膜結構風荷載研究手段

膜結構的風荷載效應分析的方法要從風工程的研究方法中去尋找。風荷載研

究的常用手段包括風洞試驗，現(xiàn)場實測和計算流體力學（Computation Fluid 

Dynamics，CFD）數(shù)值模擬。

風洞試驗也稱為物力風洞試驗，是試驗室里模擬大氣邊界層的實際風環(huán)境和

實際建筑結果，進而從實驗室中的模型風效應考察實際結構的風效應。由于在人

為控制條件下進行結構風效應的再現(xiàn)，其工作效率很高。對于復雜風環(huán)境下，有

復雜外形的建筑結構的風效應研究，其它手段很難進行時，風洞試驗只需要對實

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

本特征的試驗技術日趨成熟，風洞試驗是目前采用最普遍的研究手段，是風工程

應用中重要的信息來源。

現(xiàn)場實測一般利用風速儀、加速度計等儀器在現(xiàn)場對實際風環(huán)境及結構風響

應進行測量，以獲得風特性和結構響應的第一手資料，使檢驗風洞試驗數(shù)據(jù)可靠

性的主要依據(jù)，是風工程研究中一項非常重要的基礎性工作。由于現(xiàn)場實測投資

大，很多困難因素難以人為控制，因而在實際研究中較少應用。國內外僅對少量

的大跨屋蓋結構進行了現(xiàn)場實測研究。

隨著計算機硬件水平的飛速發(fā)展和 CFD 技術的不斷完善，出現(xiàn)了與試驗相

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

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

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

動，且所需時間和費用也要比風洞試驗少得多；③它可以構造與實際結構尺寸相

同的計算模型，從而避免了在風洞試驗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，且對于流動參數(shù)的選擇具有很大的靈活性，

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

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

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

結構風工程領域的 CFD 數(shù)值模擬要比人們以往研究較多的管流和機翼繞流問題

復雜得多。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)值計算還無法取代風洞試驗；Stathopoulos 在一篇

計算風工程綜述文章中，通過對 CFD 數(shù)值計算結果與實驗結果的比較指出，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)值模擬技術已經(jīng)可

以得到較為精確的結果，但是當結構物形狀比較復雜時，數(shù)值計算結果與實驗結

果的差別也會增大；Tamura更進一步指出，即使對于一些形狀簡單的三維繞流

情況，計算結果的精確性也僅限于一些平均的物理量（如平均風壓、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結果尚有出入。綜上所

述，可以認為：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)值模擬方法作為風洞試驗的一種輔助

手段，用于工程方案階段預研，特別是復雜的結構，這正是膜結構的結構特點