风荷载测试与模拟技术的回顾及展望

振动与冲击

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风荷载测试与模拟技术的回顾及展望"

舒新玲周岱王泳芳

（上海交通大学建筑工程与力学学院空间结构研究中心，上海!888#8）（上海申标建筑设计院，上海!8889!）

摘要对大跨度桥梁、大跨空间结构、高层建筑、高耸塔桅结构等建筑物和构筑物而言，风荷载是结构抗风设计、防灾减灾分析的控制荷载之一。风与上述结构间的相互作用十分复杂，可通过风洞试验、现场实测、数值模拟等方法获取详细可靠的风荷载数据。本文简要介绍了大气边界层风特性与风荷载作用特点，回顾了结构风工程中风洞试验与现场实测的基本情况，讨论了风荷载时程的各种数值模拟技术，展望了风荷载测试与模拟技术研究的趋向。

关键词：风荷载，风洞实验，现场实测，随机过程，数值模拟

中图分类号：/&#"!

8引言

风荷载是各类建（构）筑物的重要设计荷载之一［":;］。对大跨度桥梁［<］、大跨空间结构［=:>］、高层建筑［9］、高耸塔桅结构［"8］而言，风荷载常常起主要甚至决定性作用，复杂的动力风效应影响是结构设计的控制因素之一。灾害性台风可能导致结构主体开裂破坏；长时间持续的风致振动则可能使结构某些部分如节点、支座等产生疲劳与损伤，危及结构安全。随着新技术、新材料、新工艺、新型式、新设计方法的应用，工程结构日趋多样化、大型化、复杂化，对风敏感程度越来越强。然而，在现行的建筑结构规范中，上述结构的抗风设计参数并不完善［":!］，风与结构间复杂的相互作用对结构抗风设计、防灾减灾分析提出了巨大挑战。因此重大工程结构在风荷载作用下的动力响应特性研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视［#:;，"":"9］。

确定风荷载的主要手段有风洞试验、现场实测、数值模拟等。本文将简要介绍自然风特性与风荷载作用特点，回顾结构风工程中风荷载测试与模拟技术研究的基本情况，进而对该领域的进展情况作一些展望。

"风特性与风荷载

风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分［""］：周期在"8分钟以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风。由于受地表阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角（一般在?"8@范围内）。表征风特性的参数有：平均风速剖面、紊流风速剖面、脉动风速谱、湍流积分强度等。边界层中运动的空气可视为低速、不可压缩流

体，可根据.ABC5D66E方程由风速确定风压［F］。实际工程中，平均风通常被视为大小和方向不随时间改变的恒量；脉动风速随时间不规则变化，可视为随机变量。

国内外学者根据456G5HB5IA理论［!8］对强风记录进行相关分析或曲线拟合，发表了各种脉动风速谱公式。水平脉动风速谱如,5C4JBGJC谱［F］（"9F>）、0JIK ACL5BM谱［F］（"9<"）、1NE5MJCEK)BJE谱［#］（"9<=）、2JBBEO 谱［!8］（"9<>）、.DOPNKQJC5ROST谱［!8］（"9<>）、2EC5谱［#］（"9="）、SJEGJ6谱［!8］（"9=!）、1EGED谱［!8］（"9=F）、巴斯金谱［""］、西安热工所风速谱［""］（"9=>）等；竖向脉动风速谱如QJC5ROS谱［""］（"9;9）、*DG6ATKQJC5ROST谱［!8］（"9

风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起。风绕建（构）筑物的流动是湍流、分离流和三维流动，因而结构所受风荷载分别来自来流的脉动、分离的剪切层、再附着的尾流脉动等。此外，结构风致振动可能引起附加荷载。风荷载一般包括顺风向力、横风向力和扭转力矩，并具有以下特点："）风荷载与空间位置及时间有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；!）风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；#）对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；F）结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性。工程设计计算中，风荷载一般以风压来表示。

!测试技术

实验数据是理论分析的重要基础和结构设计的参考依据。风洞试验、现场实测是风荷载的两种主要测试手段。

!7"风洞试验

"收稿日期：!88!:8":!>

第一作者舒新玲男，硕士研究生，"9=<年生万方数据