结构风工程方法论文

浅谈结构风工程的研究方法

摘要：风及其作用的研究历史与人类发展的历史一样久远。近年来，抗风研究方法成为防灾减灾领域中非常重要的学科方向。本文主要论述结构风工程的研究方法及其发展状况。

关键字：风工程，研究方法，学科进展

abstract: the wind and its function of research history and the history of human development as old. in recent years, the wind research method in the field of disaster prevention and mitigation become very important subject direction. this paper mainly discusses the structure of wind engineering research methods, and its development.

key word: wind engineering, research methods, subject development

中图分类号：tb482.2 文献标识码：a文章编号：

1.研究意义

风及其作用的研究历史与人类发展的历史一样久远。在许多神话和史前故事中，人类被风的威力与运动深深地吸引住。随着历史的发展，人类越来越认识到自然的循环规律，并认为风是一种能量运动。

在今天，风的研究主要有两个分支。第一个是如何最大程度地减少强风的破坏。另外一个分支是如何利用风能为人类服务。在风

工程的分支里，对风特性的研究是类似的。不过如何去抵抗风的破坏、免除人身伤亡是急迫的生存问题，更具有现实意义。

许多学者越来越对风与结构的相互耦合作用的研究感兴趣。早在半个世纪前，jensen 就证明了通过实验合理建立风模型，研究结构上风荷载的可行性。在近几十年里，现代风工程针对低矮建筑物的研究已经取得丰硕的成果。但是强风破坏的研究还是一个难题，需要风工程学者进行更深入的研究。

强风，飓风及龙卷风是危害最大的自然灾害之一，对生命与财产造成巨大的破坏。在2003年，加拿大中西部发生的龙卷风造成巨大的破坏，造成直接与间接的经济损失超过300亿美金；1998年北美飓风总共造成12000人伤亡。在灾难中，根据房屋的破坏程度，把结构主要分成三类：(1)没有进行抗风设计的；(2)进行小范围的抗风加固的；(3)进行了专业抗风设计的。没有进行抗风设计的房屋结构基本被摧毁倒塌；有局部抗风加固的结构也遭遇了严重的破坏；而进行了专业抗风设计的结构只收到轻微的破坏。

风灾中，大部分房屋的破坏主要以屋盖破坏为主。由于风洞试验的成本较高，许多建筑物并没有进行风洞试验研究。但是如果出现暴风，结构的破坏将是没法估计的。

随着科学技术的发展，轻质高强新型建筑材料的不断涌现，以及施工工艺的日新月异，大跨度柔性屋盖结构以其轻巧优美的姿态广泛应用于机场、体育馆、文体活动中心以及展览馆等公共建筑。但是由于这类建筑物质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点，

风荷载将成为建筑物结构设计的主要荷载。所以深入准确地研究风荷载对这类建筑物的作用以及湍流的形成机理是非常必要的。

2.结构风工程的研究方法

结构风工程学是风工程学的分支，主要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。结构风工程经过几十年的发展，形成了比较完善的体系，研究方法包括理论分析、现场实测、风洞模拟和计算风工程方法。

2.2理论研究

理论分析以结构随机振动理论为基础，综合应用结构力学和概率论的知识，用于结构顺风向的随机振动分析和横风向亚临界范围的随机振动分析与跨临界范围的确定性共振响应分析。在实际工程中，一般运用理论分析来指导工程计算和试验。

2.2全尺度实测

全尺度实测（现场实测）是最直接、最真实的研究手段，利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，可获得风特性和结构响应的第一手资料，是检验其他方法结果是否正确不可缺少的方法。

基于现场实测，近地风可处理为平均风速和脉动风速的叠加；平均风速沿高度可用对数律或幂函数来描述，而脉动风的主要特征是紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等。在初步掌握这些重要特性的基础上，给出了这些特征量的推荐值和推荐公式 (simiu, et al. 1996; sethu-ramam 1979; counihan 1975;

deaves, et al. 1978；kaimal, et al. 1972; davenport 1961; panofsky 1965)。

全尺度实测也有它的限制和困难：

(1) 费时、费力、花费较高。

(2) 只能对已经建成的建筑物及其周围风环境进行测试，无法对拟建建筑物进行风环境预测，且不能对将来由于建筑周围环境变化而可能出现的情况进行研究。

(3) 由于缺乏可控制的环境，很难去重复试验和研究流动的各种特性。

(4) 由于风流动非常态性，数据采集和分析也很困难。

2.3风洞试验

可控制环境下结构与风相互作用的研究可追溯到19世纪初。当时大部分风洞研究主要应用于航天应用，航天结构与建筑物的风洞试验也是在层流中进行的。一直到1958年，jensen 才将湍流边界层模型应用到测试建筑物的风洞试验。这正是因为设备、测量技术、来流地形模型和分析方法的巨大进步，边界层风洞试验才被广泛应用于风工程研究中。

自60年代初美国colorado州立大学和加拿大westernontario 大学建成边界层风洞以来，目前世界各国的边界层风洞已经达到上百座，我国也相继建成了 20 多座边界层风洞。风洞试验是在风洞实验室模拟大气边界层中的实际风环境和实际建筑结构，从实验室的模型风效应考察实际的结构效应，是人为控制条件下对结构风效