结构风工程研究进展与需求

葛耀君同济大学2012年5月4日中国气象局“资源环境与气象工程论坛(第11期)”结构风工程研究进展与需求报告提纲1.风工程历史回顾2.空气动力模型方法3.风洞实验模拟方法4.CFD数值计算方法5.风相关气象需求6.结论与展望1.风工程历史回顾自然风认识物质体现：酷暑树荫微风(Breeze)与隆冬风冷因子(Windchill)海外贸易助推器—风和船自然风对世间其它事物的重要作用精神标志：风神(GODOFWIND)GreekGod:ZeusJapaneseGod:FujinChineseGod:South第一个转折点(1760)JohnSmeaton:全世界第一个提出定量计算风荷载的英国人1759年提出第一张风荷载的计算表风荷载估算公式：百年后精确公式：两者差别：CD=2.0和=1.2kg/m3风工程第一个转折点：平均风效应22.1VPDCVP221全世界第一个土木工程师1.风工程历史回顾第二个转折点(1890)1879:苏格兰泰湾(Tay)铁路桥风毁，当场死亡90人84孔铸铁桁架式铁路桥（当时世界上最长桥梁）桥梁风毁风速30~35m/s（正直旅客列车过桥）设计风速U=36m/s、阻力系数CD=2.4。阵风效应？1889:法国埃菲尔(Eiffel)铁塔成功建成300m高铸铁桁架塔桅（当时世界上最高人工建筑）首次发现阵风风速并用于工程实践1889年假定：Vg=GV并应用：G=1.4~1.7百年后证明：Gm=1.7(加拿大CN塔)风工程第二个转折点：阵风效应1.风工程历史回顾第三个转折点(1940)1940:美国华盛顿州塔科马(Tacoma)桥建成后两个月风毁风速3~6m/s时涡振：1st&2nd对称竖弯模态涡激共振风速18~22m/s时涡振：7th&8th对称和反对称模态涡振风速19m/s颤振发散：1st反对称扭转模态风致颤振强烈振动直至振幅发散第三个转折点：风动力效应1.风工程历史回顾下一个转折点(xxxx)?The4thturningpointinwindengineering?气候变化？多介质耦合？多重灾害？Shouldnotbeadestructiveaccident!必须避免灾难性事故的发生！Havetoworkhardonwindengineering!风工程研究同仁必须努力工作！1.风工程历史回顾结构风工程研究方法（1940—2010）理论分析方法（有限、经验、可信）大气边界层空气动力模型(BLAF)物理实验方法（大量、实验、可靠）大气边界层风洞实验模拟(BLWT)数值计算方法（少数、数值、探索）计算流体动力学数值计算(CFD)1.风工程历史回顾大气边界层实测风速特性实测风速特性风速是随时间变化的，并且是非平稳的(non-stationary)。平均风速随高度增大，并且是非定常的(non-steady)。脉动风速随高度减小，并且是非线性的(non-linear)。012345678Time(minutes)204060WindSpeed(mph)503ft.210ft.40ft.2.空气动力模型方法（有限、经验、可信）风洞设备发展历史全世界第一个风洞设备:UKbyFrankWenhamin1871全世界第一次风压测试:DenmarkbyIrmingerin1893全世界第一次风洞试验:USAbyWrightBrothersin1901全世界第一次结构试验:FrancebyGustavEiffelin1909全世界第一个现代风洞:UKbyLudwigPrandtlin19173.风洞实验模拟方法（大量、实验、可靠）4.风洞实验模拟方法全桥气弹模型风致振动模拟抖振(Buffeting)：脉动风引起的随机振动4.风洞实验模拟方法全桥气弹模型风致振动模拟扭转颤振(Torsionalflutter)：平均风引起的扭转振动发散4.风洞实验模拟方法全桥气弹模型风致振动模拟耦合颤振(Coupledflutter)：平均风引起的弯扭耦合振动发散4.CFD数值计算方法数值计算简介方法：计算流体动力学(Computationalfluiddynamics)简称CFD，是用数值方法和算法原理求解和分析结构绕流问题。工具：计算机是用来进行数值模拟分析的主要工具，包括气体和流体与结构表面用边界条件定义的相互作用问题。目标：数值模拟计算要达到的目标是：通过编制的软件进行精确的或快速的模拟计算，解决跨音速或湍动流的绕流问题。验证：基于计算流体动力学CFD数值模拟计算的结果必须用风洞实验和现场实测进行有效性和可靠性验证。两类流动区别高速流动中的跨音速模拟：流动特点：高速、均匀流、流线体适用对象：航空、航天权威机构：美国NASA低速流动中湍流的模拟：流动特点：低速、湍动流、钝型体适用对象：桥梁、高层、空间结构权威机构：没有普适性方法湍流数值模拟被誉为“已知的最复杂计算”湍流模拟是混沌计算理论的核心云计算概念源于湍流数值模拟计算4.CFD数值计算方法5.风相关气象需求良态气候风特性（NormalWeather）平均风：基本风速、风剖面、重现期随机变量脉动风：功率谱密度、湍流强度、积分尺度随机过程瓶颈：高空风剖面、脉动风相关性平稳性飓风气候风特性（HurricaneWeather）平均风：特殊风剖面、强切变、风向时变脉动风：高湍流强度、大积分尺度、非平稳特征空间场特征重构：云图雷达实测资料多尺度反演、精细化台风工程数值模型反演场特征场参数随机特征：多变量概率依赖关系（中心低气压、最大风速半径、径向压力剖面系数、台风中心随机定位等）5.风相关气象需求特殊气候风特性龙卷风、雷暴风、飚线风等：结构风效应研究空白领域，亟需对特异风发生分布、强度、频度进行总体梳理，明确开展相关研究的必要性风雨联合分布概型概型：对国内局部区域已有初步研究拉索风雨振：风雨联合作用组合特征尚无实测资料证实（小雨强+高风速、大雨强+低风速）结构风雨效应：开展灾后调研明确风雨效应实际作用特征，寻求灾害案例5.风相关气象需求NSFC重大研究计划——“重大工程的动力灾变”灾害形式：强地震和强/台风重大工程：长大桥梁、大型建筑（超高层建筑、大型空间结构、城市大型地下建筑）和高坝研究手段：理论分析、模型试验、现场实测和数值模拟学科交叉：工程与材料、地球科学、数理科学和信息科学研究内容：重大工程的损伤破坏演化过程重大工程损伤机理和破坏重大工程动力灾变模拟系统5.风相关气象需求“重大工程的动力灾变”重点项目（第一阶段）1.登陆台风风场及其工程致灾特性研究宋丽莉2.登陆台风风场三维高分辨率结构模拟与分析研究梁旭东3.柔性桥梁风致振动与控制的现代理论体系研究陈政清4.超大跨度桥梁风致灾变关键效应与过程控制葛耀君5.大跨度桥梁结构风致动力灾变的原型观测与验证李惠6.超高层建筑风荷载、风致效应及其控制顾明7.超高建筑强/台风作用及其效应的现场实测与理论分析李正农8.大跨空间结构的风致关键效应与动力灾变行为杨庆山5.风相关气象需求“重大工程的动力灾变”集成项目（第二阶段）子项目群1（强台风场建模）宋丽莉、朱乐东子项目群2（大跨桥梁抗风）葛耀君、陈政清、李惠子项目群3（超高建筑抗风）顾明、李正农、李秋胜子项目群4（空间结构抗风）杨庆山、武岳6.结论与展望风致灾害研究针对：气候变暖说风暴频度提高、强度增大等多介质耦合风+雨、风+雪、风+碎片等多重灾害链强降雨、暴风雪、大洪灾等空气动力模型精细化针对：强风暴：平稳假定非平稳假定风荷载：定常假定准定常假定非定常假定风与结构：线性假定非线性假定结构风效应模拟方法方法：理论分析非定常、非线性、非平稳风洞实验雷诺数、湍流、边界层、相似率等数值模拟唯一性方法、替代性方法等6.结论与展望