膜结构风荷载研究手段

膜结构风荷载研究手段

膜结构的风荷载效应分析的方法要从风工程的研究方法中去寻找。风荷载研

究的常用手段包括风洞试验，现场实测和计算流体力学（Computation Fluid 

Dynamics，CFD）数值模拟。

风洞试验也称为物力风洞试验，是试验室里模拟大气边界层的实际风环境和

实际建筑结果，进而从实验室中的模型风效应考察实际结构的风效应。由于在人

为控制条件下进行结构风效应的再现，其工作效率很高。对于复杂风环境下，有

复杂外形的建筑结构的风效应研究，其它手段很难进行时，风洞试验只需要对实

际条件作适当的简化就可以达到研究的目的。通过边界层风洞模拟大气边界层基

本特征的试验技术日趋成熟，风洞试验是目前采用最普遍的研究手段，是风工程

应用中重要的信息来源。

现场实测一般利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响

应进行测量，以获得风特性和结构响应的第一手资料，使检验风洞试验数据可靠

性的主要依据，是风工程研究中一项非常重要的基础性工作。由于现场实测投资

大，很多困难因素难以人为控制，因而在实际研究中较少应用。国内外仅对少量

的大跨屋盖结构进行了现场实测研究。

随着计算机硬件水平的飞速发展和 CFD 技术的不断完善，出现了与试验相

对应的数值风洞方法（Numerical Wind Tunnel）。数值模拟的方法与传统的风

洞试验相比主要有以下优点：①它的适用范围较广，能计算理论流体力学所不能

求解的复杂几何形状和复杂流动问题；②它的“测量系统”对流动不会产生任何扰

动，且所需时间和费用也要比风洞试验少得多；③它可以构造与实际结构尺寸相

同的计算模型，从而避免了在风洞试验中由于采用缩尺模型所带来的相似比问

题；④它可以完全控制流体的性质，且对于流动参数的选择具有很大的灵活性，

因而便于进行各种参数分析。另一方面，尽管 CFD 数值模拟方法有众多优点，

并且已经在一些领域发挥了重要作用，但是由于土木工程领域结构多呈钝体型

状，其绕流不可避免的伴随着分离，再附，旋涡脱落等复杂的流动现象，因此在

结构风工程领域的 CFD 数值模拟要比人们以往研究较多的管流和机翼绕流问题

复杂得多。例如，Simiu 就曾指出，由于对钝体绕流的模拟尚处于定性研究阶

段，因此在高雷诺数流动的数值计算还无法取代风洞试验；Stathopoulos 在一篇

计算风工程综述文章中，通过对 CFD 数值计算结果与实验结果的比较指出，对

一些形状较为简单的大雷诺数、三维绕流问题，采用 CFD 数值模拟技术已经可

以得到较为精确的结果，但是当结构物形状比较复杂时，数值计算结果与实验结

果的差别也会增大；Tamura更进一步指出，即使对于一些形状简单的三维绕流

情况，计算结果的精确性也仅限于一些平均的物理量（如平均风压、阻力系数

等）的模拟上，而对于流动中高脉动成份的模拟与试验结果尚有出入。综上所

述，可以认为：CFD 数值模拟方法的发展已经为建筑物表面的静态风压分布规律

提供了一种较为简便、快捷的途径，而且可以基本满足工程精度要求；但就现阶

段而言，特别是将这种方法用于高雷诺数三维模拟时，尚有一些技术难题需要解

决，一种较为安全稳妥的思路是将 CFD 数值模拟方法作为风洞试验的一种辅助

手段，用于工程方案阶段预研，特别是复杂的结构，这正是膜结构的结构特点

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