CN109596303B - 一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，应用在风洞试验装置领域，包括固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的建筑模型。本发明可实现自动控制模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况，降低人为手动操作对试验结果的影响，同时还实现可自主控制破口位置及破口大小，并且在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的风致干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究，以为瞬时内压测量领域提供的理论研究支持。

Description

一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置

技术领域

本发明属于风洞试验装置领域，具体涉及一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置。

背景技术

建筑结构的玻璃门窗或幕墙在自然强风作用下被突然破坏时，风会从被破坏处的孔洞处涌入建筑内部，使建筑内部的风压产生较大变化；同样，会展中心、体育馆、火车站等大型公共建筑在强风作用下，门窗被人为的突然开启时，涌入建筑物内部的风所产生的风致内压，也会对室内人员的舒适度及屋内挂件以放置件的稳定性产生较大的影响。

为了研究清楚以上人为或自然强风环境下，建筑结构瞬时内压陡增后对内层结构的影响及风压分布情况，需要对建筑结构做风洞试验，即测试建筑玻璃门窗或幕墙等突然开启或突然破坏时，建筑内部的风压变化。

基于实际情况考虑，建筑结构基本不会是独栋分布，通常为多栋建筑同时修筑于某一区域内，风场作用于该建筑区域，就会产生俗称“峡谷效应”的风致干扰，即各建筑结构不可避免地改变了原来吹经此处的风的正常走向，也即改变了当地的风环境，例如，在繁华的商业中心街道两旁，高低错落的建筑群构成了一道人工的“街道峡谷”，风汇合在街道里，由于“峡谷效应”，风速加大，出现局部强风，加上建筑物的阻滞，形成涡旋和强烈变化的升降气流等复杂的空气流动现象，而影响该复杂气流场的因素主要在于建筑的高低、大小、方位布置。建筑的高低、大小可通过实际模型的制备来进行选择，建筑的方位布置则是指各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角。

就目前已有的可以对建筑结构瞬时内压测量的试验装置而言，主要存在的问题为：1、控制模拟建筑物门窗等的突然开启或玻璃幕墙等的突然破坏的方式为手动式，主要有两种：一种是，在建筑模型的孔洞或门处设置可活动的薄板或有机玻璃等，然后在薄板或有机玻璃上设置拉线，需进行风洞试验时，通过人为控制拉线，模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然破坏；另一种是，在建筑模型的孔洞或门处用薄锡纸贴好，试验时通过针状物刺破锡纸来模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然破坏。以上两种控制方法均通过人为控制拉线或者针状物来控制门窗等的突然开启或玻璃幕墙等的突然破坏时，往往会对风洞试验的风场造成干扰，且可操作性非常差，对试验数据产生较大的影响，测试结果可靠性较差，精准度较低。此外，以上方法还不能根据试验需求自动选择被破坏产生漏风空洞的位置，即不能模拟建筑物受风面不同位置的门窗或幕墙被破坏的情况，当然，也不能根据试验需求自动选择破坏产生漏风空洞的大小，即不能模拟建筑物受风面被破坏的门窗的数量。因此无法研究破口位置、破口大小与内压分布情况的关系。2、无法在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，即无法真实的模拟实际建筑群中风致干扰对瞬时内压产生的影响；尽管有少数试验装置中布置有多个建筑模型用以模拟建筑群，但是同样无法调节各建筑结构的相对位置的，即无法在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，实现可自动控制模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况，降低人为手动操作对试验结果的影响，同时还实现可自主控制破口位置及破口大小，并且在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的风致干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究，以为瞬时内压测量领域提供的理论研究支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，包括固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的建筑模型，所述试验台周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽；各滑槽之间的径向间距d相等，各滑槽的开口宽度r相等；所述建筑模型分为主建筑模型和辅建筑模型两类，其中主建筑模型和辅建筑模型结构完全相同，均包括建筑内层及套装于建筑内层外侧的挡风壳体；所述主建筑模型有一个，设置于所有滑槽的共同圆心处；所述辅建筑模型至少有一个，可滑动设置于滑槽内并可通过紧固套件固定；所述挡风壳体面朝风洞进风向一侧开口，该开口由电控挡风板密封；所述电控挡风板包括金属外框以及呈矩阵状布置于金属外框内的门窗单元；所述门窗单元呈矩形，包括薄板和分别连接设置于薄板四边的四块电磁铁，每块薄板上下两侧的电磁铁极性相同，且与左右两侧的电磁铁的极性相反，相邻门窗单元交接边处电磁铁极性相反，每块薄板背离风洞进风向一侧设有控制电路；所述控制电路包括串联为电回路的电源、远程无线开关以及电磁铁组；所述电磁铁组由薄板周向的四块电磁铁串联或并联组成；还包括远程操作面板；所述远程操作面板上设有与呈矩阵状布置的门窗单元一一对应的远程控制按钮，每一个远程控制按钮可独立控制一个远程无线开关的通断；所述建筑内层面朝风洞进风向一面均布设有若干第一风压传感器。

优选的，所述紧固套件包括滑杆和紧定螺母；所述滑杆上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆上段连接于辅建筑模型的挡风壳体下方，并贯穿滑槽后，由紧定螺母沿滑杆下段的螺纹锁紧固定。

优选的，所述紧定螺母为上部带有橡胶凸点的防松螺母。

优选的，所述主建筑模型底部通过一个过渡座连接于一个二维移动平台；所述二维移动平台可沿水平面的X、Y向带动过渡座做0～±d范围内的运动；主建筑模型周向通过一圈波纹密封层与试验台的顶面连接。

优选的，所述波纹密封层在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽之间的径向间距d的1.2倍。

优选的，所述薄板为塑胶板。

优选的，所述建筑内层背离风洞进风向一面均布设有若干第二风压传感器，垂直风洞进风向的两面均布设有若干第三风压传感器。

优选的，还包括设置于建筑内层周向四面的风速计矩阵，每一面的风速计矩阵由9个风速计，分别在建筑内层一面的上、中、下，左、中、右，呈3X3的形式布置而成。

优选的，还包括设置在试验台顶面厚度方向的密封块；所述密封块两两相对设置在每个滑槽内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧连接于试验台厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽内的密封块两两相顶，将滑槽密封；在有垂直外力作用时，密封块克服复位弹簧作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧的作用下恢复密封块的顶紧、滑槽的密封状态。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可实现自动控制模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况，降低人为手动操作对试验结果的影响，同时还实现可自主控制破口位置及破口大小。

2、本发明可实现在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的风致干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究，以为瞬时内压测量领域提供的理论研究支持。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一俯视图；

图2为实施例一中建筑模型俯视图；

图3为实施例一中建筑模型右视图；

图4为实施例一中建筑模型主视图；

图5为图4的透视图(省略第一风压传感器)；

图6为实施例一中电控挡风板去掉门窗单元E后示意图；

图7为实施例一中电控挡风板去掉门窗单元A、B、D、E后示意图；

图8为门窗单元E背面结构视图；

图9为远程操作面板结构示意图；

图10为控制电路结构示意图；

图11为图1中A-A截面视图；

图12为图1中辅建筑模型旋转角度α后结构示意图；

图13为实施例二在图3状态下结构示意图；

图14为实施例三在图12状态下结构示意图；

图15为图14右侧局部放大示意图。

附图中标记如下：风洞1、试验台2、滑槽21、建筑模型3、建筑内层31、挡风壳体32、金属外框33、门窗单元34、薄板341、电磁铁342、控制电路4、电源41、远程无线开关42、远程操作面板5、远程控制按钮51、第一风压传感器6、滑杆7、紧定螺母8、过渡座9、二维移动平台10、波纹密封层11、第二风压传感器12、第三风压传感器13、风速计14、密封块15、复位弹簧16。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1～12，一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，包括固定于风洞1内的试验台2，以及设置在试验台2上的建筑模型3，所述试验台2周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽21；各滑槽21之间的径向间距d相等，以保证辅建筑模型能相对主建筑模型以等量调节的方式靠近或远离主建筑模型，各滑槽21的开口宽度r相等，以保证辅建筑模型的通用安装；所述建筑模型3分为主建筑模型和辅建筑模型两类，其中主建筑模型和辅建筑模型结构完全相同，均包括建筑内层31及套装于建筑内层31外侧的挡风壳体32；所述主建筑模型有一个，设置于所有滑槽21的共同圆心处；所述辅建筑模型至少有一个，可滑动设置于滑槽21内并可通过紧固套件固定；所述挡风壳体32面朝风洞进风向一侧开口，该开口由电控挡风板密封；所述电控挡风板包括金属外框33以及呈矩阵状布置于金属外框内的门窗单元34；所述门窗单元34呈矩形，包括薄板341和分别连接设置于薄板341四边的四块电磁铁342，每块薄板341上下两侧的电磁铁342极性相同，且与左右两侧的电磁铁342的极性相反，相邻门窗单元34交接边处电磁铁342极性相反，每块薄板341背离风洞1进风向一侧设有控制电路4；所述控制电路4包括串联为电回路的电源41、远程无线开关42以及电磁铁组；所述电磁铁组由薄板341周向的四块电磁铁342串联或并联组成；还包括远程操作面板5；所述远程操作面板5上设有与呈矩阵状布置的门窗单元34一一对应的远程控制按钮51，每一个远程控制按钮51可独立控制一个远程无线开关51的通断；所述建筑内层31面朝风洞1进风向一面均布设有若干第一风压传感器6。

试验开始前，根据试验需求，先构建建筑群。建筑群可以由一个主建筑模型及其周围的若干辅建筑模型构成，其中使主建筑模型位于试验台2中心并相对固定，辅建筑模型根据需求选择其数量，构建不同规模的建筑群，然后将辅建筑模型分别通过紧固套件固定于不同的圆环状滑槽21，参见图1、图11和图12，不同的圆环状滑槽21意味着主建筑模型与辅建筑模型之间不同的距离L，距离L的调节最小刻度为d，即距离L调节的最小计量单位为d，即为各滑槽21之间的径向间距。同一圆环状滑槽21的不同位置意味着辅建筑模型相对风向、或相对主建筑模型而言不同的夹角α，夹角α可实现连续调节。至此，实现了在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，并将建筑群存在的风致干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究。

试验进行时，启动风洞1，试验风由图1中进风向和出风向进出，风洞内的气流吹向试验台2上的建筑模型3，如图1～5，由于建筑内层31的迎风面及周向分别被电控挡风板和挡风壳体32遮挡，因此内外层风压不同。本实施例中电控挡风板结构具体参见图4、5，由3X3共9个门窗单元34组成，分别编号门窗单元A～I。各门窗单元上的四个电磁铁342的电极分布如图4、5所示，具体可通过电磁铁线圈的绕线方向来控制该极性布置的实现。当每个门窗单元对应的控制电路4被接通时，各电磁铁通电作用，相互紧密贴合，并由薄板341挡风，实现不透风不漏风。控制电路4详见图10，其中以门窗单元E为例，一旦远程无线开关42，即SE断开，则整个控制电路4断开，图7中门窗单元E的周向4个电磁铁则失去磁性，在风力作用下直接就被吹落，如图6所示，以此模拟门窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况，试验风则由原门窗单元E的位置处吹入。其中远程无线开关42由图9中的远程操作面板5控制，按下远程操作面板5中标识为SE的远程控制按钮51则可将图10中远程无线开关SE断开，该无线控制断开的技术也为成熟的现有技术，故其控制方式本申请不作赘述。至此实现了自动化无线式破口的打开，避免了人为手动操作对试验结果的影响。

图6、8、9、10是以门窗单元E为例，实现了某一个破口位置的选择及控制，当然，根据试验需求，还可以选择其他位置的门窗单元进行破口模拟。特别的，该种设置也可以实现破口大小的控制，只需要把几个毗邻着的门窗单元同时消除电磁铁即可，如图7，则是电控挡风板同时被去掉门窗单元A、B、D、E后的状态图，可以得到一个更大的破口，只需要同时按下远程操作面板5中标识为SA、SB、SD、SE的远程控制按钮即可，原理同上，至此实现了可自主控制破口位置及破口大小，以为瞬时内压测量领域提供更广阔的研究范围。

试验风由破口进入建筑模型作用于建筑内层31上，第一风压传感器6可测量瞬时内压中的顺风面风压，其代表了窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况下，正面直接冲击室内结构的压力值及压力分布情况，可以为瞬时内压测量领域提供良好的理论研究支持。

综上，本发明实现可自动控制模拟建筑物的门窗、玻璃幕墙等的突然被破坏的情况，降低人为手动操作对试验结果的影响，同时还实现可自主控制破口位置及破口大小，并且在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的风致干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对风场影响的研究，以为瞬时内压测量领域提供的理论研究支持。

进一步的，本实施例采用的紧固套件包括滑杆7和紧定螺母8；所述滑杆7上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆上段连接于辅建筑模型的挡风壳体32下方，并贯穿滑槽21后，由紧定螺母8沿滑杆下段的螺纹锁紧固定，当然，这只是固定辅建筑模型于滑槽21上的一种方式，本领域技术人员应当知晓，也可以采用其他具有良好调节及定位的结构。

进一步的，本实施例采用的紧定螺母8为上部带有橡胶凸点(图中未示出)的防松螺母，本实施例仅指出了一种防松螺母的结构，基于风洞内试验风较大，对紧固套件的稳定性要求较高的特点，本领域技术人员应当知晓，也可以采用其他结构的防松螺母。

进一步的，本实施例采用的主建筑模型底部通过一个过渡座9连接于一个二维移动平台10；所述二维移动平台10可沿水平面的X、Y向带动过渡座9做0～±d范围内的运动；其中二维移动平台分别沿X、Y轴的运动实现及控制方式为成熟的现有技术，故不赘述。运动范围控制在0～±d之内，是基于主建筑模型与辅建筑模型之间的距离L的调节最小刻度为d考虑，既然夹角α可实现连续调节，那么二维移动平台10的选择也是为了距离L能够间接的实现连续调节，从而提高整个试验装置中，建筑群之间方位的任意调节性，可以更精确的模拟更多种建筑群的布置形式。

主建筑模型周向通过一圈波纹密封层11与试验台2的顶面连接，波纹密封层11即能吸收主建筑模型调节时的位移压迫变形，又能够避免试验风窜入试验台内部。

进一步的，本实施例采用的波纹密封层11在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽21之间的径向间距d的1.2倍。因为波纹密封层11在单侧宽度D上最大会被压缩d的距离，基于波纹密封层11的可压迫程度考虑，故作此设计。

进一步的，本实施例采用的薄板341为塑胶板，以降低门窗单元34的整体重量，同时塑胶板不易被摔坏，可使门窗单元34整体结构保持完好，方便在重新接通控制电路4后重复使用，塑胶板质轻也不易被风吹动后砸向个风压传感器后将传感器损坏。

实施例二

如图13，与实施例一的区别在于，本实施例中，建筑内层31背离风洞1进风向一面均布设有若干第二风压传感器12，垂直风洞1进风向的两面均布设有若干第三风压传感器13。现有的风洞试验测试内压的装置内压测量面也相对单一，通常也会测量顺风面，而忽略了背风面和横风面的风压情况。第二风压传感器12可测量瞬时内压中的背风面风压，第三风压传感器13测量瞬时内压中的横风面风压。且每一面的风压传感器都均布设置有多个，可测量每一面不同高度不同宽度处的风压分布情况，且还可整合顺风面、背风面和横风面的测量值，一次性整体分析该种内压陡增的情况下各处压力的分布情况及规律，以此研究建筑结构瞬时内压陡增后对内层结构的影响及风压分布情况。

进一步的，本实施例还包括设置于建筑内层31周向四面的风速计矩阵，每一面的风速计矩阵由9个风速计14，分别在建筑内层31一面的上、中、下，左、中、右，呈3X3的形式布置而成。风速计的使用首先是多了一个试验结果反馈，在测得瞬时内压变化的同时，还可同时分析风速的变化及分布情况。同时，该布置形式则涵盖了每一面的风速分配区间特征点，即高度方向或宽度方向上的“初始、中间、末端”的三大特征点，通过三大特征点的整合分析，也可大致获得风速的分布及变化规律。

实施例三

如图14、15，与实施例一的区别在于，本实施例中，还包括设置在试验台2顶面厚度方向的密封块15；所述密封块15两两相对设置在每个滑槽21内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧16连接于试验台2厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽21内的密封块15两两相顶，将滑槽21密封；在有垂直外力作用时，密封块15克服复位弹簧16作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧16的作用下恢复密封块15的顶紧、滑槽21的密封状态。从实施例一中我们不难发现，其滑槽21的开口宽度r再小也存在窜风的风险，因此设计密封块15结构，配合复位弹簧16使用，使有辅建筑模型及滑杆7插入滑槽21时，密封块15借助其圆头型结构被顶开，而其他没有插入滑杆7，或是在滑杆7取出后的滑槽21内，则由两两相顶密封块15将滑槽21密封，避免窜风的情况出现。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，包括固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的建筑模型，其特征在于：

所述试验台周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽；各滑槽之间的径向间距d相等，各滑槽的开口宽度r相等；所述建筑模型分为主建筑模型和辅建筑模型两类，其中主建筑模型和辅建筑模型结构完全相同，均包括建筑内层及套装于建筑内层外侧的挡风壳体；

所述主建筑模型有一个，设置于所有滑槽的共同圆心处；

所述辅建筑模型至少有一个，可滑动设置于滑槽内并可通过紧固套件固定；

所述挡风壳体面朝风洞进风向一侧开口，该开口由电控挡风板密封；所述电控挡风板包括金属外框以及呈矩阵状布置于金属外框内的门窗单元；所述门窗单元呈矩形，包括薄板和分别连接设置于薄板四边的四块电磁铁，每块薄板上下两侧的电磁铁极性相同，且与左右两侧的电磁铁的极性相反，相邻门窗单元交接边处电磁铁极性相反，每块薄板背离风洞进风向一侧设有控制电路；所述控制电路包括串联为电回路的电源、远程无线开关以及电磁铁组；所述电磁铁组由薄板周向的四块电磁铁串联或并联组成；还包括远程操作面板；所述远程操作面板上设有与呈矩阵状布置的门窗单元一一对应的远程控制按钮，每一个远程控制按钮可独立控制一个远程无线开关的通断；

所述建筑内层面朝风洞进风向一面均布设有若干第一风压传感器；

所述主建筑模型底部通过一个过渡座连接于一个二维移动平台；所述二维移动平台可沿水平面的X、Y向带动过渡座做0～±d范围内的运动；主建筑模型周向通过一圈波纹密封层与试验台的顶面连接；

所述波纹密封层在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽之间的径向间距d的1.2倍。

2.根据权利要求1所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：所述紧固套件包括滑杆和紧定螺母；所述滑杆上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆上段连接于辅建筑模型的挡风壳体下方，并贯穿滑槽后，由紧定螺母沿滑杆下段的螺纹锁紧固定。

3.根据权利要求2所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：所述紧定螺母为上部带有橡胶凸点的防松螺母。

4.根据权利要求1所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：所述薄板为塑胶板。

5.根据权利要求1所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：所述建筑内层背离风洞进风向一面均布设有若干第二风压传感器，垂直风洞进风向的两面均布设有若干第三风压传感器。

6.根据权利要求1所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：还包括设置于建筑内层周向四面的风速计矩阵，每一面的风速计矩阵由9个风速计，分别在建筑内层一面的上、中、下，左、中、右，呈3X3的形式布置而成。

7.根据权利要求1所述的考虑风致干扰的建筑结构瞬时内压测量装置，其特征在于：还包括设置在试验台顶面厚度方向的密封块；所述密封块两两相对设置在每个滑槽内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧连接于试验台厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽内的密封块两两相顶，将滑槽密封；在有垂直外力作用时，密封块克服复位弹簧作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧的作用下恢复密封块的顶紧、滑槽的密封状态。