结构风效应

结构风效应

主要内容

风对结构作用

风洞试验方法

桥梁抗风研究

建筑结构抗风研究

卢浦大桥抗风研究

1、风对结构作用

什么是风——风是空气相对于地球表面的流动

为什么有风——地球自转；太阳对地球表面不均匀加温风是一种力——大小；方向

风速随时间变化——平均风速；脉动风速（紊流强度）风速随空间变化——风速剖面（指数律）

空气流动中的旋涡——紊流尺度、功率谱密度风对结构的作用是一种复杂力的作用

1.1自然风特性

1、风对结构作用（续）

静力作用(平均风) ——结构强度、刚度、稳定性

结构变形或破损

外装饰(幕墙)、辅助设施破损、飞落

强迫振动(脉动风) ——顺风向抖振(疲劳)

横风向涡激振动(含扭转振动)

人感不适(起居、工作、行走)

1、风对结构作用（续）

自激振动(风与结构相互作用) ——自激性涡激共振

单自由度自激发散振动

弯曲颤振、扭转颤振、驰振

耦合自激发散振动(弯扭耦合颤振)

悬索桥、斜拉桥

尾流驰振(尾索、输电线等)

缆索雨振(斜拉索)

1.2风的作用现象（续）

1、风对结构作用（续）

环境影响——建筑物周围的风环境恶化（风干扰）

局部地区的风环境恶化（质量迁移）

污染物扩散(汽车尾气、有害工业气体)

风噪声(阳台、窗框、桥栏杆等)

室内通风换气不良

1.3风的作用现象（续）

1、风对结构作用（续）

科学研究——数理模型、实验室试验、现场实测

理论分析——只有极少数问题有解析解

计算流体动力学(CFD)方法

风洞试验——目前和今后一段时间的主要方法

现场实测——最精确的方法，难于实时捕捉

1.4研究方法

2、风洞试验方法

什么是风洞——使空气按一定规律流动的管道风洞分类——按用途、风速、尺寸、结构型式大气边界层风洞

——模拟自然风特性

——试验区良好的流场品质

风洞中的自然风特性模拟

——被动式方法（尖劈加粗糙元；格栅）——主动式方法（具有可控调节功能）

2.1 大气边界层风洞

2.2 结构模型风洞试验

相似准则——基本条件

基于动力平衡方程

结构：惯性力、弹性力、重力、阻尼力

空气：惯性力、粘性力

相似参数——基本参数

模型与实际结构间的相似关系

2、风洞试验方法（续）

2.2 结构模型风洞试验（续）

2.4 结构风洞试验历史

1904年：第一次结构风洞试验，早于航空风洞

1940年：Tacoma海峡桥的风毁事故

1950年：F.B. Farquharson教授的Tacoma桥风洞试验

1960年：A.G. Davenport教授提出边界层风洞试验理论

1965年：第一座大气边界层风洞诞生（加拿大西安大略大学）90年代：大型大气边界层风洞建设

——日本土木研究所（筑波）40m×4m×30m

——中国同济大学15m×2m×14m

--------丹麦DMI（海洋研究所）13.6m×1.7m×15m

3.1 静力气动力测量

目的：测定作用在桥梁上的静力气动力

模型：刚体模型（主梁、塔柱、构件）

要点：避免三维效应（端板，辅助模型）

测量：应变式测力天平（三分力）

3.2 动力气动力测量

目的：测定桥梁的振动响应及动力气动力

模型：弹簧悬挂二元刚体节段模型

要点：避免流场中的干扰因素（外支架）

结构阻尼的模拟

测量：竖向平动与扭转运动

仪器：加速度计

位移计

应变计

3.3 三维全桥模型试验

目的：测定架设全过程及成桥状态的三维振动响应

模型：三维气动弹性模型

要点：满足结构力学、空气弹性力学相似条件

需要大试验尺寸的风洞

自然风场的模拟

测量：结构的振动响应

形态：颤振、涡激共振、抖振

3.4 桥梁抗风主要成就

大跨度桥梁设计关键问题——抗风设计

大跨度桥梁抗风研究里程碑

1990年：上海南浦大桥抗风研究（世界第三斜拉桥）1994年：上海杨浦大桥抗风研究（世界第一斜拉桥）1998年：江阴长江大桥抗风研究（世界第三斜拉桥）2003年：上海卢浦大桥抗风研究（世界第一拱桥）

大跨度桥梁抗风研究未来

2008年：苏通长江大桥抗风研究（世界第一斜拉桥）2008年：舟山西堠门大桥抗风研究（世界第一悬索桥）4.1 表面风压测量

目的：幕墙设计、结构风荷载（积分得到）

模型：刚体模型

周围地貌和环境的模拟

测量：压力扫描阀

电子式、机械式

消除管路腔体谐振影响

4.2 基底反力测量

目的：建筑物整体或局部荷载

模型：刚性模型

脉动风力测量时，轻质刚性

测量：六分力应变式天平

脉动风力测量时，高频测力天平

分段测量时的模型及天平安装

4.3 振动响应测试

目的：结构的动力稳定性

舒适度

等效风荷载

模型：单自由度模型（顺＋横风向振动）

二自由度模型（顺＋横风向振动）

多质点系模型（考虑高阶振动）

气动弹性模型（三维多振型耦合振动）

测量：加速度、位移

4.4 风作用其他问题

高层建筑物间的风干扰（群体试验）

建筑物的尾流效应（尾流测量）

建筑物的风噪声（风噪声试验）

质量迁移——堆积荷载（雪、沙）（地形试验）

4.5 高耸结构抗风成就

高耸结构设计关键问题——抗风和抗震

高耸结构抗风研究里程碑