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

现场实测一一最精确的方法，难于实时捕捉

1.4研究方法

2、风洞试验方法

什么是风洞一一使空气按一定规律流动的管道风洞分类一一按用途、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

相似准则一一基本条件

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 x 4m x 30m 中国同济大学15m x 2m x 14m

---- 丹麦DMI （海洋研究所）13.6m x 1.7m x 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

1988 年：上海广播电视塔（青海路）抗风研究

1995 年：上海东方明珠塔抗风研究（世界第三高塔）

1999 年：上海金贸大厦抗风研究（世界第三高楼）高耸结构抗风研究未来

2008 年：上海环球金融中心抗风研究（世界第一高楼）

2008 年：北京奥运会主体育场抗风研究

2010 年：上海世博会场馆抗风研究