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桥梁抗风设计 第三讲 主讲教师 杨詠昕副研究员 博士 设计风速确定 1 2 平均风空间效应 1 边界层自然风 3 平均风时间效应 4 脉动风时间效应 5 脉动风空间效应 2 1 边界层自然风 1 1地球大气层 图1大气层分布图 3 大气层 Atmosphere 地球表面薄层空气厚度1000km 地球直径 大气边界层 ABL 对流层底部10 厚度 1000m梯度风高度 建筑物高度 对流层 Troposphere 大气层底部1 厚度 厚度10 000m飞行高度 最高山峰 地表层 SurfaceLayer 大气边界层底部10 厚度100m风速剧烈变化 粗糙层 RoughnessLayer 地表层底部10 厚度10m地表粗糙元 1 1地球大气层 续 4 1 2自然风纪录 1 风速是脉动的 不是平稳的 2 8分钟内的平均风速变化不大 3 平均风速随高度增大 4 脉动分量与平均风相比较小 图2自然风实测纪录 5 1 3自然风谱模型 图3自然风谱理论分析模型 6 1 3自然风谱模型 续 1 脉动风能量分布特点主峰 年 4天 1天 1分钟等低谷 10分钟至60分钟 2 低频能量分布特点周期 4天至5天特点 实际大气系统移动周期 4 高频谱峰能量取决于平均风速 3 高频能量分布特点周期 1分钟特点 实际脉动风周期 7 1 4自然风计算模型 1 脉动风与平均风相比很小 U z t U z u z t U z 随机变量 与时间无关均值u z t 随机过程 与时间有关方差 2 脉动风低谷特性利用 8 2 平均风空间效应 2 1风剖面特性 地表粗糙度越大 梯度风高度越高 梯度风风速相等 相同高度的平均风速随粗糙度变化 9 2 2基本风速 定义 高度 10米 时距 10分钟 重现期 100年 确定 抗风规范 全国基本风速分布图表 桥梁抗风统计中最基本和最关键参数 气象站统计 当地气象站最大概率分布模型 桥位实测 桥位实测结果相关性分析 10 2 3指数律模型 PowerProfile 相同场地 不同场地 梯度风高度 m 幂指数值 无量纲 2 4对数律模型 LogarithmicProfile 基本公式 相同场地 粗糙高度 m 地表剪切风速 Karman常数 0 4 11 2 5设计基准风速 指定高度设计风速 计算公式 Vz1和Vz2 地面以上高度z1和z2处的风速 和z0 地表粗糙度系数和粗糙高度 地表分类 12 地表类别确定范围 确定范围内存在两种相隔类别时 可取平均值 确定范围内存在两种相近类别时 可取较小值 桥梁上 下游为两种不同类别时 可取较小值 2 5设计基准风速 续 13 2 6基准风速取值 计算公式 基准高度 14 平均风速 统计时距 周期T时距T越大 风速U越小 极值 型 极值 型 重现期T越大 期望风速UT越大 极值 型 3 平均风时间效应 3 1统计时距 3 2重现期 15 3 3施工阶段设计风速 计算公式 Vsd 不同重现期下的设计风速 风速重现期系数 风速重现期系数 施工期少于3年时 采用不低于5年重现期的风速 施工期一般偏于安全地取用10年重现期 16 3 4风速统计分析 数据抽样 样本一致性处理 10米高度 10分钟平均 极值样本抽取 越界峰值 阶段极值 概型检验 概率曲线相关系数方法PPCC检验与三种极值分布的相关关系参数估计 极大似然估计或最小二乘法三种极值分布中的参数 2或3个 统计分析 用风速分布概型计算期望风速 17 4 脉动风时间效应 4 1紊流因子 Gustfactor 峰值效应 地表粗糙度越大 紊流因子越大水平加载长度越大 紊流因子越小离地高度越大 紊流因子越小台风强度越大 紊流因子越大 18 4 1紊流因子 续 静阵风系数 水平紊流因子Gu 成桥状态下 水平加载长度为主桥全长桥塔自立状态的静阵风系数按水平加载长度小于20m选取悬臂施工中的水平加载长度为已拼主梁长度 19 4 2紊流强度 Turbulenceintensity 平均强度 地表粗糙度越大 紊流强度越大离地高度越大 紊流强度越小中国规范 Iu Iv Iw 1 0 88 0 50欧美规范 Iu Iv Iw 1 0 80 0 50 20 4 2紊流强度 续 水平紊流强度Iu 紊流强度的变化范围可达 30 21 4 3功率谱密度 互谱函数 Co Spectrum 正交谱函数 QuadrateSpectrum 当i j时 称为自谱密度当i j时 称为互谱密度 22 4 3功率谱密度 续 水平风谱 竖向风谱 周围建筑物平均高度 m 23 5 脉动风空间效应 5 1紊流积分尺度 Integralscale 相关区域 积分尺度 欧美规范 自然风 风洞中 比例 1 250 1 200 24 5 1紊流积分尺度 续 紊流积分尺度基准值 紊流积分尺度模拟与紊流强度模拟一般会有矛盾保证紊流强度模拟 25 Davenport公式 f r exp fr U 风场相关系数