同济大学-自然风特性(精)

同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁及结构风振理论及其限制来自——之其次讲主讲老师：葛耀君博士．教授自然风特性

2、平均风空间特性

1、边界层自然风

3、平均风时间特性

4、脉动风空间特性

5、脉动风时间特性同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室

1.边界层自然风

1.1地球大气层图1大气层分布图RoughnessElementFreeAtmospheregradientheightgroundsurface101102103104地表层大气边界层对流层大气层粗糙层RoughnessLayerSurfaceLayerBoundaryLayerAtmosphereTroposphereAtmosphere离地高度(m)梯度风高度同济大学土木工程防灾国家重点实验室

1.1地球大气层大气层(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左右(风速猛烈变更)粗糙层(RoughnessLayer)：地表层底部10%，厚度10m左右

(地表粗糙元)同济大学土木工程防灾国家重点实验室

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更不大(3)平均风速随高度增大(4)脉动重量与平均风相比较小图2自然风实测纪录同济大学土木工程防灾国家重点实验室

1.3

自然风模型图3自然风谱理论分析模型PERIOD.11.01010010005secmin5minHourDay4Day.01(Cycles/HR)Year10-3PowerSpectrumn.sMacrometeorologicalMicrometeorologicalMeanWindGustsStormBreeze同济大学土木工程防灾国家重点实验室

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:实际脉动风周期同济大学土木工程防灾国家重点实验室

1.4

自然风分析模型(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同济大学土木工程防灾国家重点实验室

2.平均风空间特性

2.1风剖面—离地高度特性(1)指数律模型(PowerProfile)

相同场地:

不同场地:——梯度风高度(m);、——常指数值(无量纲)、(2)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同济大学土木工程防灾国家重点实验室(3)复合体模型(ComplexProfile)表1.场地分类表类别ⅠⅡⅢⅣ幂指数20.30粗糙度(m)0.010.050.301.00梯度风高度(m)500600700700

2.1风剖面(续)

2.2

场地类别同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)热力对流稳定层和非稳定层(2)地理位置地形、地貌、建筑群(3)非良态气候龙卷风、台风、雷暴风、飓风等

2.3风场环境同济大学土木工程防灾国家重点实验室平均风速:统计时距:周期T时距T

越大,风速U

越小极值Ⅰ型:极值Ⅱ型:重现期T

越大、期望风速UT越大极值Ⅲ型:

3.平均风时间特性

3.1统计时距

3.2重现期同济大学土木工程防灾国家重点实验室数据抽样:越界峰值、阶段极值分布概型:极值分布、皮尔逊分布、对数正态等参数估计:极大似然法、最小二乘法、矩法等统计检验:概率曲线相关系数法PPCC最大风向系数法:刚性结构的简化计算联合分布概型法:现有条件的好用方法平稳随机过程法:理论上的精确方法

3.3风速分布

3.4风向影响同济大学土木工程防灾国家重点实验室

4.脉动风空间特性

4.1紊流因子——Gustfactor(峰值效应)第Ⅰ类和第Ⅱ类场地:第Ⅲ类场地:问题:①umax和U不独立②非统一统计量③试验方法重要性同济大学土木工程防灾国家重点实验室

4.2紊流强度——TurbulenceIntensity(平均强度)欧美规范:中国规范:问题:①和依靠于时间②和之间关系困难近似公式:同济大学土木工程防灾国家重点实验室积分尺度矩阵：欧美规范：紊流尺度：自然风：(TurbulenceScale)风洞中：比例：1:1000~1:500

4.3积分尺度——IntegralScale(相关区域)同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.4相干函数—SpacialCoherenceFunction(空间相关)区分于相关函数—TimeCorrelationFunction(时间相关)自相关函数(Auto-correlation)相互关函数(Cross-correlation)(1)Panofsky&Dutton公式同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)Panofsky&Dutton公式(续)同济大学土木工程防灾国家重点实验室(2)Davenport公式(3)ECCS公式同济大学土木工程防灾国家重点实验室

5.脉动风时间特性

5.1紊流功率谱密度当

时，称为自谱密度(1)功率谱密度——互谱函数(Co-Spectrum)——正交谱函数(QuadratureSpectrum)当

时，称为互谱密度同济大学土木工程防灾国家重点实验室

5.1紊流功率谱密度(续)(3)相关函数(4)能量与方差相互关函数:能量:方差:(2)相干函数定义同济大学土木工程防灾国家重点实验室

5.2Kolmogorov理论(1)水平脉动风谱基本理论:VonKarman谱:基本条件:Davenport谱:同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)水平脉动风谱(续)Simiu谱:(2)垂直脉动风谱(续)Panofsky谱:Lu