第二章-自然风特性

1授课人：张玥建筑与土木工程学院《《桥梁抗风抗震桥梁抗风抗震》》西安科技大学桥隧1107-1108二零一四年授课人：张玥建筑与土木工程学院第二章自然风特性本章重点：风的成因、分类；边界层自然风、平均风时间特性、脉动风空间特性、脉动风时间特性。本章难点：风特性统计分析。对难点的解决从原理入手。教学目标：通过本章学习使学生对自然风特性有所认识和了解。授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1风的成因和类型¾风就是指空气相对于地表的流动¾太阳对地表加热的时空不均匀性z太阳辐射在地球表面分布的不均匀性z地球表面水陆分布、高低分布的不均均性z地球自转z对流层热传递的复杂性¾造成大气的热力和动力现象以及压力场的时空不均匀性¾造成空气的竖向对流和水平流动－风z冷空气往下沉z热空气往上升z热空气上升的地方气压降低，冷空气就会从傍边流过来补充其空缺空气的流动2.1.1风的成因授课人：张玥建筑与土木工程学院¾大气环流风－地球尺度¾热力二级环流－由高压或低压中心附近底层大气增热或冷却发展而成季风热带风暴¾温带气旋－中纬度地区最强的大尺度环流山脉阻挡的机械作用沿锋面两侧的气团相互作用¾地方性风z下山风（钦诺克风、焚风、布拉风）z急流效应风z雷暴风：下沉冷气流直线风、下击暴风z龙卷风2.1.2风的类型2授课人：张玥建筑与土木工程学院¾1805年：13个级别→1946年：风力等级又作了扩充为18个级别。2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级风力等级（简称风级）是风强度(风力)的一种表示方法，国际通用风力等级通常按英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的等级划分.它是按照陆上地物征象、海面和渔船征象以及10m高度处的风速、海面波浪高等进行划分，详细情况见下表。划分原则授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1.4地球大气层我们居住的地球被一层厚达1000km的大气所环绕着，这一环绕地球的大气层可分为对流层、平流层、中间层和热层。对流层：0～10km靠近地表的那一层大气，其厚度在赤道上空介于16‾18km，在中纬度和高纬度上空约为8～12km。对流层在这个大气层中所占的厚度不大，但由于它处于大气的最低层，压力和密度最大，所包含的空气质量几乎占了这个大气层质量的3/4。3授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1.4地球大气层对流层：0～10km9增热主要是依靠吸收地面长波辐射9温度随高度以约0.65°C/100m递减9在一定条件下，局部会出现“逆温”现象9存在强烈对流（竖向运动）平流层为对流层顶（对流层和平流层之间的过渡薄层）至离地表约50km范围内的大气，平流层的大气质量占了这个大气质量的比例接近1/4。平流层：10‾50km9气温一般随高度的增加而增加9空气几乎是水平流动授课人：张玥建筑与土木工程学院2.1.4地球大气层中间层：50‾85km9气温随高度急剧下降，空气稀薄、静止中间层为平流层顶至离地表约85km范围内的大气。热层：85km9太阳短波辐射使气温随高度急剧增加，最高可达2000°C9空气极其稀薄、静止热层为中间层顶以上的大气，有时也把其400km以下的部分称为高温层，把400km以上部分称为外层大气。热层中的大气质量只占整个大气总质量的约1/3000。外层大气非常稀薄，质量仅为全部大气质量的10-11，那里的空气分子有机会逸入太空而不与其它分子相碰撞。授课人：张玥建筑与土木工程学院自由大气层自由大气层99地面阻滞影响可忽略地面阻滞影响可忽略99风速与高度无关风速与高度无关99风向与等压线一致风向与等压线一致99在低、高压区在低、高压区••曲线等压线曲线等压线••无加速的空气相对于地表的水平运动可以通过定常风由气无加速的空气相对于地表的水平运动可以通过定常风由气压梯度力、地转偏向力和离心力的平衡条件确定压梯度力、地转偏向力和离心力的平衡条件确定把气压梯度力、地转偏向力和离心力到达平衡的、与高度无关的定常风速称为梯度风速，常用UG表示。对流层结构授课人：张玥建筑与土木工程学院99远离低、高压区的气象系统远离低、高压区的气象系统•近似直线等压线•定常风由气压梯度力、地转偏向力平衡条件确定当所关心的区域远离气象系统中的低压或高压区时，等压线的半径很大，曲率很小，可近似为直线，此时可忽略作用在空气微团的离心力，与高度无关的定常风速由气压梯度力和地转偏向力的平衡条件确定，成为地转风速。4授课人：张玥建筑与土木工程学院在大气边界层中，由于粗糙地表产在大气边界层中，由于粗糙地表产生的摩擦力的影响，风向与等压线成生的摩擦力的影响，风向与等压线成一定的夹角。随着高度的增加，地面一定的夹角。随着高度的增加，地面摩擦效应的影响逐渐降低，这种夹角摩擦效应的影响逐渐降低，这种夹角也越来越小，在梯度风高度处，夹角也越来越小，在梯度风高度处，夹角降为零，风向与等压线一致。大气边降为零，风向与等压线一致。大气边界层内风速风向随高度的这种变化规界层内风速风向随高度的这种变化规律可用如左图所示的螺线来描绘，从律可用如左图所示的螺线来描绘，从地面至边界层高度顶，风向角的变化地面至边界层高度顶，风向角的变化约为约为2020°°。由于土木工程结构均建在。由于土木工程结构均建在大气边界层中，因此大气边界层内的大气边界层中，因此大气边界层内的风特性是土木工程结构设计者最为关风特性是土木工程结构设计者最为关心的。心的。授课人：张玥建筑与土木工程学院对流层的结构大气边界层又可以分为近地面层和上部摩擦层。近地面层是指地面以上约100m范围的气层，在该气层中，大气与地面之间存在着非常强烈的相互作用，地面的地形地貌条件和摩擦的变化会较直接地影响该层大气的运动特性。在近地面层之上的摩擦层中，大气运动受地面的地形地貌条件和摩擦的影响减弱。此外，大气边界层中空气运动受地面热辐射变化的影响也较大，因此其风速有明显得日变化。例如，在午后，地面辐射增强使大气边界层的热力对流也随之加强，从而产生动量下传现象。受此影响，近地面层的风速会增大，平均风剖面线会从左图中的实线变为虚线。授课人：张玥建筑与土木工程学院大气边界层具有紊流特性z原因9机械效应——粗糙地表引起的摩擦效应9热传导效应——温度和热力不平衡引起z土木工程结构需要面对的大多数抗风问题都与强风有关9机械效应对风特性的影响要远远大于热传导效应9温度对强风特性的影响可以忽略9假设大气边界层是中性的授课人：张玥建筑与土木工程学院(1)风速是脉动的，不是平稳的(2)8分钟内的平均风速变化不大(3)平均风速随高度增大(4)脉动分量与平均风相比较小2.2近地风特性自然风实测记录5授课人：张玥建筑与土木工程学院桥梁、结构物主要受所在地近地风的影响，即大气边界桥梁、结构物主要受所在地近地风的影响，即大气边界层内空气流动特性的影响。结构物所在地的近地风特性层内空气流动特性的影响。结构物所在地的近地风特性是进行结构物抗风设计与验算的基本依据。根据大量风是进行结构物抗风设计与验算的基本依据。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：含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10分钟以上；另一种是短周期部分，常只有几秒左右。根据上述两种成分，我们将本质上是随机的自然风，分根据上述两种成分，我们将本质上是随机的自然风，分解成以平均速度表示的平均风和均值为零的脉动风，分别加解成以平均速度表示的平均风和均值为零的脉动风，分别加以研究，即以研究，即→→→+=vUV授课人：张玥建筑与土木工程学院脉动风速总是三维的，因此可用三个相互正交的分量脉动风速总是三维的，因此可用三个相互正交的分量u(tu(t))、、v(tv(t))、、w(tw(t))来表示：来表示：u(tu(t))－风速脉动沿平均风方向（顺风向）的分量，简称为顺风向脉动－风速脉动沿平均风方向（顺风向）的分量，简称为顺风向脉动风速，可与风速，可与UU进行代数叠加；进行代数叠加；v(tv(t))和和w(tw(t))－分别被定义为风速脉动沿与平均风方向垂直的水平方向－分别被定义为风速脉动沿与平均风方向垂直的水平方向和竖向分量，简称水平横风向脉动风速和竖向脉动风速；脉动风速和竖向分量，简称水平横风向脉动风速和竖向脉动风速；脉动风速的均值都为零。紊动的自然风以复杂的和随机的方式随空间和时间的均值都为零。紊动的自然风以复杂的和随机的方式随空间和时间变化，因此必须以统计的方法来处理。变化，因此必须以统计的方法来处理。授课人：张玥建筑与土木工程学院在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期大大的大于一般结构的自振周期，因考虑到风的长周期大大的大于一般结构的自振周期，因而这部分风虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用而这部分风虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用相近，因此可认为其作用性质相当于静力。相近，因此可认为其作用性质相当于静力。由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作律变化的。由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作用性质完全是动力的。用性质完全是动力的。平均风平均风脉动风脉动风授课人：张玥建筑与土木工程学院2.2.1平均风特性平均风特性场地基本风速风速沿高度分布的规律平均风速的攻角、风向6授课人：张玥建筑与土木工程学院（1）场地基本风速的确定基本风速是反映结构物所在地的气候特点的一个参数。基本风速的确定涉及地面粗糙度标准、高度标准、重现期与时距标准4个因素的选取，因此各种规范定义的基本风速标准可能不相同：我国气象部门标准高度是10m《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021－89）基准高度是20m《公路桥梁抗风设计规范》当桥梁所在地区的气象站具有足够的连续风观测数据时，可采用当地气象台站年最大风速的概率分布类型，由10min平均年最大风速推算100年重现期的数学期望值作为基本风速。授课人：张玥建筑与土木工程学院（1）场地基本风速的确定当桥梁所在地区缺乏风速观测资料时，可利用《公路桥规》JTGD60－2004中的全国基本风压分布图，将桥位所在地区的基本风压换算为基本风速。基本风速的确定要注意以下几个问题：我国规范规定标准地面粗糙度类别为比较空旷平坦地面，意指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。基本风速的测定应是在空旷平坦地区，即一类粗糙度地区，场地粗糙度对平均风速的影响后面再介绍。场地风速测量标准高度在同一地点，越靠近地面，近地风遇到障碍物越多，风能量损失越大．但离地越高，地面障碍物对风的影响越小，相应风速随着高度的增加而变大，我国规范规定离地10m高为标准高度。如果记录的风速不在这一高度，则应作相应的转换，转换成标准高度的风速。授课人：张玥建筑与土木工程学院（1）场地基本风速的确定假设不知当地气象台站年最大风速的概率分布类型的情况下，根据风速的统计分析，可采用皮尔逊Ⅲ和极值Ⅰ型概率分布类型。最大风速的概率分布类型注，上述参数的换算具体计算公式可参加《工程结构风荷载理论和抗风计算手册》授课人：张玥建筑与土木工程学院（1）场地基本风速的确定时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保证平均的结果能反映阵风性质。Davenport建议10～15分钟为最合适的时距。目前，多数国家采用10分钟为平均风速的时距，这是大多数国家包括我国的规定。有些国家取1h为平均时距，如加拿大，但也有3～5s时距的阵风风速。显然，对同一条风速记录，平均时距越短，所得的最大平均风速就越大。平均时距年最大风速重现期取100年重现期，意味着在100年之内，10min平均的年最