单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系,桥梁及结构风振理论及其控制来自,之第二讲,主讲教师,：,葛耀君,博士教授,自然风特性,同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁及结构风振,1,2,、平均风空间特性,1,、边界层自然风,3,、平均风时间特性,4,、脉动风空间特性,5,、脉动风时间特性,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2、平均风空间特性 1、边界层自然风 3、平均风时间特性,2,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1,.边界层自然风,1.1,地球大气层,图,1,大气层分布图,Roughness Element,Free Atmosphere,gradient height,ground surface,10,1,10,2,10,3,10,4,地表层,大气边界层,对流层,大气层,粗糙层,Roughness Layer,Surface Layer,Boundary Layer Atmosphere,Troposphere,Atmosphere,离地高度(m),梯度风高度,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.边界层自然风 1.1,3,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1.1,地球大气层,大气层,(Atmosphere):地球表面薄层空气，厚度1000km(地球直径),大气边界层(,ABL,)：对流层底部10%，厚度1000 m(梯度风,高度，建筑物高度),对流层(,Troposphere,)：大气层底部1%厚度，厚度,10,000m,(飞,行高度，最高山峰),地表层(,Surface Layer,)：大气边界层底部10%，厚度100m 左,右(风速剧烈变化),粗糙层(,Roughness Layer,)：地表层底部10%，厚度10m左右,(地表粗糙元),同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.1地球大气层大气层(,4,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1.2,自然风纪录,(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,图2 自然风实测纪录,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.2 自然风纪录(1),5,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1.3,自然风模型,图,3,自然风谱理论分析模型,PERIOD,.1,1.0,10,100,1000,5 sec,min,5 min,Hour,Day,4 Day,.01,(Cycles/HR),Year,10,-3,Power Spectrum n.s,Macrometeorological,Micrometeorological,Mean Wind,Gusts,Storm,Breeze,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.3 自然风模型图3,6,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1.3,自然风谱模型(续),(1).脉动风能量分布特点,主峰：年、4天、1天、1分钟等,低谷:10分钟至60分钟,(2).低频能量分布特点,周期:4天至5天,特点：实际大气系统移动周期,(4).高频谱峰能量取决于平均风速,(3).高频能量分布特点,周期:1分钟,特点:实际脉动风周期,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.3 自然风谱模型(续,7,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1.4,自然风分析模型,(1)脉动风与平均风相比很小,U(z,t)=U(z)+u(z,t),U(z)随机变量，与时间无关 均值,u(z,t)随机过程，与时间有关 方差,(2)脉动风低谷特性利用,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 1.4 自然风分析模型,8,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2,.平均风空间特性,2.1,风剖面离地高度特性,(1),指数律模型(,Power Profile,),相同场地:,不同场地:,梯度风高度(m);,、,常指数值(无量纲),、,(2),对数律模型(,Logarithmic Profile,),基本公式:,相同场地:,粗糙高度(m);,地表剪切风速,Karman 常数，0.4,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 2.平均风空间特性 2.,9,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,(3)复合体模型(Complex Profile),表1.场地分类表,类 别,幂指数,0.12,0.16,0.22,0.30,粗糙度 (m),0.01,0.05,0.30,1.00,梯度风高度 (m),500,600,700,700,2.1风剖面(续),2.2,场地类别,同济大学土木工程防灾国家重点实验室(3)复合体模型(Com,10,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,(1),热力对流,稳定层和非稳定层,(2),地理位置,地形、地貌、建筑群,(3),非良态气候,龙卷风、台风、雷暴风、飓风等,2.3,风场环境,同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)热力对流(2)地理位,11,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,平均风速:,统计时距:周期,T,时距,T,越大,风速,U,越小,极值型:,极值型:,重现期,T,越大、期望风速,U,T,越大,极值型:,3.,平均风时间特性,3.1,统计时距,3.2,重现期,同济大学土木工程防灾国家重点实验室平均风速:统计时距:周期,12,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,数据抽样:越界峰值、阶段极值,分布概型:极值分布、皮尔逊分布、对数正态等,参数估计:极大似然法、最小二乘法、矩法等,统计检验:概率曲线相关系数法PPCC,最大风向系数法:刚性结构的简化计算,联合分布概型法:现有条件的实用方法,平稳随机过程法:理论上的精确方法,3.3,风速分布,3.4,风向影响,同济大学土木工程防灾国家重点实验室数据抽样:越界峰值、阶段,13,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.,脉动风空间特性,4.1,紊流因子,Gust factor(峰值效应),第类和第类场地:,第类场地:,问题:u,max,和U不独立,非统一统计量,试验方法重要性,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 4.脉动风空间特性 4.,14,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.2,紊流强度,Turbulence Intensity(平均强度),欧美规范:,中国规范:,问题:和 依赖于时间,和 之间关系复杂,近似公式:,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 4.2紊流强度Tur,15,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,积分尺度矩阵：,欧美规范：,紊流尺度：,自然风：,(Turbulence Scale),风洞中：,比例：,1:10001:500,4.3,积分尺度,Integral Scale(相关区域),同济大学土木工程防灾国家重点实验室积分尺度矩阵：欧美规范：紊,16,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.4,相干函数,Spacial Coherence Function(空间相关),区别于相关函数,Time Correlation Function(时间相关),自相关函数(,Auto-correlation,),互相关函数(,Cross-correlation,),(1)Panofsky&Dutton,公式,同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.4相干函数Spaci,17,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,(1)Panofsky&Dutton,公式(续),同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)Panofsky&,18,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,(2)Davenport,公式,(3)ECCS,公式,同济大学土木工程防灾国家重点实验室(2)Davenport公,19,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.,脉动风时间特性,5.1,紊流功率谱密度,当,时，称为自谱密度,(1),功率谱密度,互谱函数(,Co-Spectrum,),正交谱函数(,Quadrature Spectrum,),当,时，称为互谱密度,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 5.脉动风时间特性 5.,20,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.1,紊流功率谱密度(续),(3),相关函数,(4),能量与方差,互相关函数:,能量:,方差:,(2),相干函数定义,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 5.1紊流功率谱密度(续,21,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.2,Kolmogorov,理论,(1),水平脉动风谱,基本理论:,Von Karman,谱:,基本条件:,Davenport,谱:,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 5.2 Kolmogor,22,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,(1)水平脉动风谱(续),Simiu,谱:,(2)垂直脉动风谱(续),Panofsky,谱:,Lumley-Panofsky,谱:,同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)水平脉动风谱(续)S,23,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.3,巴斯金,理论,(1),巴斯金谱,风压相关系数:,巴斯金谱:,(2)Chuen,谱,风压相关系数:,Chuen,谱:,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 5.3 巴斯金理论(1),24,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.3 巴斯金,理论(续),(3),李桂青谱,同济大学土木工程防灾国家重点实验室 5.3 巴斯金理论(续),25,下周同一时间再见!,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,下周同一时间再见!同济大学土木工程防灾国家重点实验室,26,