同濟(jì)大學(xué)-自然風(fēng)特性(精)

同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室、橋梁工程系橋梁及結(jié)構(gòu)風(fēng)振理論及其限制來自——之其次講主講老師：葛耀君博士．教授自然風(fēng)特性

2、平均風(fēng)空間特性

1、邊界層自然風(fēng)

3、平均風(fēng)時間特性

4、脈動風(fēng)空間特性

5、脈動風(fēng)時間特性同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.邊界層自然風(fēng)

1.1地球大氣層圖1大氣層分布圖RoughnessElementFreeAtmospheregradientheightgroundsurface101102103104地表層大氣邊界層對流層大氣層粗糙層RoughnessLayerSurfaceLayerBoundaryLayerAtmosphereTroposphereAtmosphere離地高度(m)梯度風(fēng)高度同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.1地球大氣層大氣層(Atmosphere):地球表面薄層空氣，厚度1000km(地球直徑)大氣邊界層(ABL)：對流層底部10%，厚度<1000m(梯度風(fēng)高度，建筑物高度)對流層(Troposphere)：大氣層底部1%厚度，厚度10,000m(飛

行高度，最高山峰)地表層(SurfaceLayer)：大氣邊界層底部10%，厚度100m左右(風(fēng)速猛烈變更)粗糙層(RoughnessLayer)：地表層底部10%，厚度10m左右

(地表粗糙元)同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.2

自然風(fēng)紀(jì)錄(1)風(fēng)速是脈動的，不是平穩(wěn)的(2)8分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速變更不大(3)平均風(fēng)速隨高度增大(4)脈動重量與平均風(fēng)相比較小圖2自然風(fēng)實測紀(jì)錄同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.3

自然風(fēng)模型圖3自然風(fēng)譜理論分析模型PERIOD.11.01010010005secmin5minHourDay4Day.01(Cycles/HR)Year10-3PowerSpectrumn.sMacrometeorologicalMicrometeorologicalMeanWindGustsStormBreeze同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.3

自然風(fēng)譜模型(續(xù))(1).脈動風(fēng)能量分布特點主峰：年、4天、1天、1分鐘等低谷:10分鐘至60分鐘(2).低頻能量分布特點周期:4天至5天特點：實際大氣系統(tǒng)移動周期(4).高頻譜峰能量取決于平均風(fēng)速(3).高頻能量分布特點周期:1分鐘特點:實際脈動風(fēng)周期同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

1.4

自然風(fēng)分析模型(1)脈動風(fēng)與平均風(fēng)相比很小

U(z,t)=U(z)+u(z,t)U(z)——隨機(jī)變量，與時間無關(guān)均值u(z,t)——隨機(jī)過程，與時間有關(guān)方差(2)脈動風(fēng)低谷特性利用同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

2.平均風(fēng)空間特性

2.1風(fēng)剖面—離地高度特性(1)指數(shù)律模型(PowerProfile)

相同場地:

不同場地:——梯度風(fēng)高度(m);、——常指數(shù)值(無量綱)、(2)對數(shù)律模型(LogarithmicProfile)

基本公式:

相同場地:——粗糙高度(m);——地表剪切風(fēng)速——Karman常數(shù)，≈0.4同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室(3)復(fù)合體模型(ComplexProfile)表1.場地分類表類別ⅠⅡⅢⅣ冪指數(shù)20.30粗糙度(m)0.010.050.301.00梯度風(fēng)高度(m)500600700700

2.1風(fēng)剖面(續(xù))

2.2

場地類別同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室(1)熱力對流穩(wěn)定層和非穩(wěn)定層(2)地理位置地形、地貌、建筑群(3)非良態(tài)氣候龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、雷暴風(fēng)、颶風(fēng)等

2.3風(fēng)場環(huán)境同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室平均風(fēng)速:統(tǒng)計時距:周期T時距T

越大,風(fēng)速U

越小極值Ⅰ型:極值Ⅱ型:重現(xiàn)期T

越大、期望風(fēng)速UT越大極值Ⅲ型:

3.平均風(fēng)時間特性

3.1統(tǒng)計時距

3.2重現(xiàn)期同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室數(shù)據(jù)抽樣:越界峰值、階段極值分布概型:極值分布、皮爾遜分布、對數(shù)正態(tài)等參數(shù)估計:極大似然法、最小二乘法、矩法等統(tǒng)計檢驗:概率曲線相關(guān)系數(shù)法PPCC最大風(fēng)向系數(shù)法:剛性結(jié)構(gòu)的簡化計算聯(lián)合分布概型法:現(xiàn)有條件的好用方法平穩(wěn)隨機(jī)過程法:理論上的精確方法

3.3風(fēng)速分布

3.4風(fēng)向影響同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

4.脈動風(fēng)空間特性

4.1紊流因子——Gustfactor(峰值效應(yīng))第Ⅰ類和第Ⅱ類場地:第Ⅲ類場地:問題:①umax和U不獨立②非統(tǒng)一統(tǒng)計量③試驗方法重要性同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

4.2紊流強(qiáng)度——TurbulenceIntensity(平均強(qiáng)度)歐美規(guī)范:中國規(guī)范:問題:①和依靠于時間②和之間關(guān)系困難近似公式:同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室積分尺度矩陣：歐美規(guī)范：紊流尺度：自然風(fēng)：(TurbulenceScale)風(fēng)洞中：比例：1:1000~1:500

4.3積分尺度——IntegralScale(相關(guān)區(qū)域)同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室4.4相干函數(shù)—SpacialCoherenceFunction(空間相關(guān))區(qū)分于相關(guān)函數(shù)—TimeCorrelationFunction(時間相關(guān))自相關(guān)函數(shù)(Auto-correlation)相互關(guān)函數(shù)(Cross-correlation)(1)Panofsky&Dutton公式同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室(1)Panofsky&Dutton公式(續(xù))同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室(2)Davenport公式(3)ECCS公式同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

5.脈動風(fēng)時間特性

5.1紊流功率譜密度當(dāng)

時，稱為自譜密度(1)功率譜密度——互譜函數(shù)(Co-Spectrum)——正交譜函數(shù)(QuadratureSpectrum)當(dāng)

時，稱為互譜密度同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

5.1紊流功率譜密度(續(xù))(3)相關(guān)函數(shù)(4)能量與方差相互關(guān)函數(shù):能量:方差:(2)相干函數(shù)定義同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室

5.2Kolmogorov理論(1)水平脈動風(fēng)譜基本理論:VonKarman譜:基本條件:Davenport譜:同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室(1)水平脈動風(fēng)譜(續(xù))Simiu譜:(2)垂直脈動風(fēng)譜(續(xù))Panofsky譜:Lu