风工程学习报告1 (4000字)

1/16风工程学习报告1(4000字)结构抗风理论与实验学习报告一、结构风工程研究的现状结构风工程问题研究是风工程学科形成的起源。经过半个世纪的发展,已经奠定了结构风工程的理论基础,可以满足一般结构的抗风设计要求。21世纪结构长大化、高耸化以及外形复杂化的趋势使结构风工程研究面临新的挑战,需要对现行的理论和方法进行精细化的改进和发展,同时开展有效风振控制方法的研究,为解决大型复杂结构的风工程问题作好准备。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。在风工程学科中,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,结构风工程研究已取得了许多成果,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载和风振分析手段。应该说,从工程应用2/16的观点看,对于一般的大跨、高耸结构,现有的理论和方法可以满足设计要求。下面分几个方面介绍结构风工程的现状,并对其发展前景作一展望。工程结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。任何建筑物、构筑物的设计，尤其是高层建筑、高耸结构和大跨度屋盖、大跨度桥梁这类柔性结构的设计，必须从设计上保证这些建筑物、构筑物在其设计寿命中的抗风能力，即在风荷载作用下的安全性、实用性和可靠性。二、结构抗风的理论基础结构抗风的理论基础是建筑空气动力学。建筑空气动力学是由流体力学、结构动力学、随机振动、概率论、控制论等多门学科组成的一门边缘学科。其研究方法包括理论分析、现场实测和风洞试验。风洞试验风洞试验时,要使风洞模拟的大气边界层流动与实际大气中的流动情况完全相似,则必须满足几何相似、运动相似、动力相似、热力相似以及边界条件相似等,这显然是不可能的,因此,只能针对具体的研究对象做到部分地或近似地模拟大气边界层。在风洞中进行建筑结构风荷载和风响应试验时，要求模拟速度层，即满足平均风速廓线和湍流结构特性相似。研究表明：在大气边界层底层强湍流场3/16中，湍流结构特性的模拟比雷诺数模拟更具重要性。在风洞中模拟速度边界层的主要方法是采用旋涡发生器的人工形成法和在长试验段中调节地面粗糙高度的自然生成法两种。目前的主要难点是地形对近地层风特性影响的模拟和风切边同时沿高度变化的模拟。在风洞中进行污染扩散实验时，则除了要求模拟速度边层外，还要求模拟温度边界层，满足平均温度廓线和温度层结特性相似。在风洞中模拟温度边界层的主要方法也有人工形成法和自然生成法两种。自然生成法是将加热的气流与被冷却的风洞底板产生热交换来生成。人工形成法是将气流通过一个可沿高度调节气流温度分层加热器来形成。在风洞中模拟温度边界层要比模拟速度边界层复杂，主要原因是在极低风速下才能形成比较稳定的温度层结，要求风洞试验段的风速在5m/s以下，极低风速对风洞流场将产生影响，因此，要进行综合优化设计。风洞试验另一个有待探讨的问题是洞壁干扰的影响、地面效应的影响和雷诺数的影响，即风洞试验的数据如何用于对工程的评估。数值计算近10年来，随着计算流体动力学的发展，除了在航空和航天领域中得到广泛应用外，在风工程领域中亦得到了普遍的应用，并形成了一个分支学科，称之为计算4/16风工程。在风工程领域中研究的问题通常是钝体的低速不可压流动，钝体绕流是一种复杂的非定常流动，在流场中有驻点流、分离、旋涡和尾流，给数值模拟带来一定的困难。首先是湍流模型，传统的k?湍流模型在处理外形绕流问题时，常常对驻点及附近区域流场的湍流动能预测过高；另一方面，在物体前缘，除靠近物体表民的薄层外，流场的涡量却很低，因此，在计算风工程研究中湍流模型一直是最关注的课题。其次是在求解三维不可压N?S方程时，为了应用各种可压缩流的数值计算方法，可以采用虚拟压缩方法。但是，在计算黏性流动时收敛困难，稳定性差，特别是网格数增加后问题更突出，因此，在计算风工程研究中，提高虚拟压缩方法求解定常不可压流问题的收敛性，亦是一个重要的研究内容，最后针对风工程研究的对象要解决动态非定长流场的数值计算方法，目前采用离散涡方法是一种技术途径，但是需要提高精度。现场测试现场测试是一种直接的研究方法，例如：测量局部地区的风谱，在建筑结构表面用传感器测量风荷载和数据处理，总结经验或半经验的污染物迁移和扩散的模式等。现场测试较真实地对工程模拟的结果进行验证，但是5/16要花费大量的人力、物力和时间。特别是由于现场测试时，气象条件和地形条件等难以控制和改变，因此，用这种方法进行规律性的研究是很困难的。三、结构风工程1.风风是地球大气层中空气的流动。由于地球上气温高的地方空气密度小，气压就低，而气温低的地方空气密度较大，气压高。这样空气由气压高的地方向气压低的地方流动，就产生了风。地球上的风大体上可分为以下几种：信风季风热带气旋温带气旋龙卷风2.风灾风灾的基本知识：风灾，是指因暴风、台风或飓风过境而造成的灾害。风灾与风向、风力和风速等具有密切关系。风向、风力、风级和风速风向，是指风吹来的方向，例如由北方吹来的风叫北风。风向通常可由风向标等观察出来。风向标箭头指向的风向就是风吹来的方向。风力，是指风的力量。风力的大小与风速大小成正比。6/16风级，风力的等级。一般分为十二十三级，速度每秒米以下的风是零级风，米以上的风是十二级风。按风力的大小，还可分为无风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、疾风、大风、烈风、狂风、暴风和飓风。微风风速2米/秒3米/秒，相当于2级风，旗帜微微飘动，草微动，细树枝微动；和风风速4米/秒7米/秒，相当于34级风，旗帜展开并飘动，草不停地摆动，细树枝晃动；强风风速8米/秒12米/秒，相当于56级风，旗帜刮成水平并哗哗作响，草倒于地面，粗树枝摇动。平均风力达6级或以上，瞬时风力达8级或以上，以及对生活、生产产生严重影响的风称为大风。大风除有时会造成少量人口伤亡、失踪外，主要破坏房屋、车辆、船舶、树木、农作物以及通信设施、电力设施等，由此造成的灾害为风灾。3.概率论基础风荷载是一种随机荷载，其荷载大小由风速大小来决定，而风速的大小随机变化，不重复出现。工程结构的设计者要预计该结构在其使用寿命内可能遇到的最大风荷载，必须研究结构所在地区风荷载的统计规律，这就要用概率论方法来进行分析。要确定一组随机变量的概率密度函数和概率分布函数一般不容易。在实际问题中，往往只需要知道随机变量7/16的几个主要特征就够了。这时可以用少数特征值来描述随机变量的主要特点。4.基本风速和基本风压由图可以看出，不但某一地区某次风速的大小是随机变量，同一次风的风速又因建筑物所在地貌，测量高度，测量时间等因素而变化，故需对风速的测量作一规定，以便不同地区风速或风压的比较。在这一规定的地貌条件、测量时距和规定的概率条件下确定的风速称为基本风速，相应的风压称为基本风压。1.风载体型系数由于建筑物同一个面上各点的压力系数并不相等，常取一个面上各点压力系数的平均值作为该面的体型系数。测点的布置可以不均匀，这时将各点的实测值乘以相应的面积加权后平均。风载体型系数的特点建筑物迎风面一般为正压力。压力值在该面中间部分较大，边缘部分较小。建筑物背风面受负压力。整个背面的负压力分布较为均匀。当风平行于建筑物的侧面时，两侧通常为负压力。8/16除了形状的影响外，建筑物的各向尺寸比例也影响体型系数的取值，如对高层建筑来讲，一般高宽比越大，体型系数也增大。四、脉动风的概率特性风荷载包括平均风对结构的静力荷载和脉动风对结构的动力荷载。脉动风荷载是随机荷载，它使结构产生随机振动。要分析结构在脉动风作用下的随机响应，必须了解脉动风的概率特性，包括其概率分布、功率谱、空间相关性等。平均风特性包括平均风速、平均风向、风速廓线和风频曲线。风速廓线可以用对数律或指数律表示，对于高耸建筑物通常用指数律表示。当用指数律表示时，风速廓线指数与地面粗糙度有关。在我国规范中将地面粗糙度分为4类，而在欧洲和日本规范中分为5类。因此，如何对地面粗糙度进行分类，合理选取风速廓线指数值尚有待进一步研究。另外，在工程结构设计时，如何确定设计最大风速，即根据重现期内年平均最大风速的分布规律用概率分布函数求得最大风速，目前，各个规范规定的重现期不尽相同。如何根据不同的工程结构，选取不同的重现期和合理确定设计最大风速，并考虑其风向概率将直接影响工程结构的安全性和经济性，为此必须要有长年的气象记录。9/16脉动风特性包括脉动风速、风向变化、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱和空间相关系数等。脉动风特性对工程结构的风荷载和风响应有重要的影响，是大气边界层中风特性研究的重点。目前主要困难是缺少对大气湍流运动的实测数据，因此，在工程结构设计中选用风参数时不尽合理，一般偏于保守。另外，以风谱而言，目前国际上通用的是Davenport谱、Harris谱和Kaimal谱，它们是属于中性大气稳定度下的功率谱，其谱峰及峰值频率不尽相同。北京大学在虎门桥址现场对台风的风谱测量结果表明，与通用的风谱比较，低频成分明显偏高。脉动风速功率谱须由强风观测得到的风速记录得出。常有两种途径把强风观测记录经过相关分析，建立相关函数曲线，再由傅立叶变换求功率谱的数学表达式。把强风记录时程曲线，通过超低频滤波器，直接测出风速的功率谱曲线。脉动风本质上是三维风紊流，包括相互正交的顺风向、横风向水平紊流和垂直方向紊流。在横风向和垂直方向脉动风速的均值为零。对一般结构而言，横风向与垂直方向的风紊流的效应比顺风向紊流的效应要小很多。横风向风紊流对结构的效应一般可忽略不计。垂直方向的风紊流对某些特殊结构一般也忽略不计。我国规范中不直接用紊流度来表示脉动风速根10/16方差与平均风速之比随高度的变化，而用脉动系数来表示脉动风压根方差与平均风压的关系随高度变化。定义：脉动系数为一定保证率的脉动风压与平均风压之比。五、结构风效应基本理论结构静力风效应机理比较简单，而动力风效应机理非常复杂。结构的强迫振动主要包括脉动风引起的抖振与尾流激励引起的横风向和扭转振动。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。这种由于建筑物的运动而产生的附加动荷载称为空气动力阻尼，空气动力阻尼改变了结构运动的阻尼力。当结构受到的总阻尼力为负值时，结构的风激振动就会趋于发散，即振幅愈来愈大，最终导致结构的破坏。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连振型出现的颤振。雷诺数的定义是流体的惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时，流体的流动以粘性作用为主，这时与流体接触的任何固体的表面附近都会形成层次十分清楚的边界层，流体在边界层的速度由小到大，层与层之间的能量传递由粘性力在分子尺度范围内完成。当雷诺数较大11/16时，流体的流动以惯性力为主这时与流体接触的任何固体表面的边界层十分紊乱，层与层之间存在大尺度的能量交换。在流体力学中前者称为层流，后者称为紊流。在雷诺数极低的情况下，对于任何截面的物体，附面层的各层气流都能贴着结构表面，按结构的外形一层一层地流过。当雷诺数较大时，附面层气流将会在截面尖锐棱角处或在结构侧面、尾部某处发生流动分离。分离区的负压使气流产生规则的或凌乱的旋涡，这就是著名的旋涡脱落现象。这一现象最早由冯卡门在1911年提出，因而常称为卡门涡街。旋涡发放的规律对于圆柱体结构来说，由于圆截面没有尖锐棱角，分离点和分离区的位置与雷诺数有直接关系，因而旋涡脱落的规律也与雷诺数的大小有关。5300?R?3?10?a）亚临界范围：。在亚临界范围，旋涡以确定的频率周期性地脱落，使结构产生周期性的确定的振动。但只有风速较小时雷诺数才在这一范围。553?10?R?10?b）超临界范围：旋涡脱落很不规则，使结构产生随机振动。5R?10c）跨临界范围：?涡道重新建立，旋涡12/16规则地脱落，使结构产生周期性的确定振动。如结构的自振周期与旋涡脱落周期接近，将产生严重后果。结构扭转风振圆柱体细长结构、塔架的风致扭转振动效应很小，通常不予考虑。但对于横截面的一个方向的尺寸比另一个方向的尺寸大很多的片状结构，如悬索桥、斜拉桥，或是横截面尺寸较大，长宽比较大的矩形高层建筑，其风致扭转振动响应是相当大的。引起结构扭转振动的原因主要由四个：结构的横截面质心与刚心不重合，因而引起结构的横风向、顺风向与扭转向三维振型的耦连。这时横风向顺风向扭转荷载都能引起结构的扭转振动。结构质心与空气动力中心不重合，这时顺风向横风向动力风动力荷载都能对结构产生动扭转。风紊流引起的脉动风压在结构周围的不均匀分布形成随机脉动扭矩。旋涡的随机发放使结构的背面和侧面的风压不对称脉动引起的动扭矩。结构在风力作用下的自激振动动力风荷载使结构发生振动。结构的振动又使得风相对于结构的速度的大小和方向都发生变化。这样结13/16构上的风力就随着结构运动的速度的改变而改变。由于结构的运动而产生的这部分动力称为空气气动阻尼力。因为这一阻尼力就是结构速度的函数又称之为自激振动。这样，风荷载下结构振动就包括与其运动无关的动力风荷载引起的强迫振动和与其运动相关的动力风荷载引起的自激振动。自激振动力可以与结构阻尼力合并在一起成为系统的阻尼力。工程中的某些结构在强风作用下其自激振动与结构阻尼力的代数和可能成为零或负值。阻尼力为负的体系能够从来流中不断汲取能量，使振动的幅值越来越大，直至结构发生严重的损坏。这种现象称为结构的空气动力失稳。工程结构的空气动力失稳主要有两种：一是平动失稳，称之为驰振，一种是扭转或平动和扭转两个振型的联合失稳，称之为颤振。六、高层建筑结构抗风计算风荷载是高层建筑的主要侧向荷载之一。在非地震区和沿海地带。常常成为结构设计的控制荷载。近年来，高层建筑正向着轻质、高柔、小阻尼的方向发展，钢结构超高层建筑建筑越来越多。这些高层建筑的抗风计算在其结构设计中占有十分重要的地位，甚至是决定性的地位。14/16高层建筑在风荷载作用下的失效形式主体结构开裂或损坏，如位移过大引起框架、剪力墙、承重墙裂缝或结构主筋屈服层间位移引起非承重墙开裂局部风压过大引起玻璃、装饰物、维护结构破坏建筑物长期的频繁大幅度摆动使居住者感到不适长期的风致振动引起结构疲劳破坏高层建筑的安全界限有强度界限、刚度界限、舒适度界限和疲劳破坏极限。工程上通常采用变形破坏准则来控制建筑结构与构件在风荷载作用下的安全性。高层建筑维护结构风荷载的确定有两种方法：规范方法和标准方法。高层建筑的动力特性高层建筑结构的动力特性是指其自振频率，阻尼比和振型。对于风振计算来说，通常只考虑其某一个方向的基阶自振频率、基阶振型阻尼比和基阶振型函数七、高耸结构抗风设计高耸结构是指其宽度和深度远小于高度的瘦长结构。主要指烟囱、输电塔、石油化工