浅析结构风工程的研究方法
十木工程专业研究生课《结构风工程》教学方法探索
效果不同连续试验的对比分析 ， 并进行技术经济分析比较 ， 在 此过 程 中各种 运行 费用 难于 精确计 算 。 ４ ． 反 应器 的加 工需 要特 定 的专 业制 作 。
高校之一 ， 目标就是为国家培养高水平具有创新精神 的结
构风 工 Байду номын сангаас师 闭 。研究 生课 程是 研究 生学 习 的主要 途径 之一 ，
因此 《 结构 风工 程 》 的教学 改革 势在 必行 。作 为南 航这 门研 运 用综 合 知识 解 决 实 际 问题 的平 台 ，加 强 学生 独 立思 考 ，
当今 世 界 ， 科学 技术 突飞 猛进 ， 国际竞 争 日益激 烈 。 国 际间的竞争 ， 从经济竞争到科技竞争 ， 归根 到底是教育 的 竞争 ， 人才的竞争。研究生教育作为教育的高端 ， 在培养创 新 人才 中具 有决 定 意 义 ， 负 有 为 国家创 新 体 系输 送 高素 质 创新性人才的职责。创新意识 、 创造精神 、 创业能力 的培养 是 研 究 生 教 育 的 核 心任 务 ，是 建设 创 新 型社 会 的关 键 所
《桥梁与结构风工程》考试大纲100分满分
《桥梁与结构风工程》考试大纲 100分满分
课程名称：桥梁与结构风工程考试时间3小时
一、考试总体要求
本门课程主要考察学生对风工程的基本概念、基本原理和基本方法的掌握程度。
要求学生能熟悉和理解风工程的基本原理和基本方法，具备利用风工程的原理和方法分析解决实际问题的能力。
二、考试内容及比例
1、基本概念和基本假定（10%~15%）
(1)共同的：大气边界层；湍流强度；湍流积分尺度；平均风速剖面；
(2)桥梁方面：基本风速；设计基本风速；风攻角；阵风系数；静阵风系数；阵风荷载；地表粗糙度；静力扭转发散；静力横向屈曲；颤振；驰振；涡激共振；抖振；颤振检验风速；驰振检验风速；静力三分力
(3)结构方面：基本风压；体型系数；风振系数；阵风系数；风荷载标准值；风压高度变化系数；参考风速；来流静压；来流动压；刚性模型测压试验
2、风灾害问题（15%~25%）
(1)桥梁风致灾害问题
(2)结构风致灾害问题
(3)桥梁风工程和结构风工程研究内容
(4)风工程的研究方法
(5)风对桥梁的作用分类
3、抗风验算（15%~20%）
(1)桥梁静力稳定性验算的条件和基本方法
(2)桥梁驰振稳定性验算的条件和基本方法
(3)桥梁颤振稳定性验算的条件和基本方法
4、振动机理(20%~30%)
(1)驰振机理
(2)颤振机理
(3)斜拉索风雨振机理
(4)涡激振的机理
(5)抖振机理
5、研究方法(20%~30%)
(1)大气边界层模拟
(2)相似理论
(3)刚性模型测压试验
(4)桥梁节段模型试验
(5)全桥模型试验
(6)CFD方法
(7)振动控制方法。
浅析结构风工程的研究方法
浅析结构风工程的研究方法作者：姚远邵帅来源：《城市建设理论研究》2014年第06期摘要：结构风工程是土木工程领域的一个热门话题，已经引起了越来越多人的关注和研究。
本文介绍了结构风工程的历史，脉动风的概率特性，并总结了结构风工程的研究方法，可以为结构风工程的研究提供一定参考。
关键词：结构风工程；脉动风；研究方法；健康监测中图分类号：TU198文献标识码： A一. 结构风工程的历史工程结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。
结构风工程就是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。
风工程的第一个历史转折点是1760年，John Smenton提出了最早的风力计算公式：。
第一个转折点的意义是对于平均风作用的认识。
第二个历史转折点是1879年泰河铁路桥梁的倒塌和1889年埃菲尔铁塔的建成。
泰河铁路桥是一个84跨的铁桁架桥，被一阵30-35m/s 的风吹倒，而此桥梁的设计风速是36m/s. 埃菲尔铁塔在设计的时候就考虑了脉动风的影响。
第二个转折点的意义是认识到了脉动风的影响。
第三个历史转折点是1940年，美国塔科马大桥的倒塌。
塔科马悬索桥主跨853米，建好不到4个月，就在一场风速不到20m/s的在海峡产生上下和来回扭曲振动而倒塌了。
第三个转折点的意义是人们认识到了风的动力作用。
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。
二. 脉动风的概率特性风荷载包括平均风对结构的静力荷载和脉动风对结构的动力荷载。
脉动风荷载是随机荷载，它使结构产生随机振动。
要分析结构在脉动风作用下的随机响应，必须了解脉动风的概率特性，包括其概率分布、功率谱、空间相关性等。
脉动风特性包括脉动风速、风向变化、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱和空间相关系数等。
工程中风压-风荷载理论定义和计算方法
第一章风、风速、风压和风荷载第一节风的基本概念风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。
气流一遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。
风速愈大，对结构产生的压力也愈大，从而使结构产生大的变形和振动。
结构物如果抗风设计不当，或者产生过大的变形会使结构不能正常地工作，或者使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。
风引起对结构作用的风荷载，是各种工程结构的重要设计荷载。
风荷载对于高耸结构(如塔、烟囱、桅杆等)、高层房屋、桥梁、起重机、冷却塔、输电线塔、屋盖等高、细、长、大结构，常常起着主要的作用。
因而，风力的研究，对工程结构，特别对上述工程结构，是设计计算中必不可少的一部分。
对结构安全产生影响的是强风，可分为热带低压、热带风暴、台风或飓风、寒潮风暴、飑风、龙卷风等。
不同的季节和时日，町以有不同的风向，给结构带来不同的影响。
每年强度最大的风对结构影响最大，此时的风向常称为主导风向，可从该城市(地区)的风玫瑰图得出。
由于风玫瑰图是由气象台得出的，建筑所在地的实际风向可能与此不同，因而在结构风丁程上，除了某些参数需考虑风向外，一般都可假定最大风速出现在各个方向上的概率相同，以较偏于安全地进行结构设计。
关于需考虑风向的参数将在下面有关章节中加以说明。
风可以有一定的倾角，相对于水平一般最大可在±10°到—10°内变化。
这样，结构上除水平分风力外，还存在上下作用的竖向分风力。
竖向分风力对细长的竖向结构，例如烟囱等，一般只引起竖向轴力的变化，对这类工程来讲并不重要，因而只有像大跨度屋盖和桥梁结构，竖向分风力才应该引起我们的注意。
但其值也较水平风力为小，但属于同一数量级。
根据大量风的实测资料可以看出，在风的时程曲线中，瞬时风速。
包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10min以上；另一种是短周期部分，常只有几秒左右。
图1—1是风从开始缓慢上升至稳定值后的一个时程曲线示意图。
根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风(即稳定风)和脉动风(即阵风脉动)来加以分析。
风工程研究报告
风工程研究报告摘要：本研究报告深入探讨了风工程的概念、研究内容、研究方法、应用领域、重要成果以及面临的挑战和未来发展趋势。
通过对风工程相关理论和实际应用的综合分析，阐述了风工程在现代工程领域中的关键作用和重要意义。
一、引言风作为一种自然现象，对人类的生产生活和各类工程结构产生着显著的影响。
风工程作为一门交叉学科，旨在研究风与工程结构的相互作用，为工程设计和建设提供科学依据，以确保结构在风荷载作用下的安全性和可靠性。
二、风工程的概念与研究内容（一）概念风工程是研究风的特性、风对工程结构的作用以及工程结构在风荷载下的响应和性能的学科。
（二）研究内容1.风的特性包括风速、风向、风谱、湍流强度等的测量、分析和模拟。
2.风荷载计算确定工程结构所承受的风压力、风吸力等荷载的大小和分布。
3.结构风响应研究结构在风荷载作用下的振动、位移、应力等响应。
4.风致灾害评估预测和评估风灾对建筑物、桥梁、塔架等结构的破坏程度。
5.防风减灾措施研发和应用有效的防风、抗风设计方法和加固措施。
三、风工程的研究方法（一）风洞试验在风洞中模拟实际风场，对缩尺模型进行测试，获取风荷载和结构响应数据。
（二）数值模拟利用计算流体动力学（CFD）等方法，对风场和结构的相互作用进行数值计算和分析。
（三）现场实测在实际工程结构上安装监测设备，直接测量风荷载和结构响应。
（四）理论分析基于力学原理和数学模型，推导风荷载和结构响应的计算公式和理论。
四、风工程的应用领域（一）建筑结构确保高层建筑、大跨度屋盖结构等在风荷载下的安全性和舒适性。
（二）桥梁工程设计抗风性能良好的桥梁，避免风致振动和破坏。
（三）能源领域优化风力发电设备的设计，提高风能利用效率。
（四）航空航天研究飞行器在大气中的飞行特性和稳定性，保障飞行安全。
（五）体育场馆设计通风良好、无明显风干扰的体育场馆，提高运动员和观众的体验。
（六）城市规划考虑风环境对城市布局、建筑物密度和高度分布的影响。
关于超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用项目
关于“超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用”项目申请2019年高等学校科学技术进步奖的公示材料附件1：项目简介项目名称超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用推荐单位华南理工大学主要完成单位华南理工大学、广州大学、汕头大学项目简介本项目围绕超高层建筑风效应研究和抗风设计的重大理论和技术需求，在多项国家自然科学基金项目的支持下，针对超高层建筑风效应评估与风效应控制的关键理论和技术问题开展攻关，在超高层建筑结构风效应的现场实测研究、超高层建筑风洞试验与风振分析的新技术和新方法、群体超高层建筑的风干扰效应以及超高层建筑的风效应控制四个方面取得了创新性突破：1.建立了我国华南地区标志性超高层建筑风效应的远程多点同步实测基地，历时十余年，积累了大量台风风场和结构风致振动的第一手观测数据，验证了一些重大工程的前期风洞试验结果，提出了新的风场模型和结构动力参数识别方法，获得了一系列新结果并用于指导超高层建筑的抗风设计。
2.发展了超高层建筑风洞试验和风振分析的新技术、新方法。
通过大量工况的风场调试深入研究并发展了大气边界层风场被动模拟技术手段；提出了与完全二次型相关法（CQC）具有相同精度的大型复杂结构风振响应的快速算法——谐波激励法（HEM），并在此基础上提出了计算超高层建筑等效静风荷载的扩展荷载响应相关法（ELRC）；发明了高频底座测力天平（HFFB）的动力校准方法，在此基础上建立了基于HFFB技术的超高层建筑三维耦合振动响应和等效静风荷载计算方法。
3.开展了迄今为止国际上规模最大的群体超高层建筑风干扰效应风洞试验研究。
首次开展了对三个建筑物间风干扰效应的系统性研究，提出描述建筑物间干扰效应分布规律的有效定量表示方法，深入研究两栋和三栋超高层建筑间的风致荷载、风致舒适性、建筑表面风压的变化规律。
提出了一些可供实际工程应用的建议条款，被国家及广东省建筑结构荷载规范所引用。
4.从超高层建筑的气动抗风方法和结构抗风优化设计两方面出发，深入研究了超高层建筑风效应的控制技术。
建筑结构的风工程研究——从规范讲起
怎样进行风工程研究 How
41
测压——表面风压分布
net
-0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.3 -0.1 -0.10.2 0.1 0.10.2 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1
H(m)
250 200 150 100 50 0 1 1.5 2 2.5 3
z k z z10
z
基本风压
任意高度风速压
18
基本风压w0 高度变化系数μz 体型系数μs
各 高 度 风 速 压
与建筑物无关 与建筑物有关
19
体型系数
• 以来流风速压为基准得出的无量纲数
– 参考高度 – 与高度无关
结构特性
φj , H j (i)
35
大跨结构风振分析中的两个问题
• 振型密集
– 需包含多阶振型 – 应考虑振型交叉项，不能采用SRSS简化
36
大跨结构风振分析中的两个问题
• 准定常假定不适用
p(t ) s * Uu(t ) – 风压脉动包含两部分：来流和涡脱落
• 影响脉动强度 • 风压脉动的频谱特征与大气湍流相去甚远
-420
-420
-420
-400
pressure -200 -220 -240 -260 -280 -300 -320 -340 -360 -380 -400 -420 -440 -460 -480 -500 -520
-280 -300 -320
-44
0
-440 -400
40
Z
-460
土木工程防灾减灾知到章节答案智慧树2023年兰州理工大学
土木工程防灾减灾知到章节测试答案智慧树2023年最新兰州理工大学第一章测试1.以下属于人为灾害的是（）。
参考答案:工程事故灾害2.以下不属于发展型灾害的是（）参考答案:涝灾3.灾后重建中最重要的一环是（）参考答案:恢复生产4.从危险性上看，影响最大，长期潜在损失最大的自然灾害是（）参考答案:演变型5.灾害根据灾害发生特征可以分为（）参考答案:隐发性灾害;突发性灾害6.对土木工程产生直接危害的自然灾害是（）参考答案:地震灾害;地质灾害;洪水灾害7.我国防灾减灾坚持“以防为主，防抗救相结合”的方针。
（）参考答案:对8.工程防灾是防灾总体工作中的关键环节和重中之重。
（）参考答案:错第二章测试1.如下有关地震震级正确的信息是（）。
参考答案:2级以下地震称为微震，5级以上地震称为破坏性地震2.在隔震结构中，地震作用一般可以减小（）%，甚至（）%（）。
参考答案:50；753.消能减震装置从受力形式分可以分为（）。
参考答案:弯曲型;剪切型;扭转型;挤压型4.当主体结构基本处于弹性工作阶段式，结构地震作用的计算方法有哪些（）。
参考答案:底部剪力法;振型分解反应谱法;时程分析法5.我国建筑抗震规范根据建筑使用功能的重要性，将建筑抗震设防类别分为甲类、乙类、丙类和丁类等四个类别。
（）参考答案:对6.我国全部国土的地震加速度动峰值均不小于0.05g。
（）参考答案:对第三章测试1.倾倒式崩塌的特点是（）。
参考答案:失稳时岩体以坡脚的某一点为转点;高而窄2.下列哪些灾害属于地质灾害（）。
参考答案:泥石流;采空塌陷3.以下哪个选项不是造成滑坡的主要原因？（）参考答案:土壤性质4.以下哪个选项是地面塌陷的防治在原则指导下的治理措施？（）参考答案:旋转加喷法;钻孔充气法;清除填堵法;强夯法;灌注填充;跨越法;深基础法5.按滑坡体的主要物质组成分类，可分为（）、（）、（）和（）。
（）参考答案:粘土滑坡;黄土滑坡;堆积层滑坡;岩层滑坡6.在稳定性计算时通常把滑动面简化成——、——和——三种。
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浅析结构风工程的研究方法
摘要：结构风工程是土木工程领域的一个热门话题，已经引起了越来越多人的关注和研究。
本文介绍了结构风工程的历史，脉动风的概率特性，并总结了结构风工程的研究方法，可以为结构风工程的研究提供一定参考。
关键词：结构风工程；脉动风；研究方法；健康监测
一. 结构风工程的历史
工程结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。
结构风工程就是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。
风工程的第一个历史转折点是1760年，John Smenton提出了最早的风力计算公式：。
第一个转折点的意义是对于平均风作用的认识。
第二个历史转折点是1879年泰河铁路桥梁的倒塌和1889年埃菲尔铁塔的建成。
泰河铁路桥是一个84跨的铁桁架桥，被一阵30-35m/s 的风吹倒，而此桥梁的设计风速是36m/s. 埃菲尔铁塔在设计的时候就考虑了脉动风的影响。
第二个转折点的意义是认识到了脉动风的影响。
第三个历史转折点是1940年，美国塔科马大桥的倒塌。
塔科马悬索桥主跨853米，建好不到4个月，就在一场风速不到20m/s的在海峡产生上下和来回扭曲振动而倒塌了。
第三个转折点的意义是人们认识到了风的动力作用。
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。
二. 脉动风的概率特性
风荷载包括平均风对结构的静力荷载和脉动风对结构的动力荷载。
脉动风荷载是随机荷载，它使结构产生随机振动。
要分析结构在脉动风作用下的随机响应，必须了解脉动风的概率特性，包括其概率分布、功率谱、空间相关性等。
脉动风特性包括脉动风速、风向变化、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱和空间相关系数等。
脉动风特性对工程结构的风荷载和风响应有重要的影响，是大气边界层中风特性研究的重点。
目前主要困难是缺少对大气湍流运动的实测数据，因此，在工程结构设计中选用风参数时不尽合理，一般偏于保守。
另外，以风谱而言，目前国际上通用的是Davenport谱、Harris谱和Kaimal谱，它们是属于中性大气稳定度下的功率谱，其谱峰及峰值频率不尽相同。
脉动风速功率谱须由强风观测得到的风速记录得出。
常有两种途径：
（1）把强风观测记录经过相关分析建立相关函数曲线，再由傅立叶变换求功率谱的数学表达式。
（2）把强风记录时程曲线，通过超低频滤波器，直接测出风速的功率谱曲线。
三. 结构风工程的研究方法
结构风工程的研究方法主要有三种：理论分析，风洞试验和CFD模拟。
理论分析
结构风效应的组成为：
空气力模型的组成：
L、D、M分别为升力，阻力和升力矩，后面三项分别为静力量，自激励分量和强迫力分量。
对于静力分量：
、、分别为升力系数，阻力系数和升力矩系数，这三个系数都是α的函数，取值与B有关。
静风的响应包括位移，风压，反力和静风稳定性。
位移主要包括2个线位移和1个角位移；风压主要为结构上表面局部位置垂直于表面的风压；反力包括2个力和3个力矩；静风稳定性主要为桥梁的扭转或侧向发散。
对于自激力分量：
对于强迫力分量：
风洞试验
风洞试验的历史：1871年Frank Wenham在英国建立世界上第一个风洞，1901年建立了美国的第一个风洞；1917年建立了第一个现代化的风洞；1960年Davenport建立了第一个边界层风洞。
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。
CFD数值模拟
CFD是运用数值的方法和运算法则来解决与流体有关的问题。
CFD的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
CFD的长处是适应性强、应用面广。
以往工程结构的抗风研究主要采用试验的方法在风洞中完成，主要有以下优点：1）成本低，所需周期短、效率高；2）不受模型尺度的影响，可以进行全尺度的模拟，克服风洞试验中难以满足雷诺数相似的困难；3）可以方便的变化各种参数，及早发现问题。
总之，CFD较之风
洞试验又诸多优点，CFD正逐渐成为辅助传统风洞试验的强有力工具。
四.结构的健康监测
结构的健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应，以达到检测结构损伤或退化的一些变化。
基于风的结构的健康监测系统主要有以下作用：1）监控风环境和评估荷载状况；2）检验现代抗风设计体系；3）核实新的分析方法和电脑模拟；4）评估结构的性能和预测破坏情况；5）帮助人们在紧急情况下做出快速准确的决策。
监测系统的构成包括传感系统、数据采集与分析系统、安全监测和寿命评估系统。
传感系统主要包括加速度传感器、拾振器、光纤应变传感器、风速风向仪等传感器及其相应的信号放大、调理和接口装置；数据采集与分析系统用来接收传感器的信号并将数据处理成后继工作所需的格式，输出为经过过滤和压缩简化后的传感器数据、频谱数据以及其他特征数据；寿命评估的依据主要有设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准等信息，评估系统的目标是根据获得的大量信息，科学的、客观的评价结构的运行状态和安全性。
风环境的监测一般可采用风速计，常用的有风波风速计和声波风速计。
风波风速计的量程为风速小于90m/s，声波风速计的量成为风速小于60m/s。
风荷载的监测还包括风压监测和风振监测。
风压监测应与结构的风致响应相结合，已建立起有效的荷载响应关系，实现强风灾害的预警，以及风荷载作用下结构的损伤识别及性态评估。
五. 结束语
风工程研究的内容很多，有广阔的发展前景，它既要解决实际的工程问题又要注重风工程学科发展。
风工程研究要走风洞试验、数值计算和理论分析相结合的道路。
风工程是一门综合的技术科学，要进行多学科之间的联合。
参考文献
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