针对土木结构抗风研究进展及基础科学问题

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1、土木结构抗风研究进展及基础科学问题顾明（同济大学）摘要：风灾是自然灾害的主要灾种之一。近年来，由于全球气候变暖，风灾更加严重，每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元。土木工程结构抗风研究是防灾减灾领域中非常重要的学科方向。本文首先简要回顾了结构风工程学科的历史；然后从近地风特性和结构响应实测，风洞试验理论和方法，大型复杂结构风荷载和响应机理及结构抗风性能和设计方法研究，低矮房屋的风荷载及破坏特性和设计，土木结构风荷载和效应的数值模拟及数值风洞，强风暴作用下结构荷载和响应控制，风灾评估方法及评估系统等方面评述了结构风工程学科

2、在近20年中的进展；最后，提出了土木结构风工程学科的关键科学问题与建议的重点研究方向。关键词：土木结构，风工程，历史回顾，学科进展，科学问题1研究意义风灾是自然灾害的主要灾种之一。据媒体报道，2004年北美的“珍妮”、“查理”和“伊万”等飓风造成2000多人死亡，直接经济损失约500亿USD；2005年美国“卡特里娜”、“丽塔”飓风造成逾千人死亡，经济损失高达千亿美元以上。2004年“云娜”台风也造成我国浙江省约180人死亡，直接经济损失200多亿人民币；2005年，至少有8个强台风灾我国东南、华南沿海地区登陆，造成数百人死

3、亡，数十万间房屋倒塌和损坏，直接经济损失数百亿人民币。随着经济的发展和科学技术的进步，近二十年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构。仅在上海陆家嘴地区，已建和拟建的400米以上的结构有4栋，200米以上的超高层建筑有十多栋。计划中的意大利Messina大桥的主跨达3000多米，我国在建的苏通长江大桥是世界第一的斜拉桥，主跨达1088米。我国奥运会及世博会的申办成功，将建造大量的大跨空间结构。此外，发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念。强风作用下结构的风荷载和响应是结构安全性和适用性的控制荷载之一。为了降低强风

4、暴灾害所造成的损失，发达国家进一步加大了研究和开发的投入。据悉，美国国会最近通过法案，启动了国家减风灾计划（NationalWindHazardsReductionProgram—NWHRP），有关抗风研究和开发（Thewindrelatedresearchanddevelopment）的费用由500万美元/年增加至2300万美元/年。日本政府也已启动了COE（CenterofExcellence，2003-2007）计划，增大投入，开展相关研究。上世纪60年代，现代风工程研究奠基人A.G.Davenport教授将概率方法用

5、于风特性研究和结构风响应研究（Davenport1961,1967），奠定了结构风工程研究的基础。70年代，R.H.Scanlan教授建立了桥梁颤振和抖振研究方法的框架(Scanlan1971,1977)。基于这些奠基性工作，经过四十多年的努力，结构风工程研究理论研究取得了很大进步，同时解决了大量的工程实际问题，推动了科学进步和社会发展。风工程是涉及气象学、空气动力学、工程力学、结构工程学和防灾工程学等多门学科的交叉学科。土木结构风工程的主要研究内容包括：近地风特性、建筑钝体空气动力学和气动弹性力学、结构的风荷载和响应及破坏

6、机理、结构风荷载及响应的控制方法、结构抗风设计方法等。主要涉及的工程对象为：大跨空间结构、高层和超高层建筑、高耸结构（电视塔、输电线塔等）、大跨桥梁、大型工业结构（大型起重机和工程施工机械等）、低矮房屋等。研究的主要方法包括：现场实测、风洞试验、理论分析和数值模拟。12历史回顾及近期主要进展2.1近地风特性和结构响应实测现场实测是结构抗风研究中非常重要的基础性和长期性的方向。人们已在这一方面做了大量工作(Simiu1973；Harris1968;Owen1974;Batts,etal.1980；Xu,etal.2001)。基

7、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)。人们还认识到不同机制的强风具有不同的结构。对于土木结构威胁最大的台风、雷暴和龙卷风的平均

8、风剖面和紊流结构均不相同（Holmes,etel.2001;Kwok,etel.2001；Letchford,etal.2002b）。雷暴在50~100米即可达到最大风速。美国、澳大利亚等用雷达和塔上的风速仪测量过雷暴的特性（Letchford,etal,2002b)。在所有类型的强风中，