[發明專利]一種面向開洞柔性建筑的風致內壓測試方法

有效

• 申請號: 201810090484.1
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN108427825B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 徐海巍;樓文娟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

1.一種面向開洞柔性建筑的風致內壓測試方法，其特征在于，所述面向開洞柔性建筑的風致內壓測試方法依次包括以下步驟：

1)確定開洞柔性建筑模型的內壓共振頻率

1.1)計算建筑原型的等效內部容積

通過建筑圖紙和結構信息建立建筑原型的有限元模型，并對該模型施加單位壓力，得出荷載施加前后建筑容積的改變量_△V，并由以下公式(1)計算建筑原型的體積模量：

式中：K_b為建筑原型的體積模量，V₀為變形前建筑的原容積；根據K_b可以得出柔性建筑的等效容積V_e，如下：

V_e＝V₀(1+K_b/γP_a) (2)

式中：γ為空氣的比熱比，可取1.4，P_a為大氣壓強，這兩者的乘積代表空氣的體積模量；

1.2)計算建筑模型的內壓共振頻率

根據建筑原型和建筑模型的幾何縮尺比λ_l和風速比λ_u來確定建筑原型和建筑模型間的頻率比λ_f，其關系如下：

λ_f＝λ_u/λ_l (3)

根據內外壓之間的傳遞關系，可以按照以下公式計算建筑原型的內壓共振頻率f_Hf為：

式中：A₀為建筑開洞面積，ρ_a為空氣密度，l_e為洞口有效深度：其中：l₀為開洞的實際深度，C_I為洞口氣柱慣性系數，可近似取為0.8；

根據f_Hs＝f_Hf×λ_f，得到縮尺后建筑模型內壓響應的理論共振頻率f_Hs；該頻率將作為后續容積調整的目標；

2)檢驗調節裝置的合理性

在進行內壓的測試之前，需要選取合理的調節裝置以實現模型縮尺效應的準確修正，而不至于產生額外的內壓共振現象從而影響試驗結果，為了方便后續容積的多次調節，調節裝置宜具備容積連續可調的功能；

2.1)選取連通孔尺寸

通常容積調節裝置安裝在模型的底部，兩者在接觸面上存在連通孔，選取連通孔，以確保調節裝置與模型內部氣流交換時不會在連通孔處產生二次共振現象進而干擾試驗結果，連通孔的選擇是否合理可以通過以下公式來判斷：

式中：A₁和A₂分別表示模型開洞面積和連通孔的面積，V₁代表模型的內部容積，V₂表示調節裝置提供的額外容積，可以用(λ_u²-1)V₁來近似估算，l_e1和l_e2則分別表示模型開洞和連通孔的有效深度，可參照步驟1)中l_e的計算方法來確定；當計算得到頻率f₁和f₂滿足以下條件，則可以認為此時連通孔大小能夠滿足試驗要求：(a)f₁接近步驟1)得到的模型內壓理論共振頻率f_Hs；(b)f₁與f₂相差較遠，且f₂所在的高頻區對應的內壓響應能量處在內壓響應功率譜的尾部；

2.2)選取調節裝置高度

為了避免調節裝置內空氣產生顯著的駐波振動現象以及與內壓共振的相互耦合，需要在滿足容積要求的前提下減少調節裝置的高度以分離內壓共振頻率和駐波共振頻率；

首先，根據以下公式(7)計算出調節裝置內空氣可能產生駐波共振的頻率f_s：

式中：α_s為聲速，h為所選取的調節裝置的高度；當計算出的f_s與步驟1)得到的模型內壓共振頻率f_Hs相差較遠且對應的內壓響應能量處在內壓響應功率譜的尾部，即可以認為所選擇的調節裝置高度能夠滿足試驗精度要求；

3)調節內部容積并測試內壓響應

3.1)獲得洞口外壓響應

對開洞前模型在擬開洞位置處布置測壓點，并測試開洞位置處外壓的分布特性，對各測點得到的外壓時程按照面積加權平均，以此代表作用在洞口的外壓響應；

3.2)采用建筑原型的理論內壓響應檢驗試驗結果的準確性，明確容積調整方向

采用調節裝置對模型的內部容積進行初步調整，測得內壓響應時程后應用傅里葉變換得到模型試驗內壓響應的功率譜和共振頻率f_Ht；為了估算建筑原型內壓響應的理論值以檢驗試驗效果，首先需要求解出內壓理論控制方程中的待定參數；建筑內壓的理論控制方程滿足以下關系：

式中：C_pi和C_pe分別為內、外壓系數，通過試驗選取的參考點風壓q歸一化得到；其中C_pe采用前一步面積加權后的外壓結果；損失系數C_L為方程中的未知待定參數，可以結合試驗內、外壓結果，通過以下公式識別得到：

式中：f_Ht為試驗內壓共振頻率，為內壓系數一階導數的均方根，應用公式(9)計算C_L時，開洞面積A₀用模型開洞面積代入，有效容積V_e用模型的內部容積代替，參考風壓q和內、外壓系數均用相應的試驗結果代入；H(f_Ht)為內外壓的幅值比譜，可以通過公式(10)計算得到：

式中：S_Cpi(f_Ht)表示內壓功率譜在f_Ht頻率處的值，S_Cpe(f_Ht)表示外壓功率譜在f_Ht頻率處的值；

將識別到的C_L和試驗測得的無量綱C_pe代入方程(8)并將開洞面積、內部容積、參考風壓用建筑原型的相應值代入，然后采用龍格庫塔法求解公式(8)即可以得到建筑原型內壓響應的理論值；同樣采用傅里葉變換即可以得到建筑原型的理論內壓功率譜；將得到的內壓功率譜進行歸一化處理，歸一化譜的橫坐標用fZ/V_z來表示，其中f為原內壓功率譜中的橫坐標頻率，Z為歸一化高度，V_z為Z高度處對應的來流風速，歸一化譜的縱坐標用來表示，其中S_Cpi(f)為原內壓功率譜的縱坐標值，σ_Cpi為內壓均方根值；比較歸一化后的模型試驗內壓功率譜與建筑原型的理論內壓功率譜的差異，即可以明確下一步容積調節方向；

比較試驗內壓共振頻率f_Ht與目標共振頻率f_Hs的大小，若f_Ht>f_Hs，則繼續增加調節容積，重新測試；若f_Ht<f_Hs，則減少調節容積后繼續試驗；

3.3)多次調節容積以獲得目標共振頻率下的準確內壓響應：

不斷重復前一過程3.2)，直至所獲得的試驗內壓響應共振頻率f_Ht接近步驟1)分析得到的目標共振頻率f_Hs，并且試驗內壓功率譜中無明顯的第2個共振峰出現；在此基礎上，比較歸一化后的試驗內壓功率譜與建筑原型的理論內壓功率譜：如果兩者符合的較好，可以認為，此時得到內壓試驗結果能夠反映原型開洞柔性建筑的內壓響應特性；如果內壓功率譜中存在明顯的額外共振現象，則需要返回步驟2)，重新檢驗所選擇的調節裝置的合理性，調整后再次進行步驟3)的測試。