土木结构抗风研究进展及基础科学问题
建筑结构设计中的抗风性能研究与优化
建筑结构设计中的抗风性能研究与优化随着城市化进程的不断加速，高楼大厦成为现代城市的重要标志与特色，但同时也面临着自然灾害带来的挑战，尤其是抗风性能的要求。
建筑结构设计中的抗风性能研究与优化，成为了工程师们需要解决的重要问题。
一、抗风性能的重要性建筑结构在受到强风的作用下常常会产生振动现象，如果结构刚性不足或者设计不合理，很容易导致结构破坏，甚至发生倒塌事故。
因此，抗风性能的研究与优化对于确保建筑安全和人员生命财产安全具有至关重要的意义。
二、风荷载的评估与计算抗风性能的研究和优化首先需要进行风荷载的评估与计算。
通常采用的方法有：国家标准规定的静风和动风荷载计算方法，还有一些国际上通用的风洞试验与计算方法。
这些方法可以根据建筑的性质和地理环境的风速特性，对风荷载进行准确的评估与计算。
三、抗风结构设计与优化在风荷载计算的基础上，需要进行抗风结构的设计与优化。
抗风结构的设计包括选择合适的材料和结构形式，并确定适当的结构刚度与强度。
优化设计则是通过计算机模拟和试验验证，对结构的参数进行调整和优化，以提高抗风性能。
常见的优化方法有：增大结构的刚度和强度，采用减震和承载体控制等。
四、影响抗风性能的因素抗风性能的优化与研究受到许多因素的影响，包括：结构形式、几何形态和尺寸、材料力学性能、结构连接方式、地基土的承载能力等。
工程师需综合考虑这些因素，进行系统的计算和分析。
五、国内外抗风技术与经验借鉴在建筑结构设计中，可以借鉴国内外的抗风技术与经验。
例如，日本在地震频繁的环境下，建筑结构的抗震与抗风技术相对成熟，可以从其经验中汲取灵感；美国则在抗风方面积累了丰富的研究成果，将其应用到建筑结构中，提高了抗风能力。
六、未来展望随着科技的不断进步，建筑结构设计中的抗风性能研究与优化也将取得更多的突破。
未来可能会涌现更多针对不同地理环境和建筑形式的抗风技术，同时应用新材料和新工艺，提高抗风能力，并且结构设计中的可持续性和环境友好性也将得到更多关注。
结构抗风性能的数值模拟研究
结构抗风性能的数值模拟研究风是自然界中一种常见的力量，对于建筑物、桥梁、高塔等结构来说，风的作用可能会带来严重的影响。
为了确保这些结构在风荷载作用下的安全性和稳定性，对结构抗风性能的研究至关重要。
数值模拟作为一种有效的研究手段，在结构抗风性能评估中发挥着越来越重要的作用。
在实际情况中，风对结构的作用是复杂多变的。
风速、风向、风的湍流特性等因素都会影响结构所受到的风荷载。
传统的风洞试验虽然能够提供较为准确的结果，但存在成本高、周期长、试验条件受限等问题。
而数值模拟方法则可以在一定程度上克服这些不足，通过建立数学模型和运用计算机求解，快速获得结构在不同风况下的响应。
进行结构抗风性能的数值模拟，首先需要建立合理的数学模型。
这包括对风场的模拟和对结构的建模。
对于风场，通常采用湍流模型来描述风的流动特性。
常见的湍流模型有雷诺平均 NavierStokes 方程（RANS）模型、大涡模拟（LES）模型等。
RANS 模型计算效率较高，但对于复杂的湍流流动可能精度不足；LES 模型能够更准确地捕捉湍流的细节，但计算成本也相对较高。
在实际应用中，需要根据具体问题的特点和计算资源选择合适的湍流模型。
对结构的建模则需要考虑结构的几何形状、材料特性、连接方式等因素。
在数值模拟中，可以将结构简化为梁、板、壳等单元组成的有限元模型。
通过赋予单元相应的材料属性和边界条件，来模拟结构的力学行为。
在确定了数学模型之后，还需要选择合适的数值求解方法。
常见的求解方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。
这些方法各有优缺点，例如有限元法适用于复杂几何形状的结构，但计算量较大；有限体积法在处理流体流动问题时具有较高的精度。
在进行数值模拟时，边界条件的设置也非常关键。
对于风场，需要确定入口风速、出口压力、壁面条件等。
对于结构，需要设置约束条件和加载方式。
例如，对于建筑物，可能需要考虑底部固定约束和顶部的风荷载分布。
为了验证数值模拟结果的准确性，通常需要将其与风洞试验结果或实际观测数据进行对比。
建筑结构的抗风设计与控制
建筑结构的抗风设计与控制随着现代建筑技术的不断发展，抗风设计与控制对于建筑结构的安全和可持续发展至关重要。
本文将探讨建筑结构的抗风设计原理、措施与方法，并分析其对建筑的影响和作用。
1. 抗风设计的重要性建筑结构的抗风设计是指在建筑物的设计与施工过程中，考虑到气象条件和气候特点，采取相应的措施和设计原则，使建筑物能够抵御风力的作用，确保其在长期使用中的稳定性和安全性。
抗风设计对于建筑结构来说至关重要，不仅直接关系到人民的生命财产安全，还关系到建筑物的使用寿命和经济效益。
2. 抗风设计原理抗风设计的基本原理是通过减小风力对建筑物的影响，降低风力对建筑物结构的作用，增强建筑物的抵抗力和稳定性。
其主要原理包括：2.1 稳定原理：通过设计合理的结构形式、选择适当的材料和构造，使建筑具有足够的抗倾覆和抗倒塌能力。
2.2 减小风力影响原理：通过合理的立面设计、减小建筑物与风的迎角、设置遮挡物等方法，降低风力对建筑物的作用。
2.3 控制风振原理：通过合理选择阻尼系统、增加刚度和强度，控制风振的产生和传递，保证建筑物结构在风载荷作用下的稳定性。
3. 抗风设计的措施与方法为了实现建筑结构的良好抗风性能，需要采取一系列的措施与方法。
以下是一些常见的措施与方法：3.1 合理的建筑形态设计：选择具有较小风力影响的建筑形态，如流线型、圆形、卵形等，并避免棱角过多的设计。
3.2 优化构造设计：通过合理的结构配置和布置，提高结构的稳定性和抗风性能。
例如增加立杆、加强柱子和梁的抗风刚度。
3.3 选择合适的材料：选用具有良好抗风性能的材料，例如高强度混凝土、结构钢等。
3.4 设置风挡和遮阳装置：在建筑物的外立面或周边设置适当的风挡和遮阳装置，减小风力对建筑物的直接作用。
3.5 增加阻尼措施：在建筑物结构中增加适当的阻尼系统，如阻尼器、减震墩等，以减小风振效应。
4. 抗风设计对建筑的影响与作用抗风设计不仅可以提高建筑结构的抗风能力，还可以对建筑物的整体性能和舒适度产生积极影响。
中国桥梁结构抗风研究进展
中国桥梁结构抗风研究进展摘要：随着科学技术的发展，随着桥梁设计和施工水平的不断提高，桥梁的跨度也在不断增加，现代桥梁的跨度纪录不断被刷新。
进入21世纪后，桥梁跨度将突破2000米，甚至可能达到5000米。
而在桥梁跨度增加的同时，结构免不了采取措施减轻自重，也使得桥梁结构对于风的作用更加敏感，风也成为了桥梁设计中不可避免的问题，因此桥梁结构的抗风研究也愈来愈被人们重视。
本文将对中国桥梁结构抗风研究的现状与进展做出简要概述。
1.引言21世纪中国的桥梁工程取得了巨大的成就。
2008年6月30日，世界第一大跨径斜拉桥——苏通长江大桥正式通车；2008年5月1日，世界第一跨海大桥——杭州湾大桥正式通车；2003年6月28日，世界第一钢拱桥——上海卢浦大桥正式通车；2007年10月29日，世界第一座公路轻轨两用桥——重庆菜园坝长江大桥正式通车；2003年8月29日，世界上最大的跨径V撑梁式大桥——广州琶洲大桥正式通车……而不论是世界第一大跨径的斜拉桥亦或是世界第一跨海大桥，风力作用都是一个很严峻的问题，也是不可不考虑的因素，这就对我国的桥梁抗风研究有了很大的要求，而为了建成更长的桥、更稳固的桥，也要求桥梁的抗风研究取得更大的进展。
2.中国桥梁结构抗风研究进展2.1概述风对桥梁结构的作用机理十分复杂,是一种时间、空间变化的作用。
它受到风的特性、结构的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。
2.2静力作用对桥梁的影响如结构刚度较大因而几乎不振动,或结构虽有轻微振动。
但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态,因而不影响气流对桥梁的作用力,则风对桥梁的作用可近似地看作为一种静力荷载。
桥梁在风的静力作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。
对于强度和刚度问题,如现行桥规中所规定的那样,主要需考虑桥梁在侧向风载作用下的应力和变形。
另外，对于静升力较大的情况,也需要考虑竖向升力对结构的作用。
对于柔性较大的特大跨度桥梁，则还需要考虑侧向风荷载作用下王梁整体的横向屈曲,其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力距增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳问题。
土木工程结构风场实测及新技术研究的进展
摘 要 ：土木工程结构风场实测结果是掌握结构风荷载作用机理和结构动力响应及破坏机理最直接的资料， 也是
修正 现 有 试验 方法 和理 论 模 型 最 为 权威 的依 据 。 简要 回顾 了具 有 高柔 低 阻 尼 特 性 的 高层 建筑 和 高 耸结 构 、 度 桥 梁 和 大跨 大跨 空 间 结 构 的 发展 ，分析 了土 木 工程 风场 实 测 对 于 结 构 抗 风 设 计 的 重 要 意 义 。对 土 木 Ｔ 程 风 场 实 测 及 实 测 新 技 术 的 研 究 进 展 进 行 了综 述 ， … 丁无 线 传感 网络 用 于 土 木 ＿程 风场 实 测 需 要 解 决 的 关键 技 术 问 题 。 提 ｒ 关 键 词 ：土 木 丁程 结 构 ； 茼 载 ； 风 台 ； 场 实 测 ； 技 术 ； 线传 感 网络 风 新 无
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第２ ７卷第 ｌ Ｏ期
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土 木 工 程 结构 风 场 实 测 及 新 技 术 研 究 的 进 展
申建 红 ， 李 春 祥
（ ． 岛理 学 土 木学 院 ， 岛 １青 ｒ 大 青 ２ ６２ ； ． 海 大 学 土木 系 ， ６５０ ２上 上海 ２０７） ００ ２
高致 使结构 风荷载 的设计 和风 致振 动 响应 的估 计与 控 制 成为结构 工程设计 面 临 的主要 问题 。国 内外 关 于地
震作 用下 高层 建 筑结 构 响 应 、 损失 识 别 及 结构 安 全 等 方 面的研究 远多 于对 频 繁风荷 载 作用 下结 构 的风致 振 动 响应 、 劳损伤 及舒 适度设 计 的关 注 。 疲 风洞试验 是土 木一 抗风 研究 依靠 的主要 手段 和 ｒ程
土木工程结构设计问题研究
土木工程结构设计问题研究1. 引言1.1 研究背景土木工程结构设计是土木工程领域的重要研究方向之一。
随着社会经济的不断发展和城市化进程的加快，土木工程结构设计的质量将直接影响到建筑物的安全性、稳定性和使用寿命。
对土木工程结构设计的研究不仅具有重要的理论意义，更具有现实意义。
土木工程结构设计的研究背景主要包括以下几个方面：随着技术的不断进步和社会的快速发展，土木工程结构设计的要求也越来越高。
传统的土木工程结构设计方法已经不能满足复杂建筑物的需求，因此需要不断探索创新的设计理念和方法。
土木工程结构设计在日常生活和生产中扮演着重要角色，任何一处设计失误都可能导致灾难性的后果，因此必须加强对其设计过程和关键环节的研究。
随着人们对建筑环境质量和安全性要求的提高，土木工程结构设计的研究已经成为现代建筑领域的热点问题之一。
土木工程结构设计的研究背景极为广泛且具有重要意义，对该领域的深入了解和探讨将有助于推动土木工程结构设计的不断发展和完善。
1.2 研究意义土木工程结构设计问题是当前土木工程领域的重要研究课题。
研究土木工程结构设计问题的意义主要体现在以下几个方面：土木工程结构设计的合理性直接关系到工程的安全性和可靠性。
通过研究结构设计问题，可以有效地提高工程结构的抗震性、抗风性等性能，保障工程在面临自然灾害等情况下的稳定性和安全性。
土木工程结构设计的优化可以有效减少工程材料的使用量，提高工程的经济性和环保性。
通过研究结构设计问题，可以实现材料的合理利用，减少浪费，降低工程成本，同时减少对环境的破坏。
土木工程结构设计问题的研究还可以促进工程技术的进步和创新。
通过对结构设计问题的深入探讨，可以不断寻求更加先进的设计方法和技术，推动土木工程行业的发展。
研究土木工程结构设计问题具有重要的理论价值和实践意义，对提高工程质量、降低成本、保护环境等方面都有着积极的促进作用。
深入研究土木工程结构设计问题具有非常重要的意义。
2. 正文2.1 土木工程结构设计的基本原则土木工程结构设计的基本原则是在工程结构设计的过程中，必须遵循一系列原则来确保结构的安全、稳定和经济。
土木工程中的桥梁抗风设计与风洞试验
土木工程中的桥梁抗风设计与风洞试验桥梁是人类工程建设中重要的交通基础设施之一，承载着行车和行人的负荷。
然而，桥梁在面临自然风力时容易受到影响，因此，桥梁抗风设计成为土木工程中的一个重要研究课题。
为了确保桥梁的结构安全稳定，需要进行风洞试验以获得准确的数据和参数。
本文将介绍土木工程中的桥梁抗风设计与风洞试验的过程和方法。
1. 风力荷载分析在设计桥梁抗风的过程中，首先需要进行风力荷载分析。
风力荷载与桥梁的形状、横截面积、高度、桥墩和桥塔的形式等因素有关。
根据风力荷载的计算公式，可以确定桥梁所承受的最大风速和风力矩。
这些数据对于桥梁的设计和结构稳定性至关重要。
2. 桥梁结构设计根据风力荷载的分析结果，工程师需要进行桥梁的结构设计。
这包括选择合适的材料、确定桥梁的几何形状和尺寸，以及考虑桥墩和桥塔的位置和形式。
通过合理的结构设计，可以提高桥梁的抗风能力和稳定性，确保桥梁在强风条件下不发生变形和破坏。
3. 风洞试验风洞试验是桥梁抗风设计中不可或缺的一部分。
通过在风洞中模拟真实的风场环境，可以获取桥梁在不同风速下的响应和振动情况。
这些数据对于验证结构设计的准确性和完整性非常重要。
在风洞试验中，可以测量桥梁的振动频率、应力分布和位移情况，从而评估桥梁的抗风能力和结构稳定性。
4. 风洞试验的步骤风洞试验的步骤包括模型制造、模型安装、风洞试验和数据分析。
首先，根据实际桥梁的设计参数，制造一个比例缩小的桥梁模型。
然后，在风洞中安装模型，并确保模型的稳定性和安全性。
接下来，通过风机产生一定的风速，在模型前方产生风场。
同时，使用传感器和测量仪器记录桥梁的振动和位移情况。
最后，将获得的数据进行分析和比对，评估桥梁的抗风能力和结构稳定性。
5. 风洞试验的优势相比于其他测试方法，风洞试验具有以下优势：- 可以模拟不同风速、不同风向和不同风场条件，准确地测量桥梁的响应情况。
- 可以对桥梁的各个部位进行针对性测试，提供全面的数据支持。
土木工程学科进展及研究方法
土木工程学科进展及研究方法土木工程学科是工程学科中的一项重要学科，它研究与建筑、结构、道路、桥梁、隧道、水利等有关的工程问题。
随着社会的发展和科技的进步，土木工程学科也在不断进步和发展，涌现出许多新的研究方法和技术。
一、土木工程学科的进展近年来，土木工程学科取得了许多重要的进展。
首先，建筑结构材料的研究和应用得到了很大的突破。
新型材料的应用不仅提高了建筑物的强度和耐久性，还减少了资源的消耗和环境的污染。
其次，结构分析和设计方法的改进使得建筑物的结构更加合理和安全。
通过运用现代计算机技术和仿真软件，土木工程师可以更好地预测和分析结构的行为，从而避免潜在的结构问题。
此外，施工技术的创新和发展也为土木工程的实施提供了更多的选择和可能性。
新的施工方法和设备的应用不仅提高了工程的效率，还减少了对人力资源的依赖，降低了工程成本。
二、土木工程学科的研究方法在土木工程学科的研究中，有许多常用的研究方法。
首先，实地调查是土木工程研究的基础。
通过对工程现场的实地考察和勘测，研究人员可以获取大量的实验数据和现场情况，为后续的分析和设计提供基础。
其次，实验室试验是土木工程研究的重要手段。
通过设计和进行各种实验，可以验证理论模型的准确性和可行性，为实际工程提供科学依据。
此外，数值模拟和计算机仿真也是土木工程研究的重要方法。
通过运用计算机软件对结构进行模拟和分析，可以更好地研究结构的行为和性能，为工程设计和施工提供指导。
三、土木工程学科的未来发展随着科技的不断进步，土木工程学科还有许多待解决的问题和挑战。
首先，环境保护和可持续发展已经成为当今社会的重要议题。
在土木工程中，如何利用可再生能源和绿色材料，降低工程的碳排放和环境影响，是一个亟待解决的问题。
其次，城市化进程的不断加快也给土木工程带来了新的挑战。
如何在有限的土地资源上建设更高、更大、更安全的建筑物，是土木工程师需要思考和解决的问题。
此外，自然灾害的频发也给土木工程提出了更高的要求。
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土木结构抗风研究进展及基础科学问题顾明(同济大学)摘要：风灾是自然灾害的主要灾种之1.近年来,由于全球气候变暖,风灾更加严重,每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元.土木工程结构抗风研究是防灾减灾领域中非常重要的学科方向.本文首先简要回顾了结构风工程学科的历史;然后从近地风特性和结构响应实测,风洞试验理论和方法,大型复杂结构风荷载和响应机理及结构抗风性能和设计方法研究,低矮房屋的风荷载及破坏特性和设计,土木结构风荷载和效应的数值模拟及数值风洞,强风暴作用下结构荷载和响应控制,风灾评估方法及评估系统等方面评述了结构风工程学科在近20年中的进展;最后,提出了土木结构风工程学科的关键科学问题与建议的重点研究方向.关键词：土木结构,风工程,历史回顾,学科进展,科学问题1 研究意义风灾是自然灾害的主要灾种之1.据媒体报道,2004年北美的"珍妮","查理"和"伊万"等飓风造成2000多人死亡,直接经济损失约500亿USD;2005年美国"卡特里娜","丽塔"飓风造成逾千人死亡,经济损失高达千亿美元以上.2004年"云娜"台风也造成我国浙江省约180人死亡,直接经济损失200多亿人民币;2005年,至少有8个强台风灾我国东南,华南沿海地区登陆,造成数百人死亡,数十万间房屋倒塌和损坏,直接经济损失数百亿人民币.随着经济的发展和科学技术的进步,近2十年来,国内外建造了大量的重大工程建筑结构.仅在上海陆家嘴地区,已建和拟建的400米以上的结构有4栋,200米以上的超高层建筑有十多栋.计划中的意大利Messina大桥的主跨达3000多米,我国在建的苏通长江大桥是世界第1的斜拉桥,主跨达1088米.我国奥运会及世博会的申办成功,将建造大量的大跨空间结构.此外,发达国家甚至提出了千米高度量级的"空中城市"的概念.强风作用下结构的风荷载和响应是结构安全性和适用性的控制荷载之1.为了降低强风暴灾害所造成的损失,发达国家进1步加大了研究和开发的投入.据悉,美国国会最近通过法案,启动了国家减风灾计划(National Wind Hazards Reduction Program―NWHRP),有关抗风研究和开发(The wind related research and development)的费用由500万美元/年增加至2300万美元/年.日本政府也已启动了COE(Center of Excellence,2003-2007)计划,增大投入,开展相关研究.上世纪60年代,现代风工程研究奠基人A.G. Davenport教授将概率方法用于风特性研究和结构风响应研究(Davenport 1961, 1967),奠定了结构风工程研究的基础.70年代,R.H.Scanlan 教授建立了桥梁颤振和抖振研究方法的框架(Scanlan 1971,1977).基于这些奠基性工作,经过4十多年的努力,结构风工程研究理论研究取得了很大进步,同时解决了大量的工程实际问题,推动了科学进步和社会发展. 风工程是涉及气象学,空气动力学,工程力学,结构工程学和防灾工程学等多门学科的交叉学科.土木结构风工程的主要研究内容包括：近地风特性,建筑钝体空气动力学和气动弹性力学,结构的风荷载和响应及破坏机理,结构风荷载及响应的控制方法,结构抗风设计方法等.主要涉及的工程对象为：大跨空间结构,高层和超高层建筑,高耸结构(电视塔,输电线塔等),大跨桥梁,大型工业结构(大型起重机和工程施工机械等),低矮房屋等.研究的主要方法包括：现场实测,风洞试验,理论分析和数值模拟.2 历史回顾及近期主要进展2.1 近地风特性和结构响应实测现场实测是结构抗风研究中非常重要的基础性和长期性的方向.人们已在这1方面做了大量工作(Simiu 1973;Harris 1968; Owen 1974; Batts, et al. 1980;Xu, et al. 2001).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). 人们还认识到不同机制的强风具有不同的结构.对于土木结构威胁最大的台风,雷暴和龙卷风的平均风剖面和紊流结构均不相同(Holmes, et el. 2001; Kwok, et el. 2001;Letchford, et al. 2002b).雷暴在50~100米即可达到最大风速.美国,澳大利亚等用雷达和塔上的风速仪测量过雷暴的特性(Letchford, et al, 2002b).在所有类型的强风中,龙卷风是威力最大的1种.人们为测量龙卷风发明了多种专门设备,获得了1些认识(Holmes, 2004).特殊地形下的风速分布也是近地风特性研究的1个重要方面.特殊地形主要可划分为：悬崖(1个斜面),山脊(2个斜面),丘陵(多斜面)和山谷.地形的变化将引起风速重分布(Gardner et al., 2003).相关成果反映在1些国家规范中(ASCE Standard 1998; Australia Standard 1989 ) .在测量风特性的同时,人们1直重视实测结构的响应.研究人员在Houston的Fred Hartman 桥,香港青马大桥和日本明石海峡大桥等桥上进行了长期实测(Xu, et al. 2000a; Zhu, et al. 2001;Miyata, et al. 2001).除了大跨桥梁外,还特别关注高耸结构和高层建筑风致响应的测量(Isyumov, et al. 1975; Kwok, et al. 1990, 2000; Lovse, et al. 1995; Xu, et al. 2000, 2001; Li, et al. 1998).此外,美国Texas Tech Univ. 风工程研究中心专门建造了供长期实测的低矮房屋实尺度模型(Levitan, et al. 1991).现场实测结果是掌握结构风荷载作用机理和结构响应及破坏机理的最为直接的资料,也是修正现有试验方法和理论模型的最为权威的依据.尽管人们在强风分布及结构响应的实测方面做了很多努力,但是,由于强风分布特性现场实测的费用大,周期长,难度大,人们对近地风特性的认识还远不清楚.目前国际上常用的几种脉动风速功率谱值(Davenport谱, Kaimal谱和Karman谱等)在某些重要频段内相差很大,甚至以倍计.脉动风速相干函数指数的推荐范围上下限的不同取值(Simiu, et al. 1996)可能造成结构响应计算值的成倍差别.台风的平均风剖面和紊流结构及登陆后的衰减特性如何此外,人们对特殊地形(包括我国西部地区复杂地形)的强风分布特性的理解也还甚浅.风参数的不确定性是影响结构抗风设计精度最重要的因素.2.2 风洞试验理论和方法风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法.借鉴航空领域的技术和方法,风洞试验在土木工程结构的抗风研究中发挥了巨大的作用.但相比而言,土木工程结构的模型试验和航天航空器的模型试验有很多不同之处.前者外形非常复杂,而后者则相对简单;前者处在高湍流的近地风场中且风场变化类型多,而和后者相关的流动则是低紊流流动;此外,前者尺度大,因而模型缩尺比例小,导致雷诺数模拟的难度比后者更加突出;前者处在低速流动中,不需要考虑流体的压缩性,而后者则需考虑流动的压缩效应,等等.Cermak(1971)和Cook(1973,1977)提出大气边界层模拟的基本方法1致沿用至今.被动模拟方法虽然简单实用,但很难实现高紊流度,特别是大紊流尺度的模拟.为了提高模拟风场的紊流度和紊流尺度,研究人员还提出了主动紊流模拟方法.对特殊风暴(比如雷暴和龙卷风)特性的模拟,目前尚存在不少困难.在风洞中模拟特殊风暴是风工程研究的1个方向(Gast, et al. 2003; Letchford, et al. 2002a).除了风场模拟外,模型和试验设备及试验技术也是风洞试验的重要方面.近年来,试验设备及数据采集和处理系统的发展使得风洞试验在土木结构抗风中有了更广泛的应用.同步多点压力扫描系统(Steckley, et al.1991; Cermak 2003)可获得结构表面定常和非定常风压的时空分布特征;测压管路信号修正方法(Iwrin, et al. 1979)以及气压平均方法(Gumley 1983)保证了测试结果的精度.在结构风荷载描述和预测方面,POD方法(Holmes 1990; Bienkiewicz, et al. 1995) 和人工神经网络(Flood, et al. 1994; English, et al. 1999; Khanduri, et al. 1995) 等方法得到研究和应用.高频底座动态测力天平是近2十多年发展起来的用于高层高耸结构风振研究的主流方法(Cook, 1983).用天平测得的模型基底弯矩本质上是模型的1阶广义风荷载,由此可方便地计算结构的1阶动力响应.针对这1方法基于理想振型假设和忽略气弹效应的不足,已提出了有效的修正方法(Xu, et al. 1993; Zhou, et al. 1999).大跨桥梁是典型的线状结构,2维节段模型的定常和非定常气动力试验及弹簧悬吊节段模型的动力试验是获取桥梁气动力和气动弹性力的主要方法(Scanlan, et al. 1971; Sarkar, et al. 1994; Gu, et al. 2000).强迫振动测力,测压方法和气弹模型测压方法在识别气动弹性耦合效应中显示了作用(陈振清,等2002;Fediw et al. 1995).气动弹性模型风洞试验是直接获取响应或识别风荷载的1种重要方法.理论上来说,气动弹性模型设计必须严格模拟流动特性和结构的动力特性.但由于其制作难度,经常放宽相似条件.需要说明的是,即使对于难以模拟质量相似的轻型结构,也不能放宽质量相似条件.如果放弃质量相似,模型就不是气弹模型而是1种"气动"模型(Holmes 2004).大跨桥梁气动弹性模型主要包括全桥气动弹性模型和拉条模型(Scanlan 1997).高层高耸结构的气动弹性模型主要包括多自由度气弹模型和单自由度气弹模型(Isyumov 1982).前者制作困难,常用于高阶振型参与的高耸结构的风振试验;后者制作相对简单,基本能反映1阶振型为主的高层建筑的动力响应特性,较多应用于高层建筑试验.尽管大跨空间结构的气动弹性模型设计制作更加困难,但她仍是重要大跨空间结构风致振动响应研究的1个重要方法(Holmes 2004).结构风洞试验还存在很多重要的基本问题有待深入研究.风洞中模拟的紊流度难以达到实际值,特别是紊流尺度相似更难以模拟.最为常用的被动方法模拟出的紊流尺度分布只能是上小下大,这和实际情况恰恰相反.在进行常见尺寸风洞中进行复杂地形风场特性试验时,通常受到堵塞率等因素的影响(Kwok, et al. 2001).气弹模型模拟相似律主要适用线弹性范围,而索膜结构的风致响应具有严重的非线性特征――非线性模拟相似律是新出现的重要问题.雷诺数相似更是1个经典的但至今还无法很好解决的问题.此外,在结构风工程研究中目前很少应用流动显示技术来研究荷载及响应机制.2.3 大型复杂结构风荷载和响应机理,结构抗风性能和设计方法40多年来,结构抗风研究的主要集中于大型土木结构的风荷载,响应和设计方法等方面.高层建筑和高耸结构的顺风向荷载和响应机理已基本清楚,基本建立了其顺风向抗风的理论体系(Davenport, 1967, 1993,1995, 1999;Isyumov, 1999),主要成果也反映在多数国家的建筑荷载规范中(ASCE Standard 1998; Australia Standard 1989;AIJ 1993; Canada 1995).但随着建筑高度和柔性的增加及外形的更加个性化,横风向响应逐渐大于顺风向振动,扭转振动问题也更加突出.通过测压和动态天平测力模型的风洞试验,对高层建筑的横风向荷载机制和分布特征有了较为清楚的理解(Kareem,1982;Marukawa, et al. 1992; Melbourne, et al. 1999;Liang, et al. 2002; Gu, et al. 2004),对扭转荷载也有了1定的认识(Katagiri, et al. 1992; Holmes, et al. 2003; Flay, et al. 2003; Liang, et al. 2004).横风向气动阻尼对超高层建筑的横风向响应有较大影响,也是研究人员关注的问题(Marukawa 1996; Quan, et al. 2005).格构式结构外形和结构特性的复杂性决定了风荷载分布和响应特性比1般的高层建筑更为复杂,是结构风工程研究关注的1个重点(Holmes 1994, 1996).气动弹性模型试验是研究高耸格构式结构的风振特性的1个途径(Lou, et al. 2000; 楼文娟,等2000).等效静力风荷载是风工程研究者和结构工程师中的纽带,如何将脉动风荷载和结构振动等效成静力风荷载人们对这1理论进行了长期研究(Davenport 1967, 1993,1995;Kasperski, et al. 1992; Solari 1990; Piccardo, et al. 1998; Zhou, et al. 1999, 2000, 2001),成果已反映在相关国家的规范中.群体高层建筑的干扰效应也是目前建筑结构抗风研究的1个主要内容,过去主要研究两个建筑物中的风荷载和响应的干扰机理和规律(English, et al., 1999; Kwok, 1995; Khanduri, et al., 1998; Taniike, et al., 1988; Huang et al., 2005),最近Xie等(2004,2005)对3个高层建筑中的干扰效应进行了系统研究.此外,围护结构风荷载作用和破坏机理也是建筑结构抗风研究的1个重要方面(Lawson 1976;Dyrbye, et al. 1997,Li, et al. 1999; Schettini, et al. 1998; Kawai, et al. 1996).数十年来,在Scanlan 方法基本框架的基础上,研究人员在桥梁风致振动响应分析的精细化方法方面做了大量研究(Xiang,et al., 2002), 包括颤振和抖振的多模态乃至全模态计算方法(谢霁明,等1985;Scanlan 1990; Jain, et al. 1996;Ge, et al., 2000a);气动导数和气动导纳的识别方法和应用(Scanlan, et al. 1971, 1978; Sarkar, et al. 1994; Cigada, et al. 2002;陈振清, 等2002;Chen, et al., 2002; Gu, et al. 2000, 2004);考虑非线性和紊流效应的响应计算方法(Diana, et al., 1998; Zhang, et al., 2002; Chen, et al. 2003a,2003b);雷诺数效应(Schewe et al. 1998; 李家武,等2004);斜风作用下桥梁的响应(Xu, et al. 2003; Zhu, et al. 2002,2005);概率分析方法(Ostenfeld, et al. 1992;Ge, et al., 2000b)及风振疲劳(Gu, et al. 1999)等等.桥梁风振机理也是研究者关注的重点(Matsumoto, et al., 1995). Matsumoto等从新的视角研究了著名的Tacoma桥的风振机制(Matsumoto, et al. 2003)以及气动措施控制颤振的机制(Matsumoto, et al. 2001).需要说明的是,目前对颤振机理的认识是初步的,尚不能定量指导桥梁颤振性能的研究和分析.斜拉桥拉索的风雨激振是1个严重的工程问题和理论难题(Hikami, et al. 1988; Matsumoto, et al. 1990, 1992, 1995).目前主要通过现场实测和风洞试验(Main, et al. 1999;Matsumoto, et al. 1995;Gu, et al. 2005)和理论分析(Yamaguchi 1990; Gu, et al. 2001;Wilde, et al. 2003)来研究拉索风雨激振的机理,已初步认识到雨水在拉索表面形成的雨线以及雨线在拉索表面的周向震荡是其可能机制(Verwiebe, et al. 1998;Matsumoto, et al. 1995;Gu, et al. 2001).同时,研究人员也在研究拉索风雨激振的控制方法.合适的气动措施可阻断雨线的形成,达到很好的控制效果(Kobayashi, et al. 1995;Gu, et al. 2005).人们还研究了阻尼器控制拉索振动的理论和方法(Xu,et al. 1999;Yu,et al.1999),并在实桥上成功应用(Chen, et al. 2002, 2004).由于形状复杂,大跨空间结构风荷载的时空分布比大跨桥梁,高层和高耸结构复杂很多.刚性模型多点同步测压是研究大跨空间结构风荷载分布的主要方法.目前已明确认识到,准定常假设1般不适用于大跨空间结构的动力风荷载(Holmes 2004;周714496-.doc ( 65.5 K)下载次数118。