浅谈结构风工程的研究方法

　　摘要：风及其作用的研究历史与人类发展的历史一样久远。近年来，抗风研究方法成为防灾减灾领域中非常重要的学科方向。本文主要论述结构风工程的研究方法及其发展状况。
　　关键字：风工程，研究方法，学科进展
　　
　　1.研究意义
　　风及其作用的研究历史与人类发展的历史一样久远。在许多神话和史前故事中，人类被风的威力与运动深深地吸引住。随着历史的发展，人类越来越认识到自然的循环规律，并认为风是一种能量运动。
　　在今天，风的研究主要有两个分支。第一个是如何最大程度地减少强风的破坏。另外一个分支是如何利用风能为人类服务。在风工程的分支里，对风特性的研究是类似的。不过如何去抵抗风的破坏、免除人身伤亡是急迫的生存问题，更具有现实意义。
　　许多学者越来越对风与结构的相互耦合作用的研究感兴趣。早在半个世纪前，Jensen就证明了通过实验合理建立风模型，研究结构上风荷载的可行性。在近几十年里，现代风工程针对低矮建筑物的研究已经取得丰硕的成果。但是强风破坏的研究还是一个难题，需要风工程学者进行更深入的研究。
　　强风，飓风及龙卷风是危害最大的自然灾害之一，对生命与财产造成巨大的破坏。在2003年，加拿大中西部发生的龙卷风造成巨大的破坏，造成直接与间接的经济损失超过300亿美金；1998年北美飓风总共造成12000人伤亡。在灾难中，根据房屋的破坏程度，把结构主要分成三类：(1)没有进行抗风设计的；(2)进行小范围的抗风加固的；(3)进行了专业抗风设计的。没有进行抗风设计的房屋结构基本被摧毁倒塌；有局部抗风加固的结构也遭遇了严重的破坏；而进行了专业抗风设计的结构只收到轻微的破坏。
　　风灾中，大部分房屋的破坏主要以屋盖破坏为主。由于风洞试验的成本较高，许多建筑物并没有进行风洞试验研究。但是如果出现暴风，结构的破坏将是没法估计的。
　　随着科学技术的发展，轻质高强新型建筑材料的不断涌现，以及施工工艺的日新月异，大跨度柔性屋盖结构以其轻巧优美的姿态广泛应用于机场、体育馆、文体活动中心以及展览馆等公共建筑。但是由于这类建筑物质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点，风荷载将成为建筑物结构设计的主要荷载。所以深入准确地研究风荷载对这类建筑物的作用以及湍流的形成机理是非常必要的。
　　
　　2.结构风工程的研究方法
　　结构风工程学是风工程学的分支，主要研究风和结构的相互作用,亦称结构风效应问题,特别是动力风效应,即风致振动问题。结构风工程经过几十年的发展，形成了比较完善的体系，研究方法包括理论分析、现场实测、风洞模拟和计算风工程方法。
　　2.2理论研究
　　理论分析以结构随机振动理论为基础，综合应用结构力学和概率论的知识，用于结构顺风向的随机振动分析和横风向亚临界范围的随机振动分析与跨临界范围的确定性共振响应分析。在实际工程中，一般运用理论分析来指导工程计算和试验。
　　2.2全尺度实测
　　全尺度实测（现场实测）是最直接、最真实的研究手段，利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，可获得风特性和结构响应的第一手资料，是检验其他方法结果是否正确不可缺少的方法。
　　基于现场实测，近地风可处理为平均风速和脉动风速的叠加；平均风速沿高度可用对数律或幂函数来描述，而脉动风的主要特征是紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等。在初步掌握这些重要特性的基础上，给出了这些特征量的推荐值和推荐公式(Simiu,etal.1996;Sethu-Ramam1979;Counihan1975;Deaves,etal.1978；Kaimal,etal.1972;Davenport1961;Panofsky1965)。
　　全尺度实测也有它的限制和困难：
　　(1) 费时、费力、花费较高。
　　(2) 只能对已经建成的建筑物及其周围风环境进行测试，无法对拟建建筑物进行风环境预测，且不能对将来由于建筑周围环境变化而可能出现的情况进行研究。
　　(3) 由于缺乏可控制的环境，很难去重复试验和研究流动的各种特性。
　　(4) 由于风流动非常态性，数据采集和分析也很困难。
　　2.3风洞试验
　　可控制环境下结构与风相互作用的研究可追溯到19世纪初。当时大部分风洞研究主要应用于航天应用，航天结构与建筑物的风洞试验也是在层流中进行的。一直到1958年，Jensen才将湍流边界层模型应用到测试建筑物的风洞试验。这正是因为设备、测量技术、来流地形模型和分析方法的巨大进步，边界层风洞试验才被广泛应用于风工程研究中。
　　自60年代初美国Colorado州立大学和加拿大WesternOntario大学建成边界层风洞以来，目前世界各国的边界层风洞已经达到上百座，我国也相继建成了20多座边界层风洞。风洞试验是在风洞实验室模拟大气边界层中的实际风环境和实际建筑结构，从实验室的模型风效应考察实际的结构效应，是人为控制条件下对结构风效应进行再现。在建筑绕流和建筑物风荷载研究中风洞试验起着重要作用，但风洞试验也存在着很多问题：
　　1.试验必须采用几何缩微模型，一般在1:200~1:1000，这样建筑物细部对风作用的响应得不到合理的反映；
　　2.试验要求满足相似性原理，然而有一些情况在常规的实验条件下是无法达到的，如强风暴这类的高雷诺数流动及绕流流动的脉动特性等在风洞中很难得到比较好的模拟，特别是湍流的小尺度脉动；同时鉴于近地风具有显著的紊乱性和随机性，在风洞中很难进行准确模拟，因此实验结果和实测值必然存在一定的差异；
　　3.建设风洞投资费用高，试验过程中的费用高、周期长。设计是一个反复的过程，需要多个方案进行比较，但不可能一一做风洞试验，结果不能得到抗风性能最优的结构。
　　2.4计算风工程
　　由于风洞试验的局限性并随着计算机技术的快速发展，计算风工程方法已经逐步成为继风洞试验后预测建筑物表面风压、周围风速和湍流特性的一种新的有效方法。
　　计算风工程方法（ComputationalWindEngineering，简称CWE）的核心内容是计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics），亦称为其控制方程在数学上为一组偏微分方程。数值风洞通过在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的流体动力学方程进行数值求解，并且可借助计算机图形学技术将模拟结果形象地描述出来，以对建筑物周围风场进行仿真模拟。CWE技术在传统的风洞试验所不能解决的问题上具有广阔的前景，将不断地被人们所接受。
　　对于任何给定的流体流动问题，必须满足一系列要求，并且要经过一些步骤才能获得满意的结果。这些要求和步骤包括：对计算域的的定义，网格生成，边界条件的指定，初始条件的定义，对数值方法和离散格式、湍流模型、时间步大小、时间推进方法及收敛准则的选择。
　　计算风工程与风洞试验相比较，其优点表现为：1.数值计算成本相对较低，周期短，精度高；2.可以根据研究和设计的不同需要不断改变流场和结构的相关参数，对研究对象进行全方位多角度的分析研究；3.可以进行全尺度的模拟，克服实验中难以满足雷诺数相似性的困难，可避免风洞试验由于尺寸缩放所引起的误差；4.数值模拟结果可以利用丰富的可视化工具，提供风洞实验不便或无法提供的流场绕流信息。数值风洞是综合计算流体动力学、结构动力学、风工程学、结构工程，以及计算机语言、数值计算方法、计算机图形学和动态可视化处理技术等多学科的新兴交叉学科，其特点是工程应用背景强，理论研究难度大。
　　参考文献
　　[12]项海帆.结构风工程研究的现状和展望.振动工程学报,1997,10(3):258-263
　　[13]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2001
　　[14]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004