浅析结构风工程的研究方法

浅析结构风工程的研究方法

摘要：结构风工程是土木工程领域的一个热门话题，已经引起了越来越多人的关注和研究。本文介绍了结构风工程的历史，脉动风的概率特性，并总结了结构风工程的研究方法，可以为结构风工程的研究提供一定参考。

关键词：结构风工程；脉动风；研究方法；健康监测

一. 结构风工程的历史

工程结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。结构风工程就是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。

风工程的第一个历史转折点是1760年，John Smenton提出了最早的风力计算公式：。第一个转折点的意义是对于平均风作用的认识。

第二个历史转折点是1879年泰河铁路桥梁的倒塌和1889年埃菲尔铁塔的建成。泰河铁路桥是一个84跨的铁桁架桥，被一阵30-35m/s 的风吹倒，而此桥梁的设计风速是36m/s. 埃菲尔铁塔在设计的时候就考虑了脉动风的影响。第二个转折点的意义是认识到了脉动风的影响。

第三个历史转折点是1940年，美国塔科马大桥的倒塌。塔科马悬索桥主跨853米，建好不到4个月，就在一场风速不到20m/s的在海峡产生上下和来回扭曲振动而倒塌了。第三个转折点的意义是人们认识到了风的动力作用。

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。

二. 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。

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。

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：

（1）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。

（2）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。

三. 结构风工程的研究方法

结构风工程的研究方法主要有三种：理论分析，风洞试验和CFD模拟。

理论分析

结构风效应的组成为：

空气力模型的组成：

L、D、M分别为升力，阻力和升力矩，后面三项分别为静力量，自激励分量和强迫力分量。

对于静力分量：

、、分别为升力系数，阻力系数和升力矩系数，这三个系数都是α的函数，取值与B有关。

静风的响应包括位移，风压，反力和静风稳定性。位移主要包括2个线位移和1个角位移；风压主要为结构上表面局部位置垂直于表面的风压；反力包括2个力和3个力矩；静风稳定性主要为桥梁的扭转或侧向发散。

对于自激力分量：

对于强迫力分量：

风洞试验

风洞试验的历史：1871年Frank Wenham在英国建立世界上第一个风洞，1901年建立了美国的第一个风洞；1917年建立了第一个现代化的风洞；1960年Davenport建立了第一个边界层风洞。

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。

CFD数值模拟

CFD是运用数值的方法和运算法则来解决与流体有关的问题。CFD的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD的长处是适应性强、应用面广。以往工程结构的抗风研究主要采用试验的方法在风洞中完成，主要有以下优点：1）成本低，所需周期短、效率高；2）不受模型尺度的影响，可以进行全尺度的模拟，克服风洞试验中难以满足雷诺数相似的困难；3）可以方便的变化各种参数，及早发现问题。总之，CFD较之风

洞试验又诸多优点，CFD正逐渐成为辅助传统风洞试验的强有力工具。

四.结构的健康监测

结构的健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应，以达到检测结构损伤或退化的一些变化。基于风的结构的健康监测系统主要有以下作用：1）监控风环境和评估荷载状况；2）检验现代抗风设计体系；3）核实新的分析方法和电脑模拟；4）评估结构的性能和预测破坏情况；5）帮助人们在紧急情况下做出快速准确的决策。

监测系统的构成包括传感系统、数据采集与分析系统、安全监测和寿命评估系统。传感系统主要包括加速度传感器、拾振器、光纤应变传感器、风速风向仪等传感器及其相应的信号放大、调理和接口装置；数据采集与分析系统用来接收传感器的信号并将数据处理成后继工作所需的格式，输出为经过过滤和压缩简化后的传感器数据、频谱数据以及其他特征数据；寿命评估的依据主要有设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准等信息，评估系统的目标是根据获得的大量信息，科学的、客观的评价结构的运行状态和安全性。

风环境的监测一般可采用风速计，常用的有风波风速计和声波风速计。风波风速计的量程为风速小于90m/s，声波风速计的量成为风速小于60m/s。风荷载的监测还包括风压监测和风振监测。风压监测应与结构的风致响应相结合，已建立起有效的荷载响应关系，实现强风灾害的预警，以及风荷载作用下结构的损伤识别及性态评估。

五. 结束语

风工程研究的内容很多，有广阔的发展前景，它既要解决实际的工程问题又要注重风工程学科发展。风工程研究要走风洞试验、数值计算和理论分析相结合的道路。风工程是一门综合的技术科学，要进行多学科之间的联合。

参考文献

[1] 黄本才,汪丛军.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2008

[2] 张相庭.结构风工程—理论·规范·实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[3] 沈世钊,武岳.大跨空间结构抗风研究现状与展望[C].//中国土木工程学会2010年中国结构风工程研究30周年纪念大会论文集.2010:89-98.