风致动力效应
薄膜结构的风致动力效应初探
［ 键词］ 薄膜结构 ； 关 自振 特 性 ； 致 效 应 ； 力 稳 定性 风 动
薄膜 结 构 的风 致 动 力效 应 初 探
杨 庆
（ 方 交 通 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院 ， 北 京 １ ０ ４ ） 北 ０ ０ ４
［ 摘 要 ］ 由 于 自重 轻 、 度 小 、 度 大 且 具 有 对 风 荷 栽 的敏 感 性 ， 膜 结 构 可 能 会 在 风 荷 栽 刚 跨 薄 作 用 下发 生破 坏 ， 风 致 动 力 效 应是 从 事 薄 膜 结 构 研 究 和 工 程 实践 人 员 关 心 的 问题 。 文 主 要 其 本
显 得 更加 迫 切 。
目前 膜 结构 在 国外 已得 到 了大 范 围的应 用 ， 已证 明了其 作 为永 久性 大 跨建 筑 的 可行 性 。 且
［ 稿 日期 ］ ２ ０ —８２ 收 ０ ２０ —５ ［ 金 项 目］ 国家 自然 科 学 基 金 重 大 项 目 （ ９ ９４ ０ 及 高 等学 校 优 秀 青 年 教 师 教 学 与科 研 奖 励 计 划 资 助 基 ５８５ １）
结构 ； 当覆 盖 面积更 大时 可将 结构 设计 为许 多较 小 的 整体 式 张拉 薄膜 单 元 或 索一 组 合 单元 的 膜
组 合 。当然 如前 所 述这 种 组合 结 构 的采 用 有 时 是建 筑 功 能 和造 型 上 的 要求 ， 非 结构 上 的必 而
需。
流固耦合理论研究进展_钱若军
第14卷第1期2008年3月空 间 结 构SP A T IA L S T RU CT U RESVol .14No .1M ar .2008收稿日期:2007-08-30.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50638050).作者简介:钱若军(1945—),男,上海人,教授,博导,长期从事空间结构的科研、教学和工程实践工作.E -m ail :p rjqtj @yahoo .com .cn流固耦合理论研究进展钱若军1,董石麟2,袁行飞2(1.同济大学建工系,上海200092;2.浙江大学空间结构研究中心,浙江杭州310027)摘 要:流固耦合(Fluid -Str ucture Interaction ,FSI )是目前很多领域研究的热点和难点之一.与国外相比,国内在该方面的研究相对滞后或片面.本文对FSI 研究现状和意义、传统风工程理论和方法、流体力学基本理论、流体力学有限元、FSI 理论和分析方法等内容作了介绍,探讨了耦合界面条件、边界追踪、网格更新以及大型非线性方程求解等问题,特别对强耦合和弱耦合算法作了理论上的探讨和区分.本文可为流固耦合理论数值模拟提供理论和方法的指导.关键词:流固耦合;强耦合;弱耦合;边界条件;A L E 法中图分类号:T U311.3;O 357.1 文献标识码:A 文章编号:1006-6578(2008)01-0003-13Advances in research on fluid -structure interaction theoryQIAN Ruo -jun 1,DONG Shi -lin 2,YUA N Xing -fei2(1.Department o f Civi l Engineering ,Tong ji University ,S hanghai 200092,China ;2.S pace S tructures Research Center ,Zhej iang Univ ersit y ,H angzhou 310027,China )A bstract :The com putation of fluid -structure interaction (FSI )is amo ng the mo st hot and difficult prob -lem s in m any fields .Compared w ith othe r advanced countries ,the study o n FSI pro blem s in ho me is lag -g ing and short .The paper is concerned w ith the com putational theo ry for FSI .The fram ew o rk includes several aspects :the study prog resses in FSI ,the theo ry and metho d of traditio nal w ind enginee ring ,the basic theo ry of Fluid Mechanics ,the FEM used in Computational Fluid Dy namics (CFD ),the theroy andmethod o f FSI computation .Some problem s such as the interface coupling co nditions ,inte rface tracking ,mesh relo catio n and metho ds fo r so lving big nonlinear equations are inve stig ated .Especially ,the stro ng coupling metho d and lo ose coupling method are discussed and studied .The paper can be a direction in the -o ry and metho d fo r FSI com putation .Key words :fluid -structure interaction ;stro ng coupling me thod ;loo se coupling m ethod ;interface condi -tions ;arbitra ry Lag range -Euler me thod 当前,风浪、风雨和风雪都已成为导致空间结构、高层、高耸建筑和桥梁等发生重大灾变的主要原因.尽管国内外学者对风工程做了长期的研究,但是在这个领域内仍需进行不懈的努力.风工程的研究主要是对风的作用规律和结构在风作用下的响应的研究.传统上将风作为作用在结构上的荷载,关于风的动力效应习惯上用等效静力风荷载来考虑.然而事实上风与结构是相互作用的,而且是耦合作用,如果仅仅把风作为一种荷载,而忽略结构对风的耦合作用,将会导致与事实之间较大的差别.因此有必要基于流固耦合理论的分析,从物理本质上揭示风和结构的耦合作用规律.流固耦合问题的研究包括流体力学理论基础、计算流体动力学、流固耦合理论、数值方法和风工程DOI :10.13849/j .issn .1006-6578.2008.01.0024 空 间 结 构第14卷及其它.流固耦合问题涉及到流体和固体的分析计算理论以及流体和固体的耦合关系,因此流体力学和固体力学构成了流固耦合问题的基础理论.而计算流体动力学则是关于流体的数值计算,由于流体不能像固体那些从能量原理出发建立有限元方程,而流体力学的连续化方程求解又极其困难,因此最近二三十年来人们一直在研究流体的数值分析方法,但是在流固耦合问题中不仅要考虑流体和固体的数值分析方法,而且要考虑方法之间的耦合.而流固耦合理论则是要解决耦合的理论基础及其耦合问题的求解方法.本文从研究现状和意义、传统风工程理论和方法、流体力学基本理论、流体力学有限元、FSI理论和分析方法等方面介绍了流固耦合理论研究进展,探讨了强耦合和弱耦合算法、耦合界面条件、边界追踪、网格更新、以及大型非线性方程求解等问题,为流固耦合理论数值模拟提供理论和方法的指导.1 研究现状与意义风工程的研究主要基于工程理论和流固耦合理论.目前大量的研究是基于工程理论的风工程研究,如风荷载的表示、揭示风的作用规律以及结构对风作用下的响应等.这些研究对于基于流固耦合理论的风工程研究来说是十分重要的.国内外学者在近二三十年以来对风工程进行了大量深入的研究,我国学者在风工程方面也做了大量的工作,如顾明[1-3]等开展的高层和超高层建筑顺、横风向和扭转方向风致响应及静力等效风荷载研究;典型超高层建筑气动性模型的风洞试验研究;大跨度结构气弹模型风振响应;大跨度屋盖表面风压系数的试验研究;考虑模态耦合的抖振共振响应分析方法以及桥梁风致振动和桥梁气动力系统模型建立与气动参数识别研究.在气动弹性模型风洞试验理论方面,顾明对实际结构的气动外形及质量和刚度分布进行了模拟,提出了阻尼比理论以及阻尼修正系数、准定常理论以及等效静力风荷载;采用高频动态天平测力技术随机减量法识别气动阻尼;提出特征系统实现算法(ERA)确定模型的顺风横风气动阻尼比;在刚性模型试验方面,顾明利用分布在模型表面的许多测压管,测出在风的作用下模型随时空变化的表面风压,从而求出结构的动态响应;提出大跨结构考虑模态耦合效应的共振响应分量近似形式,共振响应分量的修正SRSS法,并进行了大跨度结构的气弹模型风振响应、表面风压系数的试验研究,提出考虑模态耦合的抖振共振响应分析方法.杨庆山等[4-6]在索膜结构的风致振动效应、气弹动力稳定性、大跨结构风振系数以及流固耦合作用等方面进行了研究,采用随机振动离散分析方法对悬索体系节点进行位移风振系数和单元内力风振系数计算,提出了针对非线性结构的基于结构响应的风振系数概念,并对索网进行了系统的参数分析,提出了可供设计参考的内力风振系数和位移风振系数;研究薄膜结构气弹动力稳定性以及流固耦合作用.武岳等[7,8]对流固耦合的基础理论作了大量深入的研究,采用分区迭代算法求解流固耦合作用,对大跨结构的等效风荷载、数值模拟、风振响应分析以及风致气弹耦合效应、气动阻尼识别、多激振模态、多响应振型和多等效目标问题等进行了卓有成效的研究.周岱等[9,10]进行了大跨度单层网壳结构的风模拟、小波分析及复杂空间结构体系的颤振和主动抑制的研究.楼文娟等[11,12]主要进行了结构的风荷载及风振响应的试验与理论研究、大跨屋盖结构的风效应研究和数值风洞研究.陆峰等对大跨度屋面结构进行了风振响应和风振系数研究,从位移风振系数的角度提出了对基于准定常假设下的模态分析法的修正,给出了可供设计参考的大跨度平屋面结构的位移风振系数建议公式.陈新礼等对张拉式膜结构的风振系数进行了初步的研究.陈波等提出了整体风振系数和非线性调整系数这一概念,同时初步提出了一套适用于张拉膜结构的抗风设计方法.周晅毅引入虚拟激励法加快计算效率,以考虑大跨度屋盖结构振动多模态之间的耦合项,指出准定常方法不适用大跨度屋盖结构风致抖振响应分析,此外还初步探讨了用LRC法和考虑模态耦合系数的惯性风荷载法表示大跨度屋盖结构的等效静力风荷载问题.沈国辉等[13]探讨了四周封闭和四周敞开的屋盖结构风压规律,提出建筑结构风致响应和等效静力风荷载的标准算法和模态解法,将响应和等效静力风荷载分为平均分量、背景分量和共振分量三部分.国外学者对风工程和流固耦合的研究一直处于领先地位,在近几十年以来,几乎每年都召开风工程年会,探讨对风作用的认识,并且出版了风工程的专著.在风工程的研究中不仅考虑工程理论,还考虑了流固耦合理论.国外学者对流固耦合理论的研究主要在美国、英国、德国和日本.在美国,有一半以上著名大学的土木系都投入了对流固耦合的应用研究,其中最为突出的是M IT的Ba the[14-16].在Bathe的主持下,美国每年召开一次关于流固耦合问题研究学术交流会,并且在商用软件中实现了流固耦合问第1期钱若军,等:流固耦合理论研究进展5 题的计算.在英国已经宣布了成功应用流固耦合理论对F1的计算,O.C.Zienkiew icz在他的三卷本有限元法的专著中用了整整一卷讨论流体的计算.德国学者的论文中也显示了他们在流固耦合理论方面的成果.流固耦合理论从流体和固体互相作用的行为本质上去讨论它们的规律,是现代工程理论的基础,通过研究不仅提高理论水平,而且可以获得更高层次的应用.流固耦合问题可以应用在空间结构、高层高耸建筑和桥梁等土木工程以及在交通运输工程、航空航天工程、机械工程、水利及海洋工程、生物工程多个领域中流体和结构的固流体相互作用中.仅就结构的风致响应为例,基于流固耦合理论的分析,可以较工程理论的分析更正确和精确,进一步从物理本质上揭示风和结构的耦合作用的规律,为结构工程设计提出更可靠的实用方法,防止结构的重大灾变.总之,流固耦合问题的研究对于国家具有重大深远的理论应用价值.2 传统风工程理论和方法的研究风工程理论和方法主要采用工程理论或流体力学理论研究描述和表示风的运动规律.传统的风工程研究主要包括风振系数、等效静力风荷载、随机风理论和气动弹性理论,研究的方法包括试验研究(如风洞试验)以及分析研究(如数值模拟).2.1 风振系数的研究风荷载及风致响应可分解为平均、背景、共振三种分量,我国规范采用基于惯性风荷载(IWL)法的惯性力模型来计算背景和共振分量.常用的风振系数有荷载风振系数和位移风振系数.荷载风振系数定义为节点静动风荷载的总和与静力风荷载的比值.位移风振系数定义为节点静动位移的总和与静位移的比值.2.2 等效静风荷载理论的研究所谓等效静力风荷载是指将该荷载以静力形式作用在结构时产生的响应与实际风荷载产生的动力响应相同.A.G.Davenport根据经典抖振理论基于随机振动理论,提出了估算高层结构顺风向响应的基本方法,并进一步提出面向工程应用的等效静力风荷载理论.该方法以随机振动理论为基础,以阵风荷载因子为核心,成为高层结构等效静力风荷载研究的经典方法,同时该方法成为建筑结构等效静力风荷载研究的基本理论框架.该方法大体上可以分为阵风荷载因子法(GLF)、惯性力法(GBJ)和基于荷载响应相关系数法(LRC).在风工程研究初期,阵风荷载因子法被认为是计算高层建筑顺风向等效风荷载和响应的精确方法.该方法用一个表示峰值响应与平均响应比值的系数(阵风荷载因子)来反映结构对脉动风的放大作用,用平均风荷载的分布形式来表示等效静力风荷载.该方法表达方式简洁,工程使用方便,因此被大多数国家建筑荷载规范广泛采用.阵风荷载因子定义为:G=r maxr=1+(g bσb)2+(g rσr)2r(1) 等效静力风荷载表示为:p(z)max=G p(z)(2)式中p(z)表示平均风荷载.一般情况下,等效静力风荷载与结构的动力特性有关,如结构振型和质量分布.惯性风荷载法正是从结构的动力方程出发,探讨结构等效静力风荷载的分布,但在分析等效静力风荷载之前计算结构的动力响应的分析方法同阵风荷载因子法.根据结构动力学理论,在脉动风荷载作用下,动力方程为:M U..(t)+CU.(t)+KU(t)=P(t)(3)式中M、C、K分别表示结构的质量、阻尼和刚度矩阵;U(t)、U.(t)、U..(t)分别表示节点的位移、速度和加速度向量;P(t)表示脉动风荷载向量.上式改写为KU(t)=P e q(4)式中,P eq为等效静力风荷载,又称为风的广义外荷载,即P eq=P(t)-MU..(t)-CU.(t)(5) 应该说阵风荷载因子法和惯性风荷载法都有一定的应用范围,当用这两种方法得到的等效静力风荷载计算除位移响应外的其它响应时都存在一定的偏差.1992年,Kasperski提出了荷载响应相关系数法(LRC法),利用荷载和响应之间的相关系数来确定低矮建筑实际可能发生的最不利极值风压分布,后期主要用于分析建筑结构等效静力风荷载背景分量的研究.该方法推动了等效静力风荷载理论的发展,是该理论发展的一个重要里程碑.采用LRC法计算荷载的背景分量可表示为:P B(z)=g B Q(z)σp(z)(6) 目前,等效静力风荷载理论研究主要在高层和6 空 间 结 构第14卷高耸结构,对大跨度结构的研究不多,这与大跨度结构的气动特性和力学特性有关.大跨度结构风压特性主要受特征湍流的影响,建筑物表面的气动力谱几乎没有规律,大跨度屋盖结构气弹效应比较明显.中国和日本的少数学者对大跨度屋盖结构的等效静力风荷载作了研究,工作主要采用Davenpo rt提出的传统阵风荷载因子法,且主要围绕一些形体简单的结构进行.2.3 随机风理论的研究各种风荷载的数值模拟方法中,Mo nte-Carlo 法和正交分解法应用较多,很多学者结合Fourier 变换和滤波方法,针对不同的脉动风速谱,用随机过程模拟风速或风压时程.早期风荷载数值模拟研究主要集中在平稳高斯随机过程.平稳高斯随机过程的模拟方法可以分为谐波叠加法(如CA WS法、WAWS法等)和时间系列法(如状态空间法、自回归法A R、滑动平均法MA、自回归滑动平均法ARM A等).近年来,有学者结合两类方法,研究了几乎适用于所有的风速谱,并可实现实时模拟的混合法.然而,绝大部分工程问题是非平稳随机过程.非平稳随机过程更如实刻划风的特性,并与实际情形相符合.事实上风荷载具有非高斯特征,模拟非高斯时间系列的方法大致可分为A RM A法和FF T法. ARM A法基于线性差分方程,计算简便,但不完全适合于模拟非高斯时间系列.目前关于平稳随机过程的研究方法已较为成熟,但对于非平稳过程,特别是涉及到三维空间相关随机场的模拟,尚存在一些问题需要解决.2.4 气动弹性理论的研究从工程应用出发,在结构的动力方程中考虑流场作用的影响,即所谓简化气动模型,即M s+M a¨x t+C s+C a﹒x t+K s+K a x t =p t(7)式中,M a为气动质量、C a气动阻尼,k a为气动刚度,p t为气动力.该简化气弹模型的特点是不考虑具体的流场,而是将流体和结构视为一个整体系统,并且通过适当的数学模型将气动力与结构运动参数联系起来.方程中的气动参数可采用试验或解析的方法来确定.2.5 风洞试验研究风洞试验可分为刚性模型、高频动态天平测力试验、气弹模型类型.刚性模型测压试验只模拟其气动外形,不考虑在风作用下的变形及位移.这种方法利用静止的模型测气动力,再采用力学模型计算动态响应和等效荷载,是目前应用最广泛的风洞试验模式.高频动态天平测力试验是利用高频动态天平直接测得模型的倾覆力矩获得广义力,得到结构的风荷载,可计算结构的风致动态响应.气动弹性模型试验能够全面考虑结构和气流的相互作用,真实地反映结构在大气边界层中的受力特性和响应.目前气动弹性模型试验主要在大跨桥梁抗风研究中应用.大跨度结构非常复杂,气动弹性模型的设计、制作难度较大,至今国内外仅有M el-bourne、Akamura、Kaiw ai、谢霁明等极少数学者曾经进行过类似尝试.气动弹性模型可模拟原结构的气动外形,质量、刚度、阻尼、频率和振型等一系列的动力特征,较全面的再现了结构在风作用下的实际行为.气动弹性模型的风洞试验不需测量风荷载,即可直接测出结构的风振响应.由于气弹模型试验考虑了结构和来流之间的相互耦合作用,所以更能真实地反映结构在大气边界层中的受力性能和响应特性.根据Bucking ham s二定理,通过量纲分析或直接从质量、动量和能量守恒方程,以及流体的状态方程,可推导出进行气动弹性模型的风洞试验所需满足的相似准则及与该相似准则有关的参数.3 流体力学基础流体力学是一个古老而又新兴的学科,说它古老是因为它距今已有一、二百年的发展历史,说它是新兴的学科则是由于它不再是单一学科的应用,特别是流固耦合理论发展以后,流体力学的基本理论在各个方面都得到了广泛的应用.因此,从流固耦合的需要来梳理流体力学的基本理论是十分必要的.流固耦合问题的研究涉及到流体力学的基本理论、计算流体动力学(CFD)、耦合理论、流固耦合问题的数值求解方法以及实际应用.最好的办法是在一个统一场或混合场中进行流固耦合问题的研究,如果基于能量原理可以得到耦合方程,则可把系统(包括流体和固体)的总能量构造出来,在统一场或混合场中全面的描写这个系统的能量,并引用能量原理来获得系统的控制方程,所以,流体和固体在统一场中的描写很有意义,然而,事实上存在不可逾越的困难.流固耦合问题比较现实的办法是,按照平衡和协调的原则来分别建立流体和固体以及界面的控制方程,通过一系列的动态分析,使流体和固体处于耦第1期钱若军,等:流固耦合理论研究进展7 合.为解决流固耦合问题,首先必须解决计算流体动力学和流体有限元,由此需要构建流体力学的基本原理框架、流体所遵循的基本物理原理框架等,从而重新梳理流体力学的基本理论,找到流体计算模型的理论基础.此外,从实际应用的角度出发,在土木工程领域中需要掌握水、风等一些基本流体的物理性质,从而对流体力学的基本方程进行简化,建立水、风等流体的基本控制方程,进而进行数值计算.为此,首先根据连续介质力学的理论,讨论描述流体的基本方法,进而在不同的描述方法下讨论流体服从的基本物理规律.然后,从一般的基本控制方程出发,结合实际应用,对基本控制方程进行简化,得到不同应用的控制方程.3.1 流体力学基础流体力学基础,包括以下几个主要部分:(1)概述,涉及:流体的相关概念,如流体、流体微元、质点、密度、流场等;流体的主要物理特性,如流动性、压缩性与热膨胀性、流体的输运性质;流体力学发展历史;流体力学的研究对象与研究方法,如实验研究方法、理论分析方法、数值方法;流体力学的应用,如交通运输领域、航空工业领域、水利及海洋工程领域、生物工程以及土木工程的应用.(2)描述流体运动的方法,涉及:连续介质力学,如物体、时空系、质量、变形和运动;Lagrange(拉格朗日)描述,含拉格朗日的坐标、物理量描述、变形和应变的描述、应力的描述;Eule r(欧拉)描述,含欧拉的坐标、物理量描述、变形和应变描述、应力描述; Arbitrary Lagrange Euler(任意拉格朗日欧拉)描述,含任意拉格朗日欧拉的坐标、描述;各种描述之间的关系,如随体导数公式、应变之间的转换、应力之间的转换.(3)流体力学的基本概念,涉及:流体运动的几何描述,如迹线、流线、脉线、时间线;流体运动的基本变量,如速度、作用于流体上的力.(4)流体本构关系,涉及:理论推演,如牛顿粘性定律、斯托克斯假设以及推演过程;类比法,如流体中的应力状态和应变率状态、牛顿流体的应变率与应力之间的关系.(5)流体遵循的基本定律,涉及:雷诺输运公式;流体遵循的基本定律,如质量守恒律、动量平衡律、能量守恒律(热力学第一定律)、热力学第二定律.(6)流体力学基本方程组,涉及:流体力学微分形式基本方程组;流体力学积分形式基本方程组,可分别以连续方程、动量方程、能量方程表示;流体力学基本方程组之间的联系.(7)流体力学问题的分类及边界条件,涉及:流体力学问题的分类,如无粘性流体与粘性流体、可压流体与不可压流体、非定常流体与定常流体、有旋流动与无旋流动、重力流体和非重力流体、绝热流动和等熵流动;初始条件及边界条件,如无穷远处、两介质界面处、流固分界面处、自由面处的边界条件.(8)湍流,涉及:层流运动向湍流的过渡,包含雷诺数的概念、流动状态的改变;模式理论和统计理论;湍流方程,包含雷诺方程组(时均方程)、各种K-ε模型、K-ε模型方程的解法及适用性;大涡模拟(LES).3.2 纳维-斯托克斯(N-S)方程组流体运动虽然复杂,但必须满足三大守恒定律,即质量守恒律、动量平衡律、能量守恒律.采用欧拉描述方法,对流体微元体d x d y d z应用这三大定律,可得最根本的流体运动控制方程,即N-S方程组.其表达形式可以是守恒型或非守恒型.N-S方程组守恒形式:ρt+ ·ρv=0(质量守恒)(8)ρvt+ ·ρvv-τ=f B(动量守恒)(9)ρEt+ ·ρv E-τ·v+q=f B·v+q B(能量守恒)(10)式中,t为时间,ρ为流体密度,v为速度向量,f B为流体域的体积力向量,τ为应力张量,E为总能量,E=12v·v+e=b+e(11) q B为热量生成速率q=-k T,f B=ρg(12)这里e为内能,b为动能,T为温度,k为热传导系数,g为重量加速度.式(8～10)中的各方程可以用一个通式表示.(1)N-S方程组保守形式:ρφt+divρuφ=divΓg radφ+S(13)式中φ为通用变量,可以表示速度u,温度T等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项.(2)N-S方程组非保守形式:若将式(13)的瞬态项和对流项中的物理量从微分符号中移出,便可得到通用控制方程的非守恒形式:ρφt+uφx+vφy+wφz=divΓg radφ+S(14)8 空 间 结 构第14卷需要注意的是N -S 方程本身并不闭合,对之求解需要外加本构方程和状态方程.3.3 湍流模型流体运动状态可分为层流和湍流.湍流(turbu -lence )是一种高度复杂的非稳态、带旋转的不规则流动.在湍流中流体的各种物理参数,如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机变化.湍流的计算流体力学模型大致可分为(1)直接数值模拟DNS (Direct Numerical Sim -ulatio n )从理论上讲,N -S 方程可以描述所有的运动.如直接根据N -S 方程来模拟 计算湍流方法称为直接数值模拟.但目前计算机的存储能力和运算速度,使得DNS 模型难以直接应用于实际工程.(2)雷诺平均N -S 方程RANS (Rey no lds aver -aged Navier -S tokes Equation )此方法考虑物理量的瞬时值φ,由时均值 φ及脉动值φ′组成:φ= φ+φ′湍流脉动值φ′的确定是RANS 模型的计算核心内容.RANS 又有所谓零方程模型、一方程模型及两方程模型.(3)雷诺应力模型RSM (Rey no lds Stre ss Mo del )RSM 模型抛弃了Boussinesq 假设中各向同性湍流动力粘度及湍流应力与时均速度梯度呈线性关系的假设,因而对不均匀的、各项异性的湍流运动显示出优越性.(4)大涡模拟LES (Larg e Eddy Sim ulation)图1 涡运动的示意图Fig .1 Diagr am of eddy mo vementLES 方法试图避免上述各种湍流模式及其半经验常数依不同流动而变的缺点,把湍流中的涨落看作由大小不同涡运动引起(图1).就目前的计算能力来讲,能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡的尺寸大得多.但认识到系统中的动量、质量、能量及其它物理量的输运主要由大尺度涡决定,因此放弃对所有尺寸范围内的涡的瞬态模拟,只将比网格尺度大的湍流运动通过瞬时N -S 方程直接计算出来,而小尺度涡对大尺度涡运动的影响通过一定的模型在针对大尺度涡的瞬态N -S 方程中体现出来,这就是大涡模拟的基本思想.大涡模拟有数学滤波函数模型和亚格子尺度模型(SubGrid -Scale m odel ),简称为SGS 模型.4 流体力学有限元研究计算流体动力学(CFD )包括有限差分法,有限体积法和有限元法,有关前两类的著作较多,这里仅讨论有限元法.4.1 数值稳定性研究由于高值对流条件和不可压条件,对CFD 数值求解的稳定性带来困难.美国的J .R .H ughes 和英国O .C .Zienkiewicz 最早开展对流体有限元方法中的数值稳定性及算法研究.O .C .Zienkiew icz 于1975年首先提出了Petro v -alaerkin 方法的基本思想,I .Christie 等将之实现.H ug hes 等针对高值对流问题开发了流线迎风S UPG (S treamline Upw in -ding Pe trov -Galaerkin )有限元公式和Galerkin 最小平方法GLS (Galerkin Least Squares .目前S UPG 和GLS 仍然是流体动力学有限元求解中广泛使用的稳定方法.此外,还有一些有限元方法出现,如Taylor -Galerkin method ,the characteristic Galerkin method 及其变形the characteristic based split (CBS ),the pressure g radient operator method 和the subg rid scale (SS ).O .C .Zienkiewicz 提出了基于特征分离的算法CBS (the characteristic -based -split scheme ),这种方法基于算子分离,允许采用任意的插值函数,且能够避免BB 条件限制.利用CBS 算法可以求解层流、湍流,可压、不可压等一系列流体问题,是流体动力学问题统一的一般有限元算法.P .Nithiarasu 将ALE 法和CBS 方法相结合,用于处理具有自由面流动问题.尽管CBS 法在计算流体动力学具有很强的优越性,但由于在计算流体变量时,CBS 算法需要将压强和速度场分离求解,并根据压强对速度场进行修正,CBS 方法是否能应用于FSI 问题,特别强耦合算法,目前国内外还没有相关的研究成果.基于对对流-扩散方程物理意义和求解特性的的深入理解与研究,Klaus -J ǜrg en Bathe 提出了基于流动条件插值的有限元法FCBI (flow -conditio n -based interpo lation ).FCBI 结合了有限体积法和有限元法的优点,其成功之处在于在单元插值函数中。
风的力量 自然界的魔力
风的力量自然界的魔力风的力量自然界的魔力风，是大自然的力量之一，它代表着自然界的魔力。
无论是在大自然中，还是在我们日常生活中，风都给人们带来了无尽的影响和感受。
本文将探讨风的力量以及它在自然界中的神奇表现。
一、风的力量风是由于气体在空气动力学效应下的流动而产生的大气运动。
它是地球大气层中不同气体压力差所引起的结果。
风的强弱取决于气压差异的大小。
我们可以利用风来发电、推动风帆船等。
风的威力在某些地方能够刮倒树木，摧毁建筑物，被誉为是自然界的一股巨大力量。
1.1 风的形成与运动风的形成主要与气压差、地球自转、地形、季节差异和气候等因素有关。
当大气中的气压差异足够大时，风就会形成。
晴朗的天气通常伴随着较小的风力，而阴雨天气则伴随着较大的风力。
风的运动呈现出地区差异，例如在赤道地区，东风和西风交界形成了副赤道高压带和副赤道低压带，导致季风的形成。
在北半球和南半球中纬度地区，风则呈现出一定的环流规律，如西风带和东风带。
1.2 风的力量的应用风的力量在现代社会中被广泛利用。
最为明显的例子就是风力发电。
通过将风能转化为电能，我们减少了对传统能源的依赖，同时也降低了环境污染。
此外，风力还可以推动风帆船和帆板，使其在水面上行驶。
这些利用风力的技术为人们提供了一种清洁、可持续的能源解决方案。
二、自然界中风的魔力风在自然界中展现出了极为神奇的表现，赋予了大自然生机与美丽。
它对地质、植物和动物都产生了深远的影响。
2.1 风与地貌的塑造风对地貌的塑造有着重要的作用。
沙漠是风与地表的相互作用的产物。
风吹拂着沙丘，形成了各种奇特而美丽的沙漠地貌，如流线型沙丘、星形沙丘等。
此外，风还能侵蚀地表，形成峡谷和风化层。
风化作用使得大自然呈现出了各种独特的地貌风景。
2.2 风与植被的生态影响风在植被生态系统中扮演着重要的角色。
风可以帮助植物传播花粉和种子，促进植物的繁衍与繁殖。
同时，风还通过对植物的吹拂，促进植物的生长和更新。
例如，在沿海地区，咸风对沿海植物的生长有着重要的影响，它使得植物具备抗风能力，适应沿海环境。
最不利风向作用下吸收塔风致动力响应
最不利风向作用下吸收塔风致动力响应宋波;殷炳帅;曹谦【摘要】Taking desulfurizing towers of 660 MW as study objects ,finite element softwares ADINA and FLUENT were used to analyze numerical wind tunnel of desulfurizing towers .The results show that NE wind direction and 180° wind direction are the most unfavorable wind directions while structure is relatively safe at 0° wind direction .As the wind speed increases ,the acceleration response trends to increase from bottom to top and stress trends to decrease .There is stress concentration around opening at the lower part of structure ,and the wind speed has little effect on the structural stresses and displacements .There are strong mutual interference between the multi‐towers ,and structure located at wind downstream has less effect on which located at wind upstream ,while structure located at wind upstream has more effect on structure located at wind dow nstream .%以某电厂660 MW吸收塔结构为研究对象，利用ADINA 及FLUENT 有限元软件对吸收塔结构开展了数值风洞分析。
大跨径斜拉桥抗风稳定性研究
大跨径斜拉桥抗风稳定性研究摘要：伴随着我国桥梁跨径的不断延展伸长，对于柔性较大的斜拉桥来讲，在设计时需要考虑风致效应产生的空气动力问题，对应问题需要多方面因素出发提出风振控制手段措施，以保证大跨径斜拉桥具有足够的抗风稳定性。
关键词：大跨径桥梁；风致效应；气动措施中图分类号：TU 13 文献标志码：A 文章编号：1940年塔科马海峡大桥发生严重风毁事件，引发了国际桥梁工程界及空气动力界的极大关注，这也标志着自此为桥梁风工程研究的起点，使得在桥梁设计之中开始考虑桥梁风致效应的严重性。
由此可见风致效应对大跨径桥梁有着极其重要的作用，桥梁在抗风方面的研究也有着举足轻重的意义。
明确大跨径斜拉桥在抗风设计中的设计要点；找到大跨径斜拉桥不同设计参数对结构气动稳定性的影响；根据风致振动的机理，能够采用相应的结构措施、气动措施、机械措施来提高桥梁的抗风性能[1]，具有重要工程价值及研究意义。
1 桥梁风致灾害实例2020年5月5日下午15时左右，连接珠江两岸的广东虎门大桥发生了异常的抖动现象，悬索桥桥面晃动不但感知明显，影响了行车的舒适性及交通安全性，且其振幅在监控中显示为波浪形，幅值过大。
这件事情引发了不单有我国桥梁工程专业的广泛关注，在社会中也激发了广大人民群众的激烈讨论及反响。
此次虎门大桥的异常晃动并没有发生一定的损失，相关部门也立即采取措施，对虎门大桥进行双向封闭管制，对虎门大桥也进行了紧急的全面检查检测，交通运输部也组建了专家工作组到现场进行研究指导。
随着我国大跨径桥梁的发展建设，桥梁风害也时有发生，例如广州九江公路斜拉桥在施工过程中吊机被8级大风吹倒进而砸坏主梁；江西长江公路铁路两用桥吊杆发生涡激共振；上海杨浦大桥斜拉索的风雨振引起的拉索索套严重毁坏等[3]。
灾害的发生时刻警醒着人们，大跨径斜拉桥的设计中有关抗风设计日益成为焦点；桥梁风害的问题的重要性，促使着人们对桥梁风致效应的研究不断深入。
2 桥梁结构的风致效应桥梁结构的风致效应十分复杂，它受结构的形状、刚度、风的自然特性以及二者相互作用的影响。
公路桥梁抗风设计一般规定(源于公路桥梁抗风设计规范)
公路桥梁抗风设计一般规定
（来源于：公路桥梁抗风设计规范JTG/T 3360-01）
桥梁的抗风设计应考虑风的静力作用与动力作用，并根据不同的抗风性能要求按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计和检验。
风对桥梁结构的作用效应一般分为静力效应、静风效应和动力效应。
①静力效应主要表现为结构产生的变形与内力以及静力失稳；
②静风效应主要表现为风引起的结构静风失稳，如静风扭转发散和静风横向失稳；
③动力效应包含抖振和涡激共振等有限振幅振动、以及颤振和驰振等气动失稳现象。
以下给出了风对桥梁结构作用的效应分类
公路桥梁抗风设计时应根据桥址风环境、桥型、跨径、结构体系、结构或构件外形等因素对桥梁风致振动的可能性进行评估。
(1)当判定结构或构件在风作用下存在疲劳问题时，应进行抗疲劳设计
(2)当判定桥面高度处风对行车安全及舒适性存在影响时，应按规定进行相应的风致行车安全评估及设计
(3)将桥梁所在地区根据基本风速的大小划分为三类风险区域，分别对应为RI、R2和R3，三类等级所对应的风速范围的概率水平相接近，并考虑到气象意义上风力等级已被广泛接受，因此将三类等级与风力水平相衔接，其中R1为十二级或超过十二级大风，R2介于十级风与十一级大风之间，R3为不大于九级风。
第5章 结构抗风设计
5.1.2.2 风振响应分析
在第 4 章中介绍结构风致振动的类型及分析方法，但并非所有的结构的脉动风响应都显 著，对于柔性结构属于风敏感结构，需要同时考虑风的静力和动力作用，但等效静风荷载的 确定较为繁琐；对于刚性结构，其风致动力放大效应可以被忽略，仅需考虑风的静力作用即 可。
系数，基本风压和风压高度变化系数已在前面做了介绍，下面将介绍风荷载体型系数和风振
系数。
5.1.2.1 风荷载体型系数
建筑物上某点的风荷载体型系数 μsi 是指风作用在其表面上所引起的实际压力（或吸力） wi 与来流风的速度压 ρUi2/2 的比值，即：
si
wi
U
2 i
2
(5-6)
式中，Ui 为测点高度的平均风速。 由于大气边界层中建筑物的风压分布是不均匀的，因此，在实际工程中，通常采用整个
wa (z) w0
U
2 a
(
z
)
2
U
2 0
2
(5-1)
将式错误！未找到引用源。代入式(5-1)，并将 ZG0 =350m， z0 =10m，0 =0.15 代入得：
z
(z)
(
z ZGa
)2
(
ZG0 z0
)20
=2.905(
z ZGa
)2
根据不同的 和 ZGa，可得到不同地貌下的风压高度变化系数分别为：
结构基本信息结构类型外形动力特性等建造地风场基本信息基本风压地貌类型是否存在特殊地形等依据荷载规范风洞试验或相关资料主体结构抗风设计围护结构抗风设计结构是否需要考虑风振确定体型系数平均风荷载动力效应等效风荷载确定局部体型系数阵风系数围护结构设计风荷载主体结构设计风荷载顺风向横风向扭转风振静力效应是图51结构抗风设计的基本流程511风场基本信息5111基本风压基本风压w0是由基本风速通过伯努利方程即式错误
高速公路封闭式声屏障的风荷载及干扰效应研究
高速公路封闭式声屏障的风荷载及干扰效应研究摘要：广州市黄埔区某全封闭声屏障体型复杂，其风致动力效应较为显著，且现行的《建筑结构荷载规范》GB50009-2012没有明确规定风压系数的取值方法，针对以上问题，采用直流式风洞试验系统，首先对大气边界层流场进行模拟，其次分别给出一期声屏障屋面、迎风面及背风面的风压分布特性，分析了声屏障上的典型测点的平均风压系数随风向角变化情况。
试验结果表明一期声屏障的风荷载受周边建筑物的气动干扰影响较大，所得结果对于声屏障的抗风设计具有重要的指导意义。
关键词：全封闭声屏障；风荷载；干扰效应；风洞试验引言声屏障是经济实效的降噪措施，其在高速公路领域已得到了广泛应用，但大部分采用的直立式声屏障。
为更有效解决民生难题、改善周边居住环境、降低高速公路周边特殊敏感点的噪声，国内高速公路特别是广东省部分高速公路已开始采用封闭式声屏障。
封闭式声屏障结构外形与隧道结构类似，汽车经过时产生汽车风效应[1]。
因此，封闭式声屏障在其使用寿命内受到汽车风和自然各方向风的共同作用，可能发生结构破坏并影响行车安全[2]。
已有学者对声屏障的风荷载进行了研究。
郑史雄等[3]系统研究了桥梁、路基声屏障的风荷载体型系数，比较了不同工况时的风荷载体型系数的影响，获得了风荷载体型系数。
赵晶[4]以数值模拟计算方式研究了高速列车通过隧道的空气动力学问题，获得了三维流场图，给出了会车压力变化公式。
DU等[5]研究了列车速度与声屏障高度对声屏障所受到的压力幅值的影响。
韩旭等[6]系统分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置等因素对全封闭声屏障气动特性的影响。
张慎旭等[7] 结合宁德市高速公路古田段桥梁防撞墙加设声屏障设计实例讨论了声屏障在风荷载作用下及汽车碰撞作用下对防撞墙抗弯结构性能的影响。
陈波等[8-10]系统研究了屋面、桁架、大跨空间结构等方面的静风荷载及风振响应方面问题。
目前声屏障的风荷载研究在房屋及城轨上的研究已较成熟，但高速路封闭式声屏障的风载及干扰效应研究仍处于起步阶段。
解释结构风致驰振现象
解释结构风致驰振现象
结构风致驰振是指在某些特定的条件下，结构体系中存在的一种自激
振动现象。
这种现象通常发生在某些特定频率范围内，而且会随着结
构体系的变化而变化。
结构风致驰振的产生原因主要是由于结构体系中存在某些不稳定性因素，例如流体动力学效应、气动效应、地震效应等。
当这些因素达到
一定程度时，就会引起结构体系中的自激振动，并且会随着时间的推
移而逐渐增强。
对于工程实践来说，结构风致驰振是一种非常危险的现象。
它不仅会
导致建筑物或桥梁等结构物的破坏，还会给人们带来极大的安全隐患。
因此，在设计和建造过程中需要采取一系列措施来避免或减少这种现
象的发生。
其中最常见的解决方法是通过改变结构体系的几何形状和材料性质来
调整其固有频率。
此外，在设计过程中还需要考虑到流体动力学效应、气动效应等因素，并进行相应的计算和模拟。
同时，对于已经建成的
结构体系，还需要进行定期的检测和维护，以确保其安全性能。
总之，结构风致驰振是一种常见的自激振动现象，对于工程实践来说
具有重要的意义。
在设计和建造过程中需要采取一系列措施来避免或减少这种现象的发生，并定期进行检测和维护。
索膜结构的设计理论分析_宋志飞
第23卷第4期 辽宁工程技术大学学报 2004年8月 V ol.23 No.4 Journal of Liaoning Technical University Aug. 2004收稿日期：2003-07-28基金项目：辽宁省教育厅基金资助项目（202183391） 作者简介：宋志飞（1980-），男，山东 淄博人，硕士。
本文编校：赵 娜文章编号：1008-0562(2004)04-0472-03索膜结构的设计理论分析宋志飞1，殷志祥2（1.辽宁工程技术大学 土木建筑工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学 计算机辅助教学中心, 辽宁 阜新 123000）摘 要：索膜结构是一种全新的建筑结构形式，其设计理论主要包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三方面。
现有的找形方法都存在一定的缺点，开发的计算软件也没有普遍性，需要在将来的研究中逐步完善。
虽然结构对地震有很好的自适应性，但在风荷载作用下易发生自激振动从而导致破坏，因而进行风荷载分析以确定其体型系数及受破坏的临界风速非常必要。
裁剪过程存在误差，需要研究开发更精确的裁剪技术。
关键词：索膜结构；找形分析；荷载分析；裁剪分析 中图号：TU 31 文献标识码：AAnalysis of designing theory of cable-membrane structureSONG Zhi-fei 1, YIN Zhi-xiang 2(1.College of Civil and Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China;puter Aided Center, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)Abstract: Cable-membrane structure is a wholly new kind of architecture structure form. The theory of its design mainly includes three aspects: shape-finding analysis 、load analysis and patterning analysis. All of the existing shape-finding analyses have some shortcomings more or less. And the exploited softwares don’t have universalism. So, all the above should be solved in the future research step by step. Even this structure has self-adaptability for earthquakes. But it easily causes self-excited vibration under the effect of wind load, which leads to destruction. Therefore, making wind load analysis is very necessary for confirming its shape factor and critical wind speed of being destroyed. The patterning course has errors. The more precise patterning technology needs being exploited.Key words ：cable-membrane structure ；shape-finding analysis ；load analysis ；patterning analysis0 概 述大跨度索膜结构是20世纪中期开始发展应用起来的一种全新的建筑结构。
顺风向结构风致响应一般计算方法
顺风向结构风致响应公式推导0 引言近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。
每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。
同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。
本文主要讨论顺 风向的结构风致响应。
顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。
我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m 且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s 的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。
由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。
目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport 在20世纪60年代提出并不断发展完善的。
依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。
图0-1（A ）表示了时域内的平均响应r 、背景响应B r 和共振响应R r ，图0-1（B ）表示了频域内的背景均方响应2B r 、前三阶共振均方响应21R r 、22R r 和23R r 。
下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
图0-1 平均、背景和共振响应1 单自由度结构顺风向风振响应结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。
有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。
在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u ，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
大跨度桥梁的抗风措施研究
道路桥梁建 筑 技 术 开 发·127·Roads and BridgesBuilding Technology Development第47卷第7期2020年4月近几年来，我国已成为大跨度桥梁最多的国家之一。
大跨度桥梁由于其跨度大、重量轻等特点，使结构刚度减小，对风更加敏感。
对于大跨度桥梁而言，强烈的风致振动是失效破坏的主要形式。
如1940年美国的塔科马大桥风毁事故，其原因是在18 m/s 左右的风与结构的耦合作用；我国上海杨浦斜拉桥索套损坏，其原因是缆索的涡振耦合作用。
这些大跨度桥梁的风毁事故引起了人们对桥梁抗风问题的重视和研究，尤其是随着桥梁跨径的不断增大，抗风稳定问题已经成为制约桥梁跨度进一步增大的关键问题。
因此，风致振动成因和抗风措施的研究对大跨度桥梁的设计具有十分重要的意义。
1 风对桥梁结构的影响风毁事故是自然界中发生最频繁的一种事故。
桥梁与风的互相影响错综复杂，其作用机理受自然环境、自然地形、自然地貌影响，同时与风和结构体系的耦合作用和桥梁的动力特性有关。
为此人们对风特性进行了大量研究，通过观测总结把风分解为周期长达十几min 的平均风和周期只有几s 的脉动风。
1.1 风的静力作用风的静力作用是平均风对结构的作用。
平均风的风速在一定时间长度内不随时间变化，而且其周期远大于桥梁结构的自振周期。
1.2 风的动力作用对于大跨度桥梁而言，结构的柔性增大，刚度减小，风对大跨度桥梁的作用机理更加复杂。
风对结构的动力效应（主要为脉动风影响），即桥梁结构的风致振动是一种复杂的流固耦合现象。
该现象是多种多样的，主要有4种形式：涡振、颤振、抖振和驰振。
桥梁结构的风致振动归纳如图1所示。
桥梁结构风效应平均风（低频部分）脉动风（高频部分）自激振动强迫振动颤振（flutter）发散振动限幅振动驰振（galloping）抖振（buffeting）涡振（vortex shedding）静力作用刚度较大动力作用刚度较小图1 桥梁结构风效应［摘 要］目前，抗风问题已经成为决定大跨度桥梁结构安全性的控制因素。
风致振动简述
风荷载概述
风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引 起高层建筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承 重桥梁、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动， 产生动力荷载，甚至引起破坏。
风致振动减振措施依据： 1、结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚
度（或柔度）、阻尼和质量特性。 2、不同的外形将引起不同的风致动力荷载。 3、结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。 4、结构的阻尼越高，其风致振动的响应也就越小。
风荷载概述
风压基本特点:
1、紊乱性和随机性 2、迎风面压力，背风面吸力 3、风压的不确定性
风荷载概述
风荷载概述
风荷载概述
风荷载概述
风压对高楼的危害 1.隔墙开裂,甚至主体结构破坏 2.疲劳,失稳破坏 3.装饰物和玻璃幕墙破坏 4.摆动使居住者感到不适不安
风振不适感的控制
随着房屋高度增加，在强风作用下，高 楼(高层钢结构)所产生的振动，使人不舒适， 所以高楼的抗风设计，不仅要满足强度、变形 和倾覆稳定方面的要求，而且还要使高楼在顺 风向振动、横风向振动和扭转振动控制在不使 居住者产生不适感的容许限度内。
风致振动简述
主要内容
风工程学简述 风洞试验
风对建筑物的破坏 风荷载概述
风振不适感的控制
风工程学概述
国外从1879年塔科马桥风毁以后开始风工程研究， 至今只有60多年，我国研究不到20年。
风工程研究近年在国内外发展很快，已形成一 门新兴学科，国际风工程学会和中国风工程学会 分别于上世纪 60 年代和 80 年代成立。
风振不适感的控制
而加速度
a
4 2A
T2
所以A(振幅)和T(自振周期)是表征加速度的 重要指标。
大跨度桥梁空气动力学的理论研究与工程应用
压力与其速度之 间的关 系 ， 们开始 认识到平 均风 的作 用 ； ） 人 ２ 阵 截 面 外 ， 他 各 种 非 流 线形 断 面都 有 发 生 横 流 驰 振 的可 能。 他 将 其
风效 应 。１７ 年 １ 月 ２ ｔ英 国 的 Ｔ ｙＲ ｉＢ ｉ ｅ 一 阵 大 风 这一问题抽象为单 自由度线性弯曲振动 问题 ， ８９ ２ ８Ｅ ， ａ ａ ｒ ｇ 在 ｌ ｄ 并得 到著名的登哈 中倒 塌 ， 当时 的 风速 大 约 在 ３ ｓ ３ ｓ然 而 大 桥 的 设 计 风 托判据。１６ 年 Ｓ ｒｔｎ对正方形截 面进行 了试验研究 ， ０ｍ／～ ５ｍ／， ９３ ｃｕｏ 根据他
第３ ６卷 第 １ １期
・
２９ ・ ０
２ ０ １０年 ４月
山 西 建 筑
Ｓ Ａ Ｈ ＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥｃｒ ｕＲｔ
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ １ Ｉ３ ． １ Ａｐ ． ２ ０ ｔ ０１
文章编号 ：０９６ ２ （０ ０ １ —２ ００ １０ —８５ ２ １ ）１０ ９ ．２
究 的时段内不随时间变化的平均成分 和随时间变化 的脉动成 分， 流驰振是由升力 曲线 的负斜 率所 引起 的发散 性弯 曲 自激 振动 。 这种负斜率使得振动过程 中结构位 移始终与空气力 的方 向一致 ， 称 为 平 均 风 和 脉动 风 。平 均 风 常用 于 风 荷 载 问 题 ， 动风 则 用 于 脉
形成不稳定振 动。而尾流驰振则 由绕 桥 梁 结构 的风 致 动 力 响应 。脉 动 风 特 性 主 要 包 括 湍 流 强 度 、 流 结构不 断从外界吸取能量 ， 湍 尺度 、 湍流功率谱 密度 、 流的空间相关 特性等。由于桥梁是建 过前方结构 的波动性 来流激发 下游结 构物产生 的振动 。对横流 湍
风致动力效应
1.3.2风对高层建筑的作用高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其结构设计时的主要控制荷载。
风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。
在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。
第1章绪论1.3.2.1顺风向风效应我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:矶=刀:户:拜，叽(l一10)式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。
一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速脉动引起。
Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。
高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。
1.3.2.2横风向风效应横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。
当建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。
由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程界的热点问题。
横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。
大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展
第42卷第1期2022年2月振动、测试与诊断Vol.42No.1Feb.2022 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展∗赵林1，陈旭2，柯世堂3，张军锋4，葛耀君1（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海，200092）（2.上海师范大学建筑工程学院上海，201418）（3.南京航空航天大学土木与机场工程系南京，210016）（4.郑州大学土木工程学院郑州，450001）摘要伴随我国经济快速发展，火/核电厂大型冷却塔建设保持快速增长势头，呈现超高、超大的发展趋势。
风荷载作用下的冷却塔塔筒壳体风致稳定和结构风振效应成为结构设计建造的关键控制因素。
笔者从理论分析、试验模拟、数值计算、现场实测4个方面论述了冷却塔风致稳定和风振效应系列研究进展，阐明了基于环向均匀加载的冷却塔稳定验算公式难于适用复杂风压条件下壳体弹性稳定分析与评估，强调了基于现场实测建立超高雷诺数条件下动态绕流物理风洞试验模拟准则的必要性，推荐开展风致动力分析中冷却塔结构阻尼比实测工作。
面向台风和龙卷风等特异风灾气候结构效应研究的现实需求，亟需开展特异风场作用下大型冷却塔壳体失稳和结构风振效应和机理的研究。
关键词大型冷却塔；风致稳定；风致振动；现场实测；特异风灾中图分类号TU331问题的引出冷却塔是火/核电厂二次高温循环水的冷却基础设施，是电力建设发展的重大生命线节点工程。
全世界第1座32.3m高的钢筋混凝土冷却塔诞生于1918年的荷兰。
1965年，冷却塔高度首次突破百米时，发生了英国渡桥电厂塔群风毁事故，由此拉开了冷却塔抗风研究的序幕［1］。
随后几十年间，欧美发达国家相继出现了多次严重的冷却塔风毁事故［2］（1973年英国Adeer电厂、1978年美国Willow Is⁃lands电厂、1979年法国Bouchain电厂、1981年美国Grand Gulf电厂、1984年英国Fiddler´s Ferry电厂），但据此开展的系统研究工作推动了大型冷却塔建设和规模的发展。
桥梁风致响应
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.3
大跨度桥梁自振频率（续）
中国苏通长江大桥 (L=1088 m)
f 0 . 098 Hz , 侧弯： ps
竖弯：f 0.175Hz, hs 扭转：fts 0.532Hz
f pa 0.270Hz f ha 0.215Hz
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
t 抖振 涡振
t 颤振或弛振
t
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.结构动力特性
4.1 结构计算模型 (1) 按施工阶段划分(缆索承重桥梁)
桥塔自立状态、主梁拼梁状态、全桥成桥状态
(2) 按主梁离散划分
单梁式、双梁式、三梁式
4.2 结构振型分类
(1) 按对称性划分—对称和反对称
(2) 按特征值划分—一阶、二阶、… (3) 按振动特性划分—侧向弯曲、竖向弯曲、扭转
单自由度 发散 振动 多自由度
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2. 静风响应
2.1 静风作用
顺风向荷载(along-wind load) 阻力(drag force) 横风向荷载(cross-wind load) 升力(lift force) 扭矩荷载(torsional moment) 升力矩(pitching moment) 位移(2个线位移+1个角位移) 风压(局部位置垂直于表面) 反力(2个力+3个矩)
2
ref
1 dp Q U u 2 dt
1 dp 2 U 2U u 2 dt
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
(1)准定常假定(续)
1 dp L f U u B CL CL ' ref 2 dt 1 ' U 2 B CL ' 2 C p C L L h nB / U 2
风致振动简述讲义课件
04
风致振动的预防与控制
风致振动的监测技术
风速监测
通过风速传感器实时监测风速， 了解风致振动发生时的风速条件
。
振动监测
在建筑物或设施的关键部位安装振 动传感器，监测风致振动产生的振 动响应。
数据采集与处理
利用数据采集系统对传感器数据进 行采集，并通过信号处理技术对数 据进行处理和分析，提取风致振动 的特征信息。
风致振动的控制方法
改变建筑物或设施的形状和结构
01
通过优化设计，降低建筑物或设施对风的敏感性，减少风致振
动的发生。
增加阻尼减震装置
02
在建筑物或设施中安装阻尼器、减震器等装置，吸收和消耗振
动能量，减小振动响应。
改变运行方式
03
通过调整建筑物或设施的运行方式和规律，降低其对风的敏感
性，减少风致振动的发生。
桥梁风致振动
总结词
桥梁风致振动是指由于风的作用导致桥梁产生的振动现象。
详细描述
桥梁作为重要的交通基础设施，其安全性至关重要。桥梁风致振动是桥梁设计中的重要问题之一，由 于风的作用可能导致桥梁的振动和摇晃，长期下来可能造成结构的疲劳和损伤。为了确保桥梁的安全 使用，工程师需要充分考虑风致振动的影响，采取有效的措施进行设计和加固。
电力系统风致振动
总结词
电力系统风致振动是指由于风的作用导 致电力系统产生的振动现象。
VS
详细描述
电力系统是国家经济发展的重要基础设施 之一，其稳定性和可靠性至关重要。风致 振动可能对电力系统的正常运行产生影响 ，如线路的摇晃和相位的偏移等。为了确 保电力系统的稳定运行，工程师需要充分 考虑风致振动的影响，采取有效的措施进 行预防和应对。
风致振动的数学模型
风车的动力原理解析
风车的动力原理解析风车是一种广泛应用于能源领域的设备，它利用风的动力来转动叶轮，通过机械传动将风能转化为电能或机械能。
本文将从深度和广度两个标准出发，对风车的动力原理进行解析。
一、风的动力来源于气流运动的动能。
让我们了解一下风的本质。
风是指大气中因温度、压力和湿度差异而引起的气流运动。
当太阳辐射能量加热地球的不同地区时，会产生热空气上升和冷空气下沉的运动。
这种气流运动形成了大气中的风。
风的动力源于气流运动的动能，而风车的工作原理就是利用这个动能。
当风吹过风车的叶轮时，风的动能被转化为风车叶片的动能。
风车的叶片通常呈扇形且具有弯曲，这样一来当风吹向叶片时会产生气流分离。
这种气流分离的效应导致风车叶片产生扭矩，并转动风车轴。
二、风车的传动装置将风能转化为机械能或电能。
一旦风车叶轮开始旋转，风车的传动装置就会介入工作，这个装置可以将风能转化为机械能或电能。
常见的传动装置是风力发电机。
当风车叶轮转动时，它驱动风力发电机的转子旋转。
风力发电机内部的电磁装置会感应出来自转子旋转的磁场变化，并将它转化为电能。
这样，通过电磁装置的作用，风能成功转化为电能，供电网络中的家庭和企业使用。
除了风力发电机，风车的传动装置还可以是机械驱动装置。
这种装置利用风车叶轮的旋转转动一系列的齿轮或带动其他机械装置，实现了从风能到机械能的转化。
这种机械驱动装置在农村地区广泛应用，用于驱动水泵或磨盘等设备。
三、风车的效率与影响因素在分析风车的动力原理时，我们也需要考虑一些影响风车效率的因素。
风速是影响风车效率最重要的因素之一。
风车的效率与风速的关系呈指数增长。
当风速很低时，风车无法产生足够的动力；而当风速过大时，风车叶片容易受损，甚至会发生断裂。
风车的设计需要综合考虑不同速度下的工作状态，以最大限度地提高风能的转化效率。
风车的叶片形状和数量也对效率有着重要影响。
传统的风车叶片形状为弯曲的扇形，但随着科技的进步，研究人员提出了一些新的叶片设计，例如硬质叶片和空气动力学叶片。
脉动风效应对转体结构的稳定性影响研究
98中外公路第40卷第6期2 0 2 0年1 2月DOI：10. 14048/j.issn. 1671-2579. 2020. 06. 020脉动风效应对转体结构的稳定性影响研究王家伟，孙全胜‘(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150036)摘要：以往对转体结构稳定性敏感性分析的因素是：静力荷载工况、地震荷载工况、转动 速度及加速度等，忽略了脉动风效应对桥梁稳定性的影响。
该文通过有限元分析方法，研究了脉动风效应对结构的动力响应。
对横向、竖向脉动风对结构产生的弯矩与静力风效应产生的弯矩进行对比分析.利用球铰压应力沿径向变化指标，评价脉动风效应对结构稳定性的影响。
结果表明：脉动风效应对结构稳定性影响较大，其产生的横向不平衡力矩是确定桥梁转盘尺寸的重要因素，而非仅由转体重量唯一控制。
关键词：转体施工；有限元分析；桥梁稳定性；T形刚构；脉动风；风致振动1前言转体工艺始于20世纪40年代，最早在拱桥的拱架施工中采用竖转法使拱架拼装合龙。
在竖转法产生 30多年后，才在竖转法的启迪下开始了平转法的尝试。
1976年，奥地利多瑙河运河大桥施工时，对跨度 为（55. 7 +119 +55. 7) m的双塔斜拉桥采用了平转施 工，转体重量3 000 t，成为世界上采用平转施工的第一座斜拉桥。
随后桥梁转体施工在世界范围内迅速发 展，其转体重量由千吨级上升到万吨级，从有平衡重转 体发展到无平衡重转体，从直线桥梁转体发展到曲线桥梁转体。
目前转体重量最大的桥梁位于中国山东菏 泽市，转体重量为2.48万t。
静力荷载工况对结构稳定性的影响已经有较多报 道.•主要研究了主梁单侧超重、改变钢束张拉力、静力 风、混凝土重度及弹性模量、转盘尺寸等参数的变化对 结构的响应。
王立峰、袁崇伟以一座斜拉桥转体施工为例，提出自重、斜拉索张拉力、收缩徐变对转体桥梁的稳定性影响较大；鲁锦华在《大吨位连续刚构桥转体 施工控制及稳定性》中，以挠度变化率(9、应力变化率〇>作为转体桥梁稳定性判断指标，得到静力风荷载对转体结构稳定性的影响。
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1.3.2风对高层建筑的作用
高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其
结构设计时的主要控制荷载。
风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。
在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。
第1章绪论
1.3.
2.1顺风向风效应
我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:
矶=刀:户:拜，叽(l一10)
式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中
给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分
别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。
一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速
脉动引起。
Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率
谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。
高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年
来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中
必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。
1.3.
2.2横风向风效应
横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励
等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。
当
建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。
由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程
界的热点问题。
横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。
国外的ohkuma[01]、H.choil92)以及
国内的梁枢果[93]、顾明194]、徐安【84]等都相继提出了横风向风荷载功率谱的数学模型。
横风向风振应通过随机振动理论计算，vicke夕95】、Kareem[9e]和Kwoklgv]等对高层建筑横
风向振动的计算方法进行了详细的阐述和探讨;梁枢果等给出了矩形高层建筑横风向风振响应的简化计算方法[98]。
1.3.
2.3扭转风效应
扭转风荷载则是顺风向紊流、横风向紊流和漩涡脱落共同作用的结果l”]。
高层建筑的
浙江大学博士学位论文2008
风致扭转力矩与结构的平面形状有很大关系，往往平面形状不规则的高层建筑会引起较大的风致扭矩，从而导致较大的扭转响应。
xIEJi而ng等199]在研究多幢高层建筑风扭矩的基础上，
提出了结构“等效偏心”的概念。
扭转风荷载谱特性的研究是高层建筑风致扭转响应计算的前提，各国学者根据风洞试
验，分别提出了相应的扭转风荷载谱的数学计算模型11呱，“3]，但这些模型大都针对矩形截面
的高层建筑，对其它复杂体型的高层建筑罕有涉及。
高层建筑平面布置的不规则往往会造成结构的偏心，即质量中心与刚度中心不重合。
偏
心将导致结构在风或地震等动力荷载作用下出现弯扭祸合扭动的现象，从而导致结构动力响应的增大[104·107]。
1.3.3高层建筑的风致响应计算
1.3.3.1计算方法概述
随机风荷载作用下的高层建筑响应问题是一个随机振动问题。
随机振动问题的求解方法
可以分为时域法和频域法两种，前者在时域内按荷载步进行逐步求解，而后者则在频域内按照随机振动理论的谱分析方法进行求解。
时域计算方法将计算时间内的随机荷载分为若干荷载步，以当前荷载步作用下的结构响
应作为下一个荷载步计算的初始条件，从而进行逐步求解。
该方法的计算精度与计算时间的长短和荷载步的多少有很大关系。
朋ls口n一O法和Newmark法是时域内求解结构振动的两
个最为著名的方法。
频域法通过傅立叶变换将动力学方程从时域转换到频域，再利用功率谱分析的方法对动
力方程进行求解。
频域法计算过程简单，计算速度快;但该方法以结构响应的均方根为计算结果，均方根是一种统计意义上的结果，而时域法得到的是结构响应的时间过程，两者相比，频域法的计算精度低于时域法。
模态叠加法是频域内求解结构振动的主要方法。
近年来，大连理工大学的林家浩教授提出的虚拟激励法1108]逐步在结构风致振动中得到
了应用1109一，’0]。
该方法的本质就是根据激励的功率谱构造一种虚拟的简谐荷载激励，将任意
荷载激励下的振动问题简化为简谐荷载作用下的振动问题，使得结构响应谱的计算大为简化。
虚拟激励法是一种快速的cQc算法，有效的保证了计算结果的精度[l川。
第1章绪论
.3.3.2高层建筑的计算模型
高层建筑计算模型分为两大类:一类是精细有限元模型，这类模型主要在有限元软件中
建立;另一类是简化计算模型，简化计算模型又可以分为层刚片模型和平面杆系模型:
(l)平面杆系模型是以静力计算方法建立单元刚度矩阵和总刚度矩阵，然后根据自由
度缩聚方法消去非侧向位移的其他分量得到，其精度较高，但计算量大。
(2)层刚片模型虽然相对杆系模型计算精度稍差，但它计算简单，在结构设计分析中
应用更加广泛。
对侧向变形以层间剪切为主的结构，可采用层间剪切模型11’2】;而对于框一
剪结构、框一筒结构或者不能忽略因柱轴向变形而造成的弯曲变形影响的高层框架结构，可采用层间弯剪模酬，3-114]。
结构的偏心使高层建筑发生弯曲与扭转祸合振动，对结构风振起放大作用，因此偏心状
态下高层建筑计算模型的研究显得尤为重要1115-118]。
1.3.4高层建筑的等效风荷载研究
AlanGDavenportll’】提出了著名的计算等效风荷载的阵风荷载因子法(GustLoading Factors，GLF)，作者在文中将等效风荷载定义为平均风荷载与阵风荷载因子(GLF)乘积
的形式。
许多专家和学者在此基础上对GLF方法进行了改进和发展[87，，’9一23]。
KaPerski
等效风荷载，
提出了荷载响应相关法(LoadCorrelation，LRC)，该方法针对背景
与结构的响应类型有关，是一种能够导致结构峰值背景响应的可能的背景荷载
分布[l24]。
Hofmes给出了一种基于LRc方法的背景风荷载近似计算模型，该模型消除了不同响应类型的影响函数对背景等效风荷载的影响1125]。
chen等提出了计算背景等效风荷载的
阵风荷载包络法(GustfoadingEnveloPe)，该方法考虑了风荷载之间的相关性，对于高层建
筑来说，当不同高度风荷载之间完全相关时，背景等效风荷载的分布与均方脉动风荷载的分布相似1126]。
国内许多学者对高层建筑等效风荷载问题也做了很多重要的研究工作[4’，’27一，291。
1.3.5高层建筑的风振控制研究
结构振动控制的思想最早起源于50年代。
1972年，、乞。
l，30]基于古典和现代控制理论，提出了土木工程结构振动控制的概念，开创了结构振动控制研究的新里程。
结构控制根据是否需要外部能量，一般分为被动控制、主动控制和半主动控制[l3l]。
调频质量阻尼(TMD系统)和调频液体阻尼器(TLD系统)是高层建筑风振控制中应
用最为广泛的两种控制装置。
欧进萍等研究了设置TMD和TLD系统的高层建筑风振分析·】3·
浙江大学博士学位论文2008
与抗风设计的实用方法，并导出满足舒适度标准的结构动侧移界限和相应的计算公式l’321，其后作者又进行了主动质量阻尼(AMD)对高层建筑风振和地震反应的控制作用[l33];瞿伟
廉等研究了五种被动动力减振器对高层建筑风振反应控制的设计方法[l34];梁波等在考虑水箱和结构之间祸合作用的基础上，研究了防晃水箱对高层建筑风振反应的控制作用1135】、黄
斌等将传统的TMD系统与磁流变阻尼器相结合，研究了智能TMD半主动控制系统对高层建筑风振响应的抑制以及当控制系统的输出反馈状态受限时的控制方法11361。