥施工抗风控制研究的承接单位。

  海面上工期约两年

  要考虑施工中的抗风性能

  铺前大桥是国内第一座跨越活动断层的特大型桥梁,桥梁抗震、抗风设防标准均为国内最高设计标准,大桥预计在2018年年底建成通车。2014年,对海南造成重创的超强台风“威马逊”和“海鸥”均从桥位处经过,铺前镇属于强台风多发区。因而,在桥梁的抗风性上,铺前大桥设计及施工单位必须要做出正确处理。

  周奇及团队承接了文昌铺前大桥的抗风试验。他说,桥梁设计的基准风速是目前最高设计风速,桥面高度处达到近60米/秒。“设计基准风速越高,意味着风越大,需要考虑包括风荷载、稳定性、施工等多种问题。”加上桥梁的施工周期长,光是大桥海面上的工期要两年左右,因此还要关心在施工中抗风性能如何,包括主桥、引桥、移动模架的设计等。

  铺前大桥能抵御

  类似亚马逊强度的台风

  周奇说,按照国家规范规定,当风速超过25米/秒时,高速公路就要封闭。“但桥梁的高度更高,当桥梁上超过25米/秒了,地面还没达到25米/秒,若按照规范要封路封桥,利用率就降低了。”通过风洞试验,汕大团队提出对桥梁施加风障的设计建议,以降低桥面风速,使得地面能通车时桥面上也能通车。

  “比如增加一些格栅板立在两侧,改变桥梁的外形,反复选型从而达到降低桥面风速的效果。”周奇说,为了尽量不对结构设计大的改动以及经济效益方面考虑,通常建议使用气动控制措施解决这些问题。比如铺前桥使用了风障、改变风嘴和检修轨道、施加抗风缆索等措施。经过多番探讨、考察、验证,铺前大桥的设计方案逐渐成型,并确定大桥建设能抵御类似“威马逊”、“海鸥”等强度的台风。

  实验室名片

  汕头大学风洞实验室

  为上海世博会中国馆做了风洞试验研究

  汕头大学风洞试验室1994年开始筹建,1996年11月正式建成,当年年底通过验收,是广东省普通高等学校最早的建筑工业风洞实验室,验收当时被评为达到国际先进水平。实验室配备有当前先进水平的测试设备,是国内同类风洞中最早使用进口高速电子扫描阀和进口高频底座天平等仪器的研究单位之一。风洞实验室是国内第一批开展结构风工程研究的风洞实验室单位,目前主要开展超高层建筑结构、大跨度桥梁结构、大跨度空间结构和其他土木工程结构等的风洞试验和数值模拟应用研究。至今,实验室已完成110余项建筑结构、桥梁结构及其他结构的风洞试验项目,业务水平得到国内外土木工程界尤其是风工程界的普遍认可并享有一定的声誉。

  实验室完成了一系列重大工程项目,在超高层建筑结构方面,承担了广州珠江新城西塔(432米)、深圳京基金融中心(高439米)等重大工程结构的风洞试验研究;在大跨度桥梁结构方面,承担了海南铺前文昌大桥、西藏迫龙沟大桥等重大工程结构的抗风试验研究;在大跨度空间结构方面,承担了深圳蛇口邮轮中心、北京2008奥运摔跤馆和2010年上海世界博览会中国馆、潮汕机场航站楼等重大工程结构的风洞试验研究。

  实验室自行开发了多套风工程方面的高效专业分析软件,包括建筑结构或大跨度空间结构的风荷载和风振响应分析软件,大跨度桥梁风致振动和风致失稳分析软件。此外,实验室还提出了一系列独特的试验技术和风致振动控制措施。基于上述科研成果,实验室不仅优质地完成了上述重大工程项目的风洞试验技术咨询工作,也为这些工程的结构安全和舒适使用提供了保障,并大幅度节约了工程建造成本,产生了巨大的经济效益。

编辑: 鲁飞
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