利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法研究

摘要

随着中国城镇化的迅速发展，城市高层建筑变得愈来愈密集，而由于高层建筑阻尼小，风荷载往往成为设计中需要考虑的主要荷载之一，因此建筑抗风研究就愈来愈必要。目前建筑抗风的研究手段主要有风洞试验、现场实测和数值模拟。风洞试验由于能够较好地模拟大气边界层风场，且能够多次重复试验，相比现场实测耗时少，因此风洞试验成为建筑抗风研究的最主要手段。虽然国内风洞实验室总量较多，但地区分布不均，诸如河南等地区目前还没有大型风洞实验室，这对建筑抗风的试验研究形成了限制。众所周知，汽车行驶过程中能够产生风，而风洞试验是由大型风机转动产生风。为了研究一种便捷、经济且可靠的建筑抗风试验方法，参照风洞试验的方法将建筑缩尺模型固定在车顶试验平台上，利用汽车行驶产生的相对风场对缩尺模型风压系数进行试验研究。这就提出了一种利用汽车行驶产生风测试标准模型建筑风压系数的跑车试验方法。
　　首先，研制了利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法的硬件系统。硬件系统的研制包括跑车试验装置构造和设备装置的研制及组装。为了保证跑车试验风速的稳定性，跑车试验选择一辆具有定速巡航功能的小汽车;为了将缩尺模型固定在车顶并能够变换不同风向角，设计了跑车试验方法的物理试验平台及其与小汽车的组装;为了研究车顶不同高度的风速特性，自行研制了可变换不同高度的皮托管测量架;为了能够实现多种仪器设备可同时工作，对风速测试仪器（皮托管）、振动测试仪器（拾振器）和风压测试仪器（风压传感器）等多种设备进行简单集成;为了保证跑车试验方法的硬件系统能稳定工作，制定了跑车试验步骤并选择了合适的试验路况。研究结果表明:试验汽车速度稳定，满足试验要求;跑车试验所研制的物理试验平台能够与汽车稳定组装，且物理试验平台具备调整风向角功能;所研制的皮托管测量架具备调整皮托管高度和位置的功能，适用于跑车试验方法;跑车试验测试标准模型建筑风压所需的风速测试仪器、振动测试仪器和风压测试仪器可同时工作;跑车试验方法的测试步骤和路况满足试验要求且仪器设备可稳定工作。
　　其次，开发了跑车试验方法测试标准模型建筑风压数据处理的软件系统。数据处理软件系统主要包括风压数据预处理开发和风压数据后处理开发。数据预处理基于MATLAB软件开发了两大模块:剔除奇异值、数据平滑处理。数据后处理开发采用MATLAB GUI模块编程实现，可将数据采集软件得到的电压信号转换为风压信号，还可同时计算20个测点的平均风压系数，并可对风压测点进行时程分析和频域分析。研究结果表明:数据预处理软件能够实现对异常数据的剔除，数据平滑处理模块可有效减小随机误差，该软件能够有效对试验数据进行预处理，提高数据精度;数据后处理软件能快速地对20个测点的平均风压系数进行计算，可提高跑车试验方法测试标准模型建筑风压系数的试验效率。
　　最后，验证了利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法的可行性。利用自行设计的皮托管测量架研究了50km/h、72km/h和90km/h车速下车顶不同高度的风特性;研究了72km/h车速下汽车振动对跑车试验的试验风速的影响;分析了72km/h车速得到的动压数据和3个典型测点风压数据的稳定性状况，并分析了三种不同车速下典型测点的风压系数结果;研究了72km/h车速下利用跑车试验方法所得到的CAARC标准模型20个测点的平均风压系数，并验证了跑车试验方法测试标准模型建筑风压系数是否可行。研究结果表明:随着车速的增大，车顶不同高度的风速均匀程度呈现增大趋势，考虑行车安全性等因素选择72km/h作为跑车试验方法标准模型测压的试验车速;汽车振动对跑车试验标准模型测压中的试验风速影响很小，不同风向角下汽车振动对风速的影响可以忽略;不同风向角下动压时程曲线整体较为平稳，风压数据经处理后毛刺现象明显改善且稳定性提高;不同车速对CAARC标准模型典型测点的平均风压系数基本无影响，且跑车试验方法可重复性操作;除极个别测点外跑车试验所得CAARC标准模型的平均风压系数曲线与风洞试验结果吻合较好，利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数的跑车试验方法具有一定可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 建筑风压系数研究现状

1．2．1 风洞试验

1．2．2 现场实测

1．2．3 数值模拟

1．3 车辆行驶风压特性研究现状

1．4 本文研究的主要内容

2 建筑风压系数跑车试验硬件系统的搭建

2．1 跑车试验装置

2．1．1 试验汽车

2．1．2 物理试验平台的设计

2．1．3 物理试验平台的组装

2．1．4 皮托管测量架

2．2 跑车试验仪器和设备

2．2．2 风压

2．2．3 振动

2．3 跑车试验测试步骤和路况

2．3．1 试验测试步骤

2．3．2 路况

2．4 本章小结

3 建筑风压系数跑车试验软件系统开发

3．1 数据采集软件的集成

3．2 数据处理软件开发

3．2．1 剔除奇异值

3．2．2 数据平滑处理

3．2．3 测点风压系数计算

3．3 本章小结

4 建筑风压系数跑车试验方法的验证

4．1 CAARC高层建筑标准模型概况

4．1．1 CAARC标准模型测点布置

4．1．2 CAARC标准模型制作

4．2 车顶风特性

4．3 振动对跑车试验测试风速的影响分析

4．4 不同车速对建筑风压系数的影响分析

4．5 测试数据稳定性分析

4．5．1 动压数据稳定性分析

4．5．2 风压数据稳定性分析

4．6 跑车试验与风洞试验对比分析

4．7 讨论

4．8 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

附录

参考文献

攻读学位期间撰写的学术论文及专利

致谢