低矮房屋与高层建筑的风场和风荷载特性实测研究

摘要

我国是受台风影响非常频繁的国家之一，据统计平均每年有6.6个热带气旋登录我国。在我国东南沿海地区，台风造成的人员伤亡和巨大的财产损失主要是由大量低矮房屋的损毁所导致，而低矮房屋风场和风荷载特性的研究不足是导致低矮房屋风损、风毁的重要原因。随着我国经济建设的快速发展，大量体型复杂、结构新颖的高层建筑不断涌现。轻质高强材料的应用使得现代高层建筑呈现出高柔和低阻尼特性，从而增加了高层建筑的风敏感性，强/台风引起的风荷载往往是此类建筑结构设计的主要控制荷载。然而，国内对高层建筑的台风风场尤其是风荷载的现场实测研究还非常少。因此，有必要加强开展低矮房屋和高层建筑的风场和风荷载现场实测研究，为提高我国沿海地区低矮房屋和高层建筑的抗风设计奠定坚实的科学基础。
　　 本文主要以4项国家自然科学基金项目为依托，开展了既有低矮房屋和高层建筑的风场和风荷载实测研究工作。本文首先介绍了低矮房屋和高层建筑风场和风荷载研究的国内外研究现状与进展，并简要阐述了大气边界层的相关风特性理论和统计分析方法。
　　 接着，基于作者近年在温州和厦门沿海地区开展的风场观测工作，以多次近地面和高层建筑台风风场实测数据为基础，分析了沿海地区近山地形、海岛山坡地形和海岸等场地上的近地面和高层建筑台风风场或风剖面的平均风速及风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱和湍流的相干性等风场特性。重点分析了台风登录全过程的近地面风场特性及其变化规律，分析了海岛山坡地形上既有低矮房屋近地面10m内的风剖面特性，深入探讨了近地面台风的湍流特性与平均时距的关系，进行了受高层建筑干扰前后的高层建筑台风风场特性的对比研究，开展了近地面台风风场与高层建筑台风风场不同时距的湍流特性对比分析。基于气象统计资料，对近年来影响西太平洋区域和登录我国的热带气旋的相关发生规律，以及温州各地的年最大风速特征进行了统计分析。
　　 在国内首次开展了针对海岛山坡地形上既有低矮房屋的风荷载实测研究工作，获得了台风作用下既有低矮房屋的风荷载特性（瞬时风压、平均风压、平均风压系数和脉动风压系数）及其变化规律。结果表明，因受到周边环境和地形的影响，既有低矮房屋周围风场一般较为紊乱，其墙面和屋面的风压分布较为复杂，实测风荷载与理论计算结果之间存在着较大的差异。
　　 基于高层建筑的风荷载实测研究工作，并结合风洞试验，获得了台风作用下高层建筑的风荷载特性（瞬时风压、平均风压、平均风压系数、阵风风压系数和脉动风压系数）及其变化规律。结果表明风洞试验和现场实测揭示出的高层建筑表面平均风压系数的特性及其随风向角的变化规律基本一致，迎风面平均风压系数的现场实测值明显大于风洞试验结果，而背风面和侧风面平均风压系数的现场实测值与风洞试验结果相差较小。
　　 本文对沿海台风环境下低矮房屋和高层建筑风场和风荷载的现场实测研究成果，可为我国工程结构的抗风研究和设计提供有价值的参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状与进展

1．2．1 边界层风场特性的研究现状与进展

1．2．2 低矮房屋风荷载特性的研究现状与进展

1．2．3 高层建筑风荷载特性的研究现状与进展

1．3 本文研究的主要内容

1．4 本文的主要创新性工作

第2章 风特性理论基础

2．1 引言

2．2 平均风特性

2．2．1 对数律风速剖面

2．2．2 指数律风剖面

2．2．3 基本风速

2．3 脉动风特性

2．3．1 数学描述

2．3．2 湍流度和阵风因子

2．3．3 脉动风速谱密度函数

2．3．4 湍流积分尺度

2．3．5 湍流的相干特性

2．4 本章小结

第3章 近地面台风风场特性实测研究

3．1 引言

3．2 沿海近山地形上的强风特性

3．2．1 台风“海鸥”观测概况

3．2．2 观测结果分析

3．3 台风“莫拉克”登录全过程近地面风场特性

3．3．1 台风“莫拉克”观测概况

3．3．2 观测结果分析

3．4 三次台风过程的近地面不同时距风场特性对比

3．4．1 实测概况

3．4．2 不同平均时距台风湍流特性分析

3．5 历年西太平洋地区形成的和登录我国的热带气旋统计

3．6 温州地区历年的最大风速统计

3．7 本章小结

第4章 低矮房屋的风场和风荷载实测研究

4．1 引言

4．2 试验方法

4．2．1 实验房概况

4．2．2 实测系统构成

4．2．3 既有低矮房屋风荷载实测方案

4．3 近地面10m内台风风场风剖面特性

4．3．1 台风“莫拉克”瞬时风场剖面

4．3．2 平均风速、风向角剖面

4．3．3 湍流度剖面

4．3．4 阵风因子剖面

4．3．5 湍流积分尺度剖面

4．4 实测风压特性分析

4．4．1 实测瞬时风压

4．4．2 平均风压

4．4．3 平均风压系数

4．4．4 脉动风压系数

4．5 本章小结

第5章 受扰前后高层建筑台风风场特性

5．1 引言

5．2 实测概况

5．2．1 实验楼概况

5．2．2 台风“凡亚比”观测概况

5．2．3 受扰前后的高层建筑台风风场时程

5．3 未受干扰的高层建筑台风风场特性

5．3．1 平均风速和风向角

5．3．2 湍流度和阵风因子

5．3．3 湍流功率谱密度函数

5．3．4 湍流积分尺度

5．4 受扰后的高层建筑台风风场特性

5．4．1 平均风速和风向角

5．4．2 湍流度和阵风因子

5．4．3 湍流功率谱密度函数

5．4．4 湍流积分尺度

5．5 本章小结

第6章 近地与高层建筑风场湍流特性对比

6．1 引言

6．2 台风观测数据概况

6．3 平均风特性对比分析

6．4 湍流度对比分析

6．5 阵风因子对比分析

6．6 本章小结

第7章 高层建筑风压特性的实测研究

7．1 引言

7．2 台风“鲇鱼”作用下的风压特性

7．2．1 试验概况

7．2．2 台风风场特性

7．2．3 风压特性

7．3 台风“凡亚比”作用下的风压特性

7．3．1 试验概况

7．3．2 风压特性

7．4 两次现场实测风压结果的对比

7．4．1 两次台风风场的差别

7．4．2 风压特性及其变化规律

7．4．3 风压系数特征及其变化规律

7．5 现场实测结果与风洞试验结果的对比分析

7．5．1 风洞试验概况

7．5．2 风洞试验结果分析

7．5．3 风洞试验结果与“鲇鱼”期间实测结果的对比分析

7．5．4 风洞试验结果与“凡亚比”期间实测结果的对比分析

7．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间论文和专利情况

附录B 攻读学位期间主持和参加的科研项目