风灾风灾害是人类面临的主要自然灾害之一。据联合国公布的资料,1937~1980年全球死于台风灾害的人数为49.9万人,居十大灾害死亡人数之首。全球每年发生热带风暴和台风80~100次,造成经济损失60~70亿美元和2万人丧生。中国是世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一,尤其是近年来台风灾害造成的直接经济损失呈明显上升趋势。
风灾1940年11月7日上午,位于美国华盛顿州刚刚建成四个月,居于当时世界第三位的塔科马大桥(跨度为853米)在19m/s的风速下,因发生颤振而造成闻名于世的毁桥事故。这个事件大大震撼了土木工程界。从那以后,许多学者从事土木结构风工程研究工作。风工程研究近年在国内外发展很快,已形成一门新兴学科,它涉及气象学、空气动力学及气动弹性力学、结构工程学、振动工程学等多门学科。国际风工程学会和中国风工程学会分别于上世纪60年代和80年代成立。国际上已有数本风工程专业学术期刊。
风灾风,简言之就是包围地球的大气边界层内的空气流动。根据风的形成机理的不同,可将地球上的风分成:信风、季风、暴风(飓风、台风等)、龙卷风等等类型。结构风工程领域研究的问题通常是钝体的低速不可压缩流动,建筑结构钝体绕流有其自身的特点:处在大气边界层底部,边界条件复杂;非流线体外形,流速较低、并且雷诺数很大。绕流是一种复杂的非定常流动,不可避免地伴随着分离、再附、旋涡脱落和尾流等复杂的流动现象。对于柔性结构,在某些情况下还要考虑流固耦合作用即气动弹性效应。在紊流风场作用下,结构的气动力由三部分组成:来流中的紊流、结构引起的绕流、旋涡脱落及结构运动而引起的气动反馈作用。
结构风工程的研究方法主要有风洞试验、理论分析、现场测试等。这几种方法相互补充,相互促进。
风灾对重要结构进行模型风洞试验,利用试验方法测量结构承受的风荷载乃至动力响应,为结构设计提供参考,是现阶段工程结构抗风研究的主要研究方法和手段。借助风洞试验这一有效的研究手段,人们在结构抗风领域得到了大量规律性的认识,积累了丰富的经验和知识,解决了工程实际中的许多问题。
风灾理论分析以空气动力学、结构动力学等为理论基础来分析结构风致振动。随着计算机的进步,计算流体动力学(CFD Computational fluid Dynamics)方法的发展给风工程研究提供了一种可代替风洞实验的手段,即数值风洞。CFD方法目前已逐渐进入工程实用,十多年前诞生的计算风工程(CWE Computational Wind Engineering)发展非常迅速,其研究范围十分广泛,包括钝体(如桥面板、建筑结构等)周围的速度场和压力场的分析、流体和结构的耦合分析、高层建筑周围的行人风环境的分析、城市或其局部的气候分析和人体周围的风速和温度分布的分析等。
风灾现场测试是一种最直接的研究方法,如对场地风场进行直接测量,在构筑物表面用传感器测量风荷载和结构响应等。现场测试结果最为真实可靠,并可用来对其他方法(风洞试验、理论分析和数值模拟)进行工程模拟得到的结果进行验证。但现场测试需要花费大量的人力、物力和时间。现场测试另一个困难在于气象条件和地形条件等难以控制和改变,因此用这种方法进行规律性的研究是比较困难的。
风灾结构风工程的研究与建筑结构的安全密切相关。现代建造的高层建筑、大跨屋盖结构及大型桥梁,大多体型高、跨度大且造型奇特,而这类结构一般刚度较柔、质量轻、阻尼小,这使得对风荷载的敏感性增强。为适应我国经济的发展和主办奥运会以及上海世博会的需要,近年来我国还将继续建造大量的大型风敏感结构,这给我国结构风工程的发展带来前所未有的机遇。
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