风工程学习报告1

《结构抗风理论与实验》学

习报告

一、结构风工程研究的现状

结构风工程问题研究是风工程学科形成的起源。经过半个世纪的发展, 已经奠定了结构风工程的理论基础, 可以满足一般结构的抗风设计要求。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。

结构风工程: 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。

在风工程学科中, 结构风工程问题作为学科发展的起源, 始终处于核心的地位, 也是历届国际风工程会议中论文作者最多, 规模最大的分组。此外, 减轻灾害和保护环境又是人类面临的两大使命, 因而结构风工程和环境风工程的研究就更具有重要的意义。

经过半个世纪的发展, 结构风工程研究已取得了许多成果, 奠定了理论基础, 为结构的抗风设计提供了基本的参数和近似的风载和风振分析手段。应该说, 从工程应用的观点看,对于一般的大跨、高耸结构, 现有的理论和方法可以满足设计要求。下面分几个方面介绍结构风工程的现状, 并对其发展前景作一展望。

工程结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。任何建筑物、构筑物的设计，尤其是高层建筑、高耸结构和大跨度屋盖、大跨

度桥梁这类柔性结构的设计，必须从设计上保证这些建筑物、构筑物在其设计寿命中的抗风能力，即在风荷载作用下的安全性、实用性和可靠性。

二、结构抗风的理论基础

结构抗风的理论基础是建筑空气动力学。建筑空气动力学是由流体力学（理论流体力学和实验流体力学）、结构动力学、随机振动、概率论、控制论等多门学科组成的一门边缘学科。其研究方法包括理论分析、现场实测和风洞试验。

风洞试验

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。目前的主要难点是地形对近地层风特性影响的模拟和风切边（风速和风向）同时沿高度变化的模拟。

在风洞中进行污染扩散实验时，则除了要求模拟速度边层外，还要求模拟温度边界层，满足平均温度廓线和温度层结特性相似。在风洞中模拟温度边界层的主要方法也有人工形成法和自然生成法两种。

自然生成法是将加热（或冷却）的气流与被冷却（或加热）的风洞底板产生热交换来生成。人工形成法是将气流通过一个可沿高度调节气流温度分层加热器来形成。在风洞中模拟温度边界层要比模拟速度边界层复杂，主要原因是在极低风速下才能形成比较稳定的温度层结，要求风洞试验段的风速在5m/s以下，极低风速对风洞流场将产生影响，因此，要进行综合优化设计。

风洞试验另一个有待探讨的问题是洞壁干扰的影响、地面效应的影响和雷诺数的影响，即风洞试验的数据如何用于对工程的评估。数值计算

近10年来，随着计算流体动力学（CFD）的发展，除了在航空和航天领域中得到广泛应用外，在风工程领域中亦得到了普遍的应用，并形成了一个分支学科，称之为计算风工程（CWG）。在风工程领域中研究的问题通常是钝体的低速不可压流动，钝体绕流是一种复杂的非定常流动，在流场中有驻点流、分离、旋涡和尾流，给数值模拟带来一定的困难。

首先是湍流模型，传统的kε-湍流模型在处理外形绕流问题时，常常对驻点及附近区域流场的湍流动能预测过高；另一方面，在物体前缘，除靠近物体表民的薄层外，流场的涡量却很低，因此，在计算风工程研究中湍流模型一直是最关注的课题。

-方程时，为了应用各种可压缩流的其次是在求解三维不可压N S

数值计算方法，可以采用虚拟压缩方法。但是，在计算黏性流动时收敛困难，稳定性差，特别是网格数增加后问题更突出，因此，在计算

风工程研究中，提高虚拟压缩方法求解定常不可压流问题的收敛性，亦是一个重要的研究内容，

最后针对风工程研究的对象要解决动态非定长流场的数值计算方法，目前采用离散涡方法是一种技术途径，但是需要提高精度。现场测试

现场测试是一种直接的研究方法，例如：测量局部地区的风谱，在建筑结构表面用传感器测量风荷载和数据处理，总结经验或半经验的污染物迁移和扩散的模式等。现场测试较真实地对工程模拟的结果进行验证，但是要花费大量的人力、物力和时间。特别是由于现场测试时，气象条件和地形条件等难以控制和改变，因此，用这种方法进行规律性的研究是很困难的。

三、结构风工程

1.风

风是地球大气层中空气的流动。由于地球上气温高的地方空气密度小，气压就低，而气温低的地方空气密度较大，气压高。这样空气由气压高的地方向气压低的地方流动，就产生了风。

地球上的风大体上可分为以下几种：①信风②季风③热带气旋（飓风、台风）④温带气旋（冬季冷锋）⑤龙卷风

2.风灾

风灾的基本知识：风灾，是指因暴风、台风或飓风过境而造成的灾害。风灾与风向、风力和风速等具有密切关系。

风向、风力、风级和风速

风向，是指风吹来的方向，例如由北方吹来的风叫北风。风向通常可由风向标等观察出来。风向标箭头指向的风向就是风吹来的方向。

风力，是指风的力量。风力的大小与风速大小成正比。

风级，风力的等级。一般分为十二十三级，速度每秒0.2米以下的风是零级风，32.6米以上的风是十二级风。按风力的大小，还可分为无风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、疾风、大风、烈风、狂风、暴风和飓风。微风风速2米/秒～3米/秒，相当于2级风，旗帜微微飘动，草微动，细树枝微动；和风风速4米/秒～7米/秒，相当于3～4级风，旗帜展开并飘动，草不停地摆动，细树枝晃动；强风风速8米/秒～12米/秒，相当于5～6级风，旗帜刮成水平并哗哗作响，草倒于地面，粗树枝摇动。

平均风力达6级或以上（即风速10.8m/s以上），瞬时风力达8级或以上（风速大于17.8m/s），以及对生活、生产产生严重影响的风称为大风。

大风除有时会造成少量人口伤亡、失踪外，主要破坏房屋、车辆、船舶、树木、农作物以及通信设施、电力设施等，由此造成的灾害为风灾。

3.概率论基础

风荷载是一种随机荷载，其荷载大小由风速大小来决定，而风速的大小随机变化，不重复出现。工程结构的设计者要预计该结构在其使用寿命（比如一百年，二百年）内可能遇到的最大风荷载，必须研