设计风速确定

1、同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第三讲主讲教师主讲教师：杨詠昕 副研究员博士副研究员博士设计风速确定 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1. 边界层自然风u 1.1地球大气层图1 大气层分布图Roughness ElementFree Atmospheregradient heightground surface101102103104地表层大气边界层对流层大气层粗糙层Roughness LayerSurface LayerBoundary Layer Atmosphere

2、TroposphereAtmosphere离地高度(m)梯度风高度Q大气层(Atmosphere): 地球表面薄层空气 厚度1000km( 地球直径)Q大气边界层(ABL)：对流层底部10%，厚度1000 m 梯度风高度，建筑物高度Q对流层(Troposphere)：大气层底部1%厚度，厚度10,000m 飞行高度，最高山峰Q地表层(Surface Layer)：大气边界层底部10%，厚度100m 风速剧烈变化Q粗糙层(Roughness Layer)：地表层底部10%，厚度10m 地表粗糙元121u 1.1 地球大气层(续)u 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

3、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012345678Time (minutes)204060Wind Speed (mph)503 ft.210 ft.40 ft.图2 自然风实测纪录u 1.3 自然风谱模型图3 自然风谱理论分析模型PERIOD.11.01010010005 secmin5 minHourDay4 Day.01(Cycles / HR)Year10-3Power Spectrum n.sMacrometeorologicalMicrometeorologicalMean WindGustsStormBreezeu 1.3 自然风谱模型(续)

4、 (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 u 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022001( )( , ) T=1060 min11( , )0( , )TTTuU zU z t dtTuu z t dtuz

5、t dtTT； 2. 平均风空间效应u 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 u2.2 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u 2.3指数律模型(Power Profile)相同场地:不同场地:112 )2()()(UzzUzz2111212221( )() ()()U zzUzz1梯度风高度(m);2、1幂指数值(无量纲)2、u 2.4对数律模型(Logarithmic Profile)

6、 基本公式: 相同场地:*0( )ln()zUzkz101220ln(/)( )()ln(/)zzU zU zzz粗糙高度(m);0z地表剪切风速*Karman 常数， 0.4kku 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地表类别地表分类zo(m)(m)A海面、海岸、开阔水面、沙漠0.120.01300B田野、乡村、丛林、平坦开阔地及建筑物稀少地区0.160.05350C树木及低层建筑物等密集地区、中高层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地0.220.30400D中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地0.301.

7、004501122)(zzVzzV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u 2.5 设计基准风速(续)u2.6 基准风速取值计算公式：基准高度基准高度(m)悬索桥、斜拉桥其他桥型Z主梁主跨桥面距水面或地表面或海面的平均高度取下列二条中的较大值：支点平均高度+0.8桥面高差桥梁设计高度吊杆、索、缆跨中主梁底面到塔顶的平均高度处桥塔(墩)水面或地面以上塔(墩)高65%高度处3001120116011201101105640107850100001101741.D.C.B.Ad)Z(.,K)Z(.K)

8、Z(.,K)Z(.KVKV平均风速:dttzUTzUT0),(1)(统计时距: 周期T 时距T 越大,风速U 越小1ln ln(1)TTUba极值型:极值型:重现期T 越大、期望风速UT 越大极值型:1lnln(1)/TUbaexpT1ln ln(1)/()TUbaexpT 3.平均风时间效应u 3.1统计时距u 3.2重现期u3.3 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dsdVV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年重现期重现期(年)510203050100系数0.780.840.880.920.951.0u3

9、.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22 )()()( )()()(DMDMxxDMDMxxiiiiD4. 脉动风时间效应u4.1 紊流因子Gust factor (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UwGUvGUuUGwvumaxmaxmaxu4.1 紊流因子(续)静阵风系

10、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水平加载长度水平加载长度(m)地表类别地表类别1500A1.29 1.28 1.26B1.35 1.33 1.311.291.271.20C1.49 1.48 1.451.411.391.371.361.341.331.311.301.29D1.56 1.54 1.511.471.441.421.411.391.371.351.34

11、1.32u4.2 紊流强度Turbulence intensity(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=1:0.80:0.50UIUIUIwwvvuuu4.2 紊流强度(续)水平紊流强度Iu紊流强度的变化 范围可达30%地震类别离地高度(m)ABCD10 Z 50.2920 Z 3030.2930 Z 4010.2840 Z 5000.2650 Z 7080.2470 Z

12、10070.22100 Z 15060.19150 Z 20050.18u4.3 功率谱密度 互谱函数 (Co-Spectrum) 正交谱函数 (Quadrate Spectrum)( )( )()()(),( )exp()(2)(fSfSfiSfSfSwvujidiRfSQijCijQijCijijijij当i=j时，称为自谱密度 当ij时，称为互谱密度u4.3 功率谱密度（续）水平风谱：竖向风谱：HKKzHzzzzzKVuzVnzfffunnSffunnSddwu4 . 0ln)()()41 (6)()501 (200)(0

13、0*22*3/52*周围建筑物平均高度(m)5. 脉动风空间效应u5.1 紊流积分尺度 Integral scale (相关区域)积分尺度=欧美规范： 自 然 风：风 洞 中：wzwywxvzvyvxuzuyuxLLLLLLLLL 020202)(1 ,)(1 ,)(1212121dzzRLdyyRLdxxRLwwwwzvvvvyuuuuxmmLmLzLzLzLLLLuxuxwzvyuxwzvyux5 . 02 . 01005038. 0 ,73. 0 ,93. 2125. 0:25. 0:1:比例： 1:2501:200u 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紊流积分尺度(m)离地高度(m)紊流积分尺度(m)离地高度(m)Z 10502050 Z 701206010 Z 20703070 Z 1001407020 Z 30904