土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室
国际、国内风工程界采用的结构风振响应分析方法一般基于良态气候模式(季风、冷峰大风),其中风环境参数(阵风因子、风速与紊流度剖面、积分尺度、脉动风谱函数)主要针对内陆地区的季风气候特征,这一特点的形成主要基于两点:1)规范中规定的风场统计特性主要来自内陆地区的风速测站,这一地区的气候特征以季风为主;2)大多数风速作用敏感性较强的高耸、长大结构位于内陆地区,对于季风特性的研究足以满足设计、施工的需要。
但是,近年来的现场实测与风洞试验反复地验证的一个事实:沿海台风多发地区,高耸及长大建筑结构对于台风极值风速作用非常敏感,其风振响应特征不同于良态气候模式,风环境特性亦不同于良态气候模式,表现为:近地台风紊流度与阵风因子远大于规范规定值,台风边界层风速剖面变化梯度低于良态气候相应值,结构重现期内极值风速预测结果与规范具有较大差异,台风作用下实测的大跨度桥梁风振响应与仅考虑良态气候脉动风作用结果存在不可忽视的区别。我国是全世界少数几个受台风影响最严重的国家之一。从北到南的漫长海岸线和沿海地区都可能有台风登陆,袭击沿海的台风风速可达40~60m/s以上,对邻海区域的生命财产安全构成严重威胁。随着我国交通部“五纵”和“七横”高等级公路骨架网的建设与蓬勃发展,太平洋沿岸的同三线包含了五个跨海大型桥梁工程(自北向南依次为:渤海湾工程、长江口越江工程、杭州湾工程、珠江口伶仃洋工程、琼州海峡工程),这些工程的顺利完成将是21世纪中国桥梁工程师面临的严峻挑战。鉴于上述事实,有必要在明确台风气候模式作用特点的基础上,对于沿海乃至跨海桥梁工程的台风风振响应及其控制措施进行深入的研究。其中,解决基于随机性台风模型的工程场地极值风速预测,完善大跨度桥梁风振响应计算方法与建立考虑多种随机因素的台风气候模式中桥梁风振失效理论亦是大跨度桥梁抗风设计面临和必须解决的问题。
目前,应用于气象学中的台风数值模型,是以流体动力学和热力学为基础的台风风场模拟,主要模拟台风的一些基本特征,如演变过程、流场、温度场、雨带、台风眼、能量平衡等,目的在于研究制约台风形成和发展的各种物理因素的作用,为将来台风形成和发展的数值预报作准备。显然,这种模型用于工程区域风速的统计与预测过于宏观与复杂、且计算量极大而不适用,更应该发展一种计算简便且具有足够精度的台风模型,这种模型仅需模拟大气边界层内风速场的分布与变化。这项工作已经有了一个良好的开端,从70年代起,国外一些学者在这方面作出了有益的探索与尝试,发展了多种台风数值模型,其中的一些经验和结论由于气候、地理环境的差异尚无法直接应用于我国沿海地区。
迄今为止,国内外风工程界对于台风作用下结构风振响应的研究尚未深入开展。已见诸报道的文献大都是台风作用下结构确定性分析过程,并仍沿用良态气候中多种分析方法和结论。未见完全针对大跨度桥梁在台风作用下算法及响应特殊性所进行的深入研究。我国抗风指南与风荷载规范并未对台风设计风速作明确的规定,落后于国际上的发展水平。尽管已经积累了多年的台风实测数据,但对于台风的工程模拟及结构风振响应研究尚未有可借鉴的工作。同济大学抗风研究团队对上海崇明越江通道工程南、北港桥位和舟山连岛工程西堠门大桥工程场地风环境特性研究中体会到台风为沿海大跨度桥梁设计和建设投资带来的麻烦和影响;目前已结合国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”研究项目针对台风工程数学模型及其对于长大桥梁结构动力作用进行了初步的基础研究,一定程度上满足了工程设计的安全需求,但仍存在许多基础问题有待澄清,可以预见,该研究内容会成为未来10年内国内、国际风工程研究的热点问题。
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