（农业生物环境与能源工程专业论文）温室结构风振效应研究.pdf

摘要 温室建筑是工厂化农业最主要的设施之一，温室结构的安全性直接决定温室能否正常工作， 直接影响农业生产的经济效益。由于温室结构自重较轻、刚度较小，因此在我国大多数地区，风 是影响温室结构安全性的主要因素。在工程设计中，风荷载对温室结构的影响未被给予足够重视， 顺风向脉动风力对温室结构的动力效应甚至被忽略。我国2 0 0 2 年发布的温室结构设计荷载 国家标准也没有考虑风振对温室结构的影响。 根据大气边界层风的特性，本文借助大型通用有限元分析软件a n s y s ，采用n s 方程、湍 流一s 模型以及壁面函数法对湍流进行数值模拟，温室结构采用杆件有限元法进行离散。在论 文中，分别使用a n s y s 软件和p k p v l 软件对温室结构自振周期进行了计算，并且给出了简化计 算方程。本文还着重从温室结构自身特点出发，利用c f d 方法，对温室结构进行风振数值分析， 对平均风下的固定温室结构进行数值风压分析，并通过考虑流一固耦合作用，对平均风下的弹性 温室结构进行了数值风压分析。最后采用达文波特谱对北京地区脉动风进行了数值模拟，对脉动 风下的弹性温室结构进行了风振分析。 通过分析，在平均风压作用下，计算模型相同的情况下，考虑流一固耦合作用时，温室结构 背风面的同流区域更加清晰、显著。总体看来，在平均风压作用下，考虑耦合作用时结构表面的 风压较不考虑耦合作用时的风压值有较大变化，其中迎风面风压力减小、背风面风吸力增大。考 虑温室结构流一固耦合作用时，脉动风压作用下与平均风压作用下的压力相差较大。在计算温室 结构风压作用时，风振效应对温室结构的影响较大；因此在计算温室结构的风压时，考虑风振对 温室结构的影响是非常有必要的。 关键词：温室，风振效应，脉动风，流- 固耦台，c f d i i a b s t r a e t t h eg r e e n h o u s ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c i l i t i e si nf a c t o r ya g r i c u l t u r e t h eg r e e n h o u s e w o r kn o r m a l l yo rn o t ，w h i c hi sd e c i d e db yt h es a f e t yo ft h eg r e e n h o u s es t r u c t u r e s b e c a u s et h e d e a d w e i g h to ft h eg r e e n h o u s ei ss m a l l ，i nt h em o s tr e g i o n s ，t h ew i n di st h em a i nf a c t o ro ft h e g r e e n h o u s es t r u c t u r e ss a f e t y i ne n g i n e e r i n gd e s i g n , t h ee f f e c to ft h ew i n dl o a di s n ta d e q u a t e l yt o o k i n t oa c c o u n ti ng r e e n h o u s es t r u c t u r e sd e s i g n ，e v e nt h ed y n a m i c a le f f e c to fg r e e n h o u s es t r u c t u r e s m o t i v a t e db yt h ea l o n g - w i n df l u c t u a t i n gw i n di si g n o r e d c h i n ac o d e d e s i g nl o a do fg r e e n h o u s e s t r u c t u r e s d i dn o to f f e rt h er e l a t e ds u g g e s t i o nt o o a c c o r d i n gt ow i n dc h a r a c t e r i s t i c si nt h ea t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r ，t u r b u l e n c ei ss i m u l a t e di n t h i sp a p e rb yu s i n gc o m m e r c es o f t w a r e - a n s y s a d o p t i n gn se q u a t i o n 、t u r b u l e n c er sm o d e la n d w a l lf u n c t i o nm e t h o d ，g r e e n h o u s es t r u c t u r e sa r ed i s p e r s e db ym e m b e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，n a t u r a lp e r i o do fv i b r a t i o no fg r e e n h o u s es t r u c t u r e si sc a l c u l a t e db ya n s y ss o f t w a r ea n d p k p ms o f t w a r ea n dt h ec a l c u l a t e ds i m p l i f i e df o r m u l ai sp u tf o r w a r d t h ek e yi s s u e so ft h i sp a p e ra r e t h a tt h ew i n dv i b r a t i o ne f f e c to fg r e e n h o u s es t r u c t u r e si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，t h r o u g hc o n s i d e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fg r e e n h o u s es t r u c t u r e st h e m s e l v e sa n du s i n gc f dm e t h o d ，t h ew i n dp r e s s u r eo ff i x e d g r e e n h o u s es t r u c t u r e si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du n d e ra v e r a g ew i n ds p e e d ，a n dc o n s i d e r i n gt h ef l u i da n d t h es t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，t h ew i n dp r e s s u r eo fe l a s t i c i t yg r e e n h o u s es t r u c t u r e si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d u n d e ra v e r a g ew i n ds p e e d a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h ef l u c t u a t i n gw i n ds p e e ds p e c m a mo f a gd a v e n p o r t , f l u c t u m i n gw i n ds p e e dd u r i n go n eh u n d r e ds e c o n d si nb e i j i n gr e g i o ni sn u m e f i c m l ys i m u l a t e d t h e w i n de f f e c to f e l a s t i e i t yg r e e n h o u s es t r u c t u r e si sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du n d e rf l u c t u a t i n gw i n ds p e e d t h r o u g ha n a l y s i s ，u n d e rt h es a n l ec a l c u l a t e dm o d e la n da v e r a g ew i n ds p e e d ，w h e nt h ef l u i da n d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r e d , t h ee d d yi sm o l ec l e a ra n dn o t a b l e i ng e n e r a l l y , u n d e ra v e r a g ew i n d s p e e d ，t h e w i n dp r e s s u r eo fg r e e n h o u s es t r u c t u r e ss u r f a c e s c o n s i d e r i n g t h ef l u i da n ds t r u c t u r e i n t e r a c t i o ni sq u i t ed i f f e r e n tt h a nt h a to f n o tc o n s i d e r i n gt h ef l u i da n ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，i nw h i c ht h e w i n dp r e s s u r eo fu p w i n dw a l ld e c r e a s e s b u ts u c t i o no fd o w n w i n dw a l li n c r e a s e s w h e nt h ef l u i da n d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r e d t h ep r e s s u r e sa r ed i f f e r e n to b s e r v a b l yb e t w e e na v e r a g ew i n ds p e e d a n df l u c t u a t i n gw i n ds p e e d t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tg r e e n h o u s es t r u c t u r e sa r es e r i o u s l ya f f e c t e db y f l u c t u a t i n gw i n d ，w h e nt h ew i n dp r e s s u r eo fg r e e n h o u s es t r u c t u r e si sc o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，i ti sq u i t e n e c e s s a r yt oc o u s i d e rw i n dv i b r a t i o ne f f e c tt og r e e n h o u s cs t r u c t u r e s k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e ，w i n dv i b r a t i o ne f f e c t ，f l u c t u a t i n gw i n d ，f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，c f d l l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 王善良 时间：加么年月力目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生虢三示霞帆舻年月9 日 翩签名铷 时间：如g 年6 月f 7 同 1 1研究背景 第一章绪论 1 1 1 温室结构设施农业发展的方向 温室( g r e e n h o u s e ) 是一种全部或部分采辟j 透光材料覆盖，具有透光和保温性能的设备，它 可供冬季或其它不适宜栽培植物的寒冷地区栽培植物。其骨架一般由轻型薄壁钢材制成，故它与 民用建筑的显著区别就是自重轻、则度小。 随着我国农业经济的发展和综合国力的增强，温室工程逐渐发展成为设施农业的生长点”1 。 从7 0 年代起，我国的农业工程学家和农学家开始学习、借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致 力于温室工程的研究与开发工作。8 0 年代我国先后从日本、荷兰、美国、保加利、以色列等国 家引进现代化温室2 9 套，总面积3 4 万n 1 2 ，其中6 0 用于蔬菜生产，4 0 用于花卉苗木生产。与我国 农业发展的实际情况相结合，从“六五”到“八五”期间，一大批农业科技人员以节能、高效、 实用、低成本的设旆农业为目标，在优化日光温室、塑料大棚的设施结构和使用性能、温室园艺 作物栽培技术及其应用基础研究等方面做了大量工作，形成和推广了g p 系列装配式钢管大棚、目 光温室蔬菜高效节能栽培技术、高效节能实用无土栽培技术等一系列成果，使我国的温室和塑料 大棚面积由1 9 7 8 年的5 4 0 0 万m 2 发展到1 9 9 6 年的3 0 亿m 2 ，一跃成为世界设施面积最大的国家之一。 9 0 年代，我国农业的发展进入了战略转折阶段，我们一方面面临耕地减少、人口增长的供需 矛盾，另一方面经济、工业的发展和科技进步给温室工程发展带来了新的机遇。1 9 9 5 年，中国政 府和以色列政府达成了农业发展协议，在北京建立了进行工厂化农业示范的中以合作园艺场；上 海市政府在五个农业生产企业引进了荷兰和以色列的现代化温室1 5 万m 2 ，组织了跨学科、跨专业 的科技攻关队伍，进行了“引进、消化、吸收国外温室及蔬菜栽培技术”的重点科技兴农项目、 “工厂化农业示范工程”上海市重大科技攻关项目；国家科委组建了五个省市联合攻关的科技队 伍实施“工厂化农业生产技术研究”的“九五”农业攻关项目。所有这些都预示着我国温室工程 的发展，在有限的时空创造优质高产高效的农业，前景十分美好，2 0 0 4 年，中共中央、国务院下 发了“一号文件”，显示了党中央对“三农”问题的高度重视，温室作为我国设施农业发展的重 要方向，是增加农民收入的重要途径之一。 近代温室的发展经历了改良型目光温室、大型玻璃温室和现代化温室三个阶段，且至今各阶 段类型的温室依然并存。 1 1 2 抗风设计一温室结构设计中的重要环节 近年来，发生了多起温室结构在大风、大雪作用下倒塌的工程事故。例如，2 0 0 0 年浙江杭卅 的风灾、雪灾和云南昆明的雪灾，对农业建筑的影响造成3 0 0 0 多万元的直接经济损失，昆明花卉 大棚的倒塌直接导致全国花卉价格上涨一倍，直接影响到从业者的经济利益，社会影响较大。分 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 析这些温室结构事故发生的原因，其中除了温室建设者对温室结构安全的重要性关注不够的问 题，主要还是存在对温室结构设计理论研究不足的问题。 应该说，经过近十几年的研究，一些涉及到温室结构工程设计中的基本问题如温室结构荷载 取值”l 、温室结构可靠度设计【6 - 1 1 1 、温室结构优化 1 2 q 3 1 等问题都己得n t 较好地解决。但是由于 温室结构自身的特点( 重量通常都比较轻，刚度都比较低) ，导致风荷载成为温室结构设计考虑 的主要荷载，风荷载的大小将影响结构的安全和投资的经济效益。 近些年来，国内外对高层、高耸结构的风压分布，风振分析取得了重要的进展和研究成果， 并反映到相应的设计规范和规程中，而对温室结构的动力性能、风振分析等问题的研究尚处于起 步阶段。2 0 0 4 年，郭万东采用c f d 方法对温室表面风压分布进行了数值模拟研究【i 。风荷载对温 室结构的影响被忽视，甚至风荷载对温室结构的动力效应被忽略。我国2 0 0 2 年发布的温室结构 设计荷载国家标准也没有考虑风振对温室结构的影响。这种情况导致目前工程上只凭经验或参 用民用建筑规范进行设计，而没有很好地结合温室结构自身的一些特点1 1 ”。这样一方面可能造成 不必要的浪费，另一方面也不排除某些未预见到的隐患。因此可以说，温室结构抗风设计理论的 滞后性已成为制约这种结构类型进一步发展的瓶颈。因此对温室结构在使用阶段可能遇到的风荷 载情况，以及由此产生的结构响应做出准确的估算并采取有效地预防措施，一直是温室结构设计 中存在的重大问题。 鉴于以上分析，本文将以风荷载为出发点，通过考虑流一固耦合作用，对温室结构进行风振 分析，以了解其在风荷载作用下的动态行为，为温室结构在设计上提供有益的指导。 1 2温室抗风设计方法 就结构风荷载的主要研究方法而言，传统的手段主要是现场实测、模型实验和理论分析，而 数值模拟是近年来发展起来的新的研究方法1 1 6 - 1 7 1 。 1 2 1 现场实测和模型实验 结构风荷载最可靠的数据资料往往要由实验测量得到，采用全比例模型进行现场实测研究可 以预测由它完全复制的同类结构在相同条件下的风荷载情况。但在很多情况下这种全比例实验 是极其昂贵的，或者往往是不可能的。现场实测是最直接的研究手段，对于检验其它方法所得的 结果的可靠程度是不可缺少的，但无法在研究对象( 温室) 建造之前进行，属于事后预报机制。 同时现场实测也只能是记录一次或几次强风的结果，数据的随机性较大，不易把握。数值模拟风 场及风荷载可以很好地克服这一缺点，但是由于研究对象是复杂的三维结构，计算量大，以前的 微型计算机速度和内存容量均不能满足实际应用的需要，所以在很长段时间内是以实验室模拟 为主，特别是风洞试验是主要的研究手段。 风洞是一种很好的实验测量方法，但由于地面近地风的随机性和紊乱性，在风洞中很难真实 地模拟实际风场，又由于受试验条件、场所的限制，同一建筑可能有不同的试验结果，因此，风 洞实验结果与实际闯题可能存在较大出入，而且模型放大后的一般规律往往是无法得到的，其效 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 i 果自然也就很难掌握，这种缩小尺寸的实验模型并不总是能反映全比例结构的各方面特征。另外 风洞的建造仍需要大量的费用，试验周期也较长，同时建筑物前后的风场也不便观测。 1 2 2 理论分析 风是复杂的湍流流动，很难得出分析解。但不能因此忽视分析解的作用，这是因为分析解的 结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，同时它为检验数值模拟的准确度提供了比较的依据。 人们每当提出一种新的数值方法时，常常使用这种方法计算一个有分析解的问题，通过与分析解 的比较再对该方法的准确性做出评价。此外，有时简单情况下分析解的结果足以为发展新的数值 方法提供基础。 1 2 ，3 数值模拟方法 数值模拟”出自于一个数学模型的结果，而不是出自于一个真实的物理模型的结果。对于建 筑结构风荷载的物理过程，其简化的数学模型是一组偏微分方程。 随着计算机不断发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算机对真实物理过程进行数值模拟 数值实验”的计算流体力学方法也迅速发展起来。这种研究方法可以对建筑物周围的风场和 建筑物表面的风苟载的全过程直接模拟，并且能得到风场和风荷载等各物理量的连续分布信息， 可以广泛地设定条件进行多种工程状况的数值模拟。数值模拟方法速度快，成本低，计算灵活、 结果直观并且易于理解，这些都是实验研究所不能简单轻易实现的。 数值模拟的前提是建立数学模型和构造模型方程的算法。不能建立恰当的数学模型就不能得 到有价值的结果，没有可行的数值方法甚至得不到结果，计算机不能创造信息，发展规律，它只 能把人们所送入的信息按计算者所选定的规律进行加工和处理；另一方面，一旦建立了符合真实 物理问题的合理的数学模型，并且构造了有效的计算方法，数值模拟将发挥很大的作用，数值模 拟具有事前预报机制。 总之，由于理论分析，实验研究和数值模拟各有其适用范围，把三者巧妙的结合起来可以收 到相互补充，相得益彰的效果。 1 3结构风工程研究现状 结构风工程问题研究是风工程学科形成的起源，按照国际风工程协会的定义，风工程学科主 要研究大气边界层中的风与人类在地球表面的活动及其劳动成果之间的相互作用。具体地说，它 包括三个方面的分支f 1 8 - 1 9 l ： ( 1 ) 结构风工程：研究风和结构的相互作用，亦称结构风效应问题，特别是动力风效应， 即风致振动问题。 ( 2 ) 车船风工程：研究除航空航天飞行器以外的运载工具如汽车、船舶在高速运行时所受 到的空气动力作用( 广义地可包括体育运动中的风工程问题，如自行车、滑雪、标枪、铁饼等) 。 ( 3 ) 环境风工程：研究风引起的质量( 气体、液体或固体) 迁移( 如污染、扩散、风沙、风雪 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 等) 问题。 在风1 二程学科中，结构风工程问题作为学科发展的起源。始终处于核心的地位，也是历届国 际风工程会议中论文作者最多，规模最大的分组。此外，减轻灾害和保护环境又是人类面临的两 大使命，因而结构风工程和环境风工程的研究就更具有重要的意义。 经过半个世纪的发展，结构风工程研究己取得了许多成果，奠定了理论基础，为结构的抗风 设计提供了基本的参数和近似的风荷载和风振分析手段。f 面从两个方面介绍结构风工程的现 状。 1 3 1 结构风效应研究进展 建筑结构的风效应包括静力风效应和动力风效应。静力风效应是指由于结构上的静力风荷载 所引起的结构的静内力和静位移；动力风效应是指由结构的脉动风荷载和旋涡干扰力所引起的结 构的振动反应，包括动内力、动位移和振动加速度 2 0 - 2 1 】。 结构的静力风效应机理比较简单，结构的动力风效应机理非常复杂。结构的风致振动主要是 脉动风引起的抖振与尾流( 旋涡脱落) 引起的横风向振动和扭转振动，结构的风致振动是一个空 气弹性力学问题，以区别于研究固定物体绕流的空气动力学问题。结构的自激振动是由于结构的 运动使得风相对于建筑物的速度改变，造成风力随结构振动速度的变化而变化。自激振动又分为 以单一弯曲振型出现的驰振和以单一扭转振型或以弯曲、扭转二耦联振型的颤振。 据上可知，对于建筑结构来说，其风效应包括四个方面： ( 1 )结构的平均风静力反应； ( 2 ) 结构的脉动风振反应； ( 3 ) 结构的旋涡干扰风振反应； “) 结构的自激振动反应。 迄今为止，国内外对于风效应的研究取得了许多成果，大部分的研究都是针对桥梁以及高层、 高耸结构。 1 9 4 0 年发生塔科马悬索桥的风毁事故后，很自然地就想到了借用机翼颤振理论来解释桥梁的 发散振动，同时仿照机翼的节段试验进行了桥梁的节段试验。f b l e i c h ( 1 9 4 8 ) 和b f a r q t t h a r s o n ( 1 9 4 9 ) 是结构工程师研究风致振动的先驱者。a s e l b e r g ( 1 9 6 1 ) nk k l o p p e l ( 1 9 6 3 ) 通过系列试验建立了桥 面断面颤振i 临界风速的实用计算公式和不同断面的修正系数，成为指导桥梁抗风设计的重要手 段。 6 0 年代，s c a n l a nr o b e r th 【2 2 。4 发现对于大部分非流线形的桥梁断面，气动导数中的扭转阻 尼项随风速的增加会改变符号，即出现负阻尼，并由此驱动扭转振动的发散。他提出了桥梁的扭 转颤振机理以区别于机翼的古典耦合颤振。同时建立了在节段模型试验中识别气动导数的方法。 他的桥梁颤振理论经过补充和完善，至今仍是桥梁最危险的风致振动颤振分析的基石。8 0 年代起，由于y k l i n 在时域中分析了紊流对颤振稳定性的影响，提出紊流可能降低稳定性的论 点。随后，s c a n l a nr o b e ah 又进行了紊流风场中的气动导数识别，发现对于较钝的断面中，均 匀流和紊流风场下的气动导数的确有明显的差别。然而。由于紊流风场使风场的水平相关减弱， 总的来看，紊流风场中的颤振临界风速仍要高于均匀风场，而且发散比较缓慢。因此，他认为在 4 中国农业火学硕士学位论文 第一章绪论 抗风设计中可以把紊流看作是提高稳定性的有利因素加以忽略。大部分全桥气弹模型试验的结果 也证实了这一点。 9 0 年代初，a l a r s e n 用计算流体力学手段解出了流线形桥梁断面( 大海带桥) 的气动导数，进 而得出了颤振临界风速，并且和风洞试验的结果基本符合，迈出了气动弹性“数值风洞”的重要 一步。1 9 9 8 年，b o u r d e i xm a d e t h e r e s e 等口“采用一种改进的理论研究风对烟囱的影响，这篇文 章的创新性在于对空气弹性力和结构位移之间时间差的计算，通过使用压力系数能计算三维结 构，并且结点力能简化为面力，应用到二维结构中。2 0 0 3 年，d b u r t o n 等对悬索桥在风和雨作 用下的稳定性进行了分析。2 0 0 4 年，y l x u 等使用三维有限元模型对火车和悬索桥结构进行动 力分析，结果表明使用框架结构和相应地计算机程序能有效的预测火车与悬索桥系统在风荷载作 用下的动力反应。同年，s h u g u ol i a n g 等 2 6 1 对矩形高层建筑的扭转风效应进行了分析。 1 3 2 结构风荷载的研究成果 根据风对建筑物的作用机理，作用在建筑物上的风荷载可分为顺风向的平均风产生的静力风 荷载、脉动风产生的脉动风荷载及尾流旋涡干扰产生的荷载。作用在结构上的脉动风苟载是各态 历经的平稳随机过程。风的模拟主要是针对脉动风而言，有许多学者进行过脉动风的模拟。 1 9 9 7 年，李书进，虞晖，李桂青等口”根据脉动风压功率谱与脉动风速功率谱之间的关系， 利用风压功率谱密度函数矩阵的分解，通过一组余弦函数的和对过黄河渡槽随机形式的脉动风荷 载进行了计算机模拟。经检验表明，用此方法模拟的脉动风荷载样本较接近和满足自然风的特性， 能应用于工程实际之中。1 9 9 9 年，刘学利，胡大明等 2 8 - 2 9 j 根据高层、高耸建筑的特点，采用随高 度变化的风速谱，考虑风荷载的空间相关性，利用自回归模型模拟高层建筑的脉动风荷载，得出 该方法模拟高层建筑顺风向脉动风荷载可靠、有效。2 0 0 1 年，张黎明，徐恒幸p “在分析风荷载 基本特性的基础上，将快速傅立叶变换技术口f 1 ) 引入模型，给出了脉动风荷载的模拟方法，结 果表明：该模拟方法对高耸结构的脉动风荷载模拟不仅具有较高的精度和准确性，而且提高了计 算速度。2 0 0 1 年，张志强等p ”根据随机振动理论，分别按照星谷胜和m s h i n o z u k a 方法对合肥电 视塔顺风向脉动风荷载进行了模拟，并对其进行了检验，得出了符合合肥电视塔动力特性的人造 脉动风压时程样本，并利用所得到的脉动风压样本对电视塔进行了顺风向响应分析，得出：该塔 在脉动风荷载作用下，上塔楼的最大风振加速度响应超过了人体舒适度的要求，有必要进行风振 控制。1 9 9 9 年，苏成等【3 ”介绍了一种快速高效的用于大跨度桥梁风致振动分析的风场模拟方法， 并对模拟风场的统计性质进行了讨论和验证，在此基础上进一步给出了大跨度桥梁抖振力和自激 力的时域表达方式，并针对自激力计算中涉及的参数识别问题，提出了一种简单实用的非线性参 数识别方法，采用上述理论，他们获得了作用于香港汀九大桥上的风场和气动力，据此对大桥进 行抖振响应时域分析，表明：计算结果与风洞试验结果吻合良好。2 0 0 2 年，骆宁安等l j “首先分 析了一种宽域平稳随机过程的特性，然后基于频谱表达方法并利用k a i m a l 风谱函数的特性，提 出了一种模拟桥梁脉动风场的高效率方法，证明了采用本文方法模拟产生的脉动风场具有各态历 经性，满足目标互相关函数。2 0 0 3 年，李永乐等p 4 j 针对大跨度斜拉桥结构形式及振动型态的特 点，结合自然风的相关特性，提出了一种简化的三维脉动风速场模拟方法，将实际面状的三维脉 动风速场简化为多个线状的一维脉动风速场。基于谱解法，采用互谱密度矩阵c h o l e s k y 分解的显 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 式表达并运用f f t 技术，进行了三维脉动风场的模拟，并对模拟样本进行检验，结果表明模拟 值与目标值吻合良好。同年，韩大建等p q 将谐波合成法与修正的谱描述法结合用于大跨度桥梁主 梁及桥塔上的随机风场模拟。论述了利用谐波合成法对桥梁上顺风向风场的模拟过程，其中考虑 了风谱沿高度的变化、由不对称互相关函数引起的重谱以及与频率有关的相位关系，对涉及的复 数形式的目标谱密度阵给出了实用的分解方法。通过对风场样本进行风谱的相关性检验，得出的 结果与目标值吻合良好，证明了该模拟方法的可靠性。最后，使用该方法模拟生成_ 一座大跨度 斜拉桥上随机风场的样本。 由上可知：对平稳随机过程的模拟主要有自回归滑动平均法和三角级数合成法。 1 4 研究内容 针对温室结构的特点，风、雪荷载成为温室结构设计过程中的主要荷载，文中仅就温室结构 的风荷载进行了分析研究，主要的研究内容如下： ( 1 ) 采用n s 方程和标准r s 湍流模型做为c f d 计算的控制方程，建立温室结构与流动空 气场的有限元分析模型。 ( 2 ) 平均风荷载作用下，不考虑流固耦合，温室结构风压的数值模拟。 ( 3 ) 平均风荷载作用下，考虑流固耦合，温室结构的风压数值计算。 ( 4 ) 脉动风荷载作用下，考虑结构振动时流固耦合的风压数值计算。 ( 5 ) 脉动风作用下与平均风作用下，温室结构流固耦合的对比分析，给出温室结构风振效应 特征及其影响。 6 第二章风的描述及结构分析有限单元法基本原理 2 1风的基本特性 风速时程变化是一个随机过程，不是稳定的或规律性的变化。 大量风的实测资料表明，在风的顺风向风速时程曲线中，包括两种成分( 见图2 - 1 ) ：一种是 长周期成分，其值一般在1 0 m i n 以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据风的这一 特点，实用上常把顺风向的风效应公解为平均风( 即稳定风) 和脉动风( 也称阵风脉动) 来加以 分析。即： v ( = ，f ) = i ( ：) + vr ( ：，r ) ( 2 - 1 ) v ( t 1j p 彤加jj 圳毋? 4 。“，v ，| ，l ，q 白矿jj i * 弧| v 。“” 图2 - 1风的时程曲线示意图 f i g 2 - 1t h et i m e h i s t o r yc u p t co f w i n d 平均风与脉动风的组成比例取决于地面粗糙度。地面粗糙度大的地面上空，平均风速小，脉 动风幅值大且频率高；地面粗糙度小的地面上空，平均风速大，脉动风幅值小且频率低。 2 2风对结构的作用 风是大气层中空气相对地球表面的运动，其成因十分复杂。从本质上看，主要是大气层吸收 地球表面辐射热导致空气温度、密度、湿度不均匀，从而在大气层中形成压差，引起空气流动而 形成风。当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。将阻塞物体上 的风压沿表面积分，就可得到风作用力，称为风荷载。这种风的作用力有三个分力成分，即顺向 风力、横向风力和扭力矩。由风荷载产生的结构内力、位移、速度和加速度的响应，称为风效应。 与一般结构设计要求一样，风效应应满足结构对于安全性、适用性和耐久性的要求。在风荷载的 三个分量中，顺风作用是最主要的，一般工程结构均应考虑；横风向力则对于细长结构，尤其是 柔性圆截面结构，如烟囱、缆索等才须计算，对于柔性细长或不对称结构则应计算风扭力矩。因 此，文中的温室结构只考虑顺向风力“。 7 2 3 平均风特性 平均风是在给定的时间间隔内，对建筑物作用力的速度、方向及其它物理量看成不随时间变 化的物理量。平均风相对稳定，主要受风的长周期成分影响。由于风的长周期远火于一般结构的 自振周期，故这部分风本质是动力的，但与静力作用相近，可以认为其作用是静力的。 平均风速是风的一个重要统计特征，对于确定风力的大小具有决定性的意义。在工程应用上， 一般以十分钟的平均风速来确定风力的大小。 2 3 ，l 风剖面特。眭 由于地球表面的摩擦和地面物体的阻挡，空气在近地球表面的流动是一种随机的湍流，其高 度范围为大气边界层厚度( 占) ，大气边界层内空气流动的风速沿高度变化较大。 大气边界层以外范围内，地表对风的摩擦影响可以忽略不计，空气为自由大气，以梯度风速、 沿等压线、按层流流动p “。自由大气的起点就是大气边界层厚度万，起点高度成为梯度风高度， 用z 。表示，一般为几百米以上，超出了一般建筑物高度的范围，不属于建筑抗风设计所考虑的范 围。 影响风速的高度称为梯度风高度，梯度风高度与地面租糙度有关。地表面越是粗糙，摩擦作 用越厉害，其影响就越大。在大城市中，高楼林立，对风速的影响要比广阔的海洋大得多。在近 海海孟及大沙漠地区，影响风速高度约为3 0 0 m ；中等粗糙的地面( 如田野、乡村、丛林、斤陵 和城郊等) 影响风速高度约为3 5 0 m ；特别粗糙的地面，风速受影响的高度约为4 0 0 m 。平均风速 沿高度的变化规律，又称为平均风速梯度或风剖面，它是风特性的重要指标之一。 2 3 2 风速高度变化规律 近地面的平均风随着高度的变化，风速也在变化。平均风速沿高度的变化规律一般有两种表 达形式。即按实测结果推得的指数风剖面和按边界层理论得出的对数风剖面。 ( 1 ) 地面粗糙度及其分类 地面粗糙度是综合反映地表光滑度、地面障碍物尺度、密集度和几何布置方式的宏观表示。 地面粗糙度大小反映了空气流动受到的摩擦、阻碍和扰动及其对风速变化的影响。表2 - 1 是澳火 利亚地面粗糙度类别及地面粗糙长度。表2 1 是澳大利亚地面粗糙度类别及地面粗糙长度：表2 - 2 是中国地面粗糙度类别及梯度风高度、地面粗糙度指数。 表2 - 1 地面粗糙度类别及地面粗挝长度f 2 0 】 t a b l e 2 - 1c l a s s i f i c a t i o no f t e r r a i nr o u g h n e s sa n dt e r r a i nr o u g h n e s sl e n g t h 表2 - 2地面粗糙度类别及相应的口值【3 7 】 t a b l e 2 - 2c l a s s i f i c a t i o no f t e r r a i nr o u g h n e s sa n dc o r r e s p o n d i n g v a l u e “ ( 2 ) 指数风剖面 a g d a v e n p o r t 根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面，并提出平均风速沿高度变化的 规律可用指数函数予以描述。见式2 - 2 。 塑：f 三 “ v 6 l j ( 2 2 ) 式中，：。，v 6 标准参考高度和标准参考高度处的平均风速，大部分国家，标准参考高度常 取1 0 m ； = ，v ( z ) 任一点的高度和该点处的平均风速； 口地面粗糙度指数，地面粗糙度越大，a 也越大，见表2 - 2 。 ( 3 ) 对数风剖面 平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种主要方法。目前，气象学家认为用对数律表示 大气底层强风风速廓线比较理想，其表达式见式2 - 3 。 9 啦) 守1 、 协。， 公式参数详见表2 - 3 。 表2 3 对数风剖面公式参数 t a b l e 2 3p a r a m e t e r so f l o g a r i t h mf o r m u l a 2 4脉动风特性 风力中除了平均风外，还有脉动风。脉动风是随机变化的空气流动，它是导致结构风振动的 原因。脉动风以平均风速为平均值，脉动风流动速度既有大于平均风速、也有小于平均风速的成 分。在温室结构中，除了关心平均风外，脉动风也很重要，对温室结构产生动力作用的脉动风实 际上是一种三维的风湍流。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动”8 1 。在湍流 中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上 说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向 分布是随机的。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点物理量的脉 动。 风的湍流特性对风荷载会产生很大影响，了解风的湍流特性对于温室结构是非常有用的，主 要因为：第一，刚性结构及构件要承受脉动的随时间变化的风荷载，而引起风脉动的原因之一就 是湍流；第二，风速脉动将引起柔性结构表现共振放大效应。下面将介绍脉动风的湍流特性参数 1 6 1 。 2 4 1 湍流强度 湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流 运动特性的最重要的特征量，湍流强度定义为脉动风速均方根值与平均风速之比。湍流强度与平 均风速大小无关；与地面粗糙度有关，地面越粗糙，湍流强度越大；湍流强度与计算高度有关， 1 0 高度越大，湍流强度越大。湍流强度计算公式见式2 4 。e t 本规范湍流强度取值见表2 4 。 式中，0 ) 2 一高度z 处的湍流强度 f 0 ) 盯一g ) 谁) 一f 0 ) 高度z 处脓动风速均方根值 i ( z ) 高度= 处平均风速 表2 4 湍流强度【2 0 】 t a b l e 2 4t u r b u l e n c ei n t e n s i t y ( 2 - 4 ) 2 4 2 湍流积分尺度 大气湍流运动是由许多不同尺度的涡旋运动组合而成；不同大气尺度的涡旋运动有不同的特 性，在大气湍流运动中起着不同的作用；因此，在研究湍流时，定义了若干具有一定特性的代表 性的涡旋尺度来表征湍流中涡旋的平均尺度，对应与纵向、横向和竖向脉动速度分量“，v ，w 有关 的涡旋三个方向五y , z ，一共有九个湍流积分尺度? o = x , y , z ；j = 碥v ，w ) 。湍流积分尺度e 表示 纵向脉动速度有关的涡旋纵向的平均尺度。湍流积分尺度可用湍流相关函数表示为： z 2 寿胁。协 ( 2 5 ) 式中，r 。，( ，) 同一时刻r ，空间两点间的脉动速度“1 = u ( x ，y ，z ，f ) ，“2 = u ( x ，y ，z ，r ) 的空问 相关函数。 口。“1 和“2 的均方值。 2 4 3 脉动风的概率特性参数 脉动风速服从统计规律，可用统计的方法来描述，为随机过程，是一种随机动力干扰它对 中国农业大学硕士学位论文 第二章风的描述及结构分析有限单元法基本原理 结构的作用是动力的，必须用概率统计方法描述。因此对脉动风要了解它的概率分布特性和功率 谱密度函数。由对脉动风大量实测记录的样本时程曲线统计分析可知，若将平均风部分去掉，脉 动风速本身可用具有零均值的高斯平稳随机过程来模拟，且具有明显的各态历经性，功率谱密度 函数是其最重要的统计特征，反映了某一频率域上脉动风的能量大小。 目前关手脉动风速功率谱的公式有好多种：水平脉动风速谱如v o nk a r m a n 谱( 1 9 4 8 ) 、 d a v e n p o r t 谱( 1 9 6 1 ) 、h a r r i s 谱( 1 9 6 8 ) 、b u s c h - p a n o f s k y 谱( 1 9 6 8 ) 、k a i m a l 谱( 1 9 7 2 ) 、s i m i u 谱( 1 9 7 4 ) 、 巴斯金谱、西安热工所风速谱( 1 9 7 8 ) 等：竖向风速谱如p 锄o f s k y 谱( 1 9 5 8 ) ，l u m l e y - p a n o f s k y 谱( 1 9 6 4 ) 等。竖向风速谱要比水平风速谱小，对于高耸结构和高层结构通常只考虑水平谱的影响。下面简 单介绍几种。 ( 1 ) d a v e n p o r c 谱 现在在风工程界广泛承认的顺风向水平脉动风速谱为d a v e n p o r t 谱，也是我国规范所采用的 风速谱。它假设紊流尺度沿高度不变。加拿大风工程专家d a v e n p o r t 根据世界上的不同地点，不 同高度处测得的9 0 多次强风记录，提供了脉动风顺风向水平风速谱口的计算公式，我国规范也 采用了此式。该谱图为单峰状( 见图2 - 2 ) ，其函数形式见式2 - 6 ，地面粗糙度系数见表2 - 5 ，公式 中参数见表2 - 6 。 洲珈- - 蛐2 意知 ( 2 6 ) 图2 - 2d a v e n p o r t 谱 f i 9 2 - 2d a v e n p o r tt u r b u l e n c es p e c t r u m d a v e n p o r t 谱认为风紊流沿高度不变，实际上风紊流是随高度减弱的。所以d a v e n p o r t 谱比其 它风速谱的值偏太，而谱值偏大的范围正好是风频率与结构自振频率接近的地方，影响比较大， 故d a v e n p o r t 谱风速谱可能会过高估计结构的动力响应，其结果可能会偏于保守。 表2 - 5 地表粗糙度系数k t a b l e 2 - 5c o e m e i e n to f