双曲膜结构风荷载高分辨率气动数据库：非定常风场下建筑膜结构设计与验证研究

本刊推荐：为填补双曲膜结构在风荷载下气动特性数据的空白，研究人员针对Hypar、Ridge Valley等五种典型膜结构开展了1:25缩尺模型的风洞试验，涵盖大气边界层(ABL)、下击暴流(Downburst)和龙卷风(Tornado)等多种风场条件。通过425组实验获得了高分辨率压力时序数据，为膜结构抗风设计及CFD验证提供了宝贵资源，推动了非标准结构风工程规范的制定。

　　

预应力膜结构因其建筑表现力与力学效率的优势，广泛应用于大跨度公共建筑领域。这类结构通过双曲几何形态实现力学性能优化，能以极轻的材料覆盖广阔空间。然而，其轻质大柔的特性也带来了风致振动与流固耦合问题。目前风荷载设计主要依赖近似估算，仅有少数重点项目会进行专门的风洞试验或数值分析，导致双曲膜结构缺乏标准化的风荷载规范。尽管历史上已出现科隆 Tanzbrunnen（1957）、慕尼黑奥林匹克体育馆（1972）等标志性膜结构项目，但针对大尺度膜面的风效应系统性研究仍显不足。

为解决这一难题，由德国慕尼黑工业大学与加拿大西部大学WindEEE研究所领衔的研究团队，在《Scientific Data》发表了首个针对典型双曲膜结构系统的气动数据库。研究团队选取了双曲抛物面(Hypar)、脊谷结构(Ridge Valley)、拱支撑(Arch Supported)、锥形(Cone)和伞形(Umbrella)五种代表性膜结构形态，在WindEEE Dome风洞实验室开展了大规模风洞试验。所有模型按1:25缩尺制作，采用ABL流动模拟大气边界层风场，并针对Hypar模型额外施加了下击暴流和龙卷风非定常风场作用。试验共完成约425组工况，测量了不同风向角（0°–180°，10°递增）及对称方位（45°、135°）下的表面压力分布，获得了超过150个测点的压力时序数据。

关键技术方法包括：1）在WindEEE Dome多风扇风洞中生成ABL、下击暴流和龙卷风场；2）采用TFI Cobra探头测量三维流速；3）使用ESP压力扫描器与PVC导管系统采集膜表面压力数据；4）通过气动导纳函数校正管路动态效应；5）利用Zenodo平台构建结构化数据仓库，提供模型图纸、试验照片及MATLAB v6格式原始数据。

研究结果系统揭示了五类膜结构的气动特性：

Hypar(M1)模型：在ABL风场中表现出显著的风向角敏感性，0°风向下净压力分布呈对称形态，而45°和135°风向则出现明显非对称特征。在下击暴流作用下，当模型位于射流核心区（r/D=0.8）时呈现强烈吸力峰值；龙卷风场则导致脉动压力大幅增强，瞬时压力系数波动达ABL工况的3倍以上。

Ridge Valley(M2)与Arch Supported(M3)模型：脊谷结构在90°风向时谷区形成显著负压集中，拱支撑模型因拱形支承的导流作用使风压分布更均匀，最大吸力系数降低约20%。

Cone(M4)群组效应研究：首次揭示了锥形膜结构的干扰效应——独立布置时锥顶出现涡旋脱落诱发的高吸力区；1×3排列时中间单元平均风压降低15%；3×3阵列中角部单元承受最大风压，较中心单元高30%。

Umbrella(M5)模型：伞状结构在135°风向时迎风边缘产生剧烈流动分离，导致边缘缆索区域出现脉冲式压力波动，为缆网设计提供了关键载荷数据。

研究结论表明，双曲膜结构的风压分布强烈依赖于几何形态、风向角及群组配置，非定常风场（下击暴流/龙卷风）会产生较ABL工况更极端的瞬时风压。该数据库通过Zenodo平台开源共享，包含模型坐标、压力时序及风场参数等完整信息，为CFD验证、风致响应分析及设计规范制定提供了基准数据。这项工作不仅解决了膜结构风荷载数据匮乏的痛点，更建立了非标准结构风工程研究的范式，对推进大跨度膜结构安全设计与抗风理论发展具有重要价值。