同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁抗风设计桥梁抗风设计第三讲主讲教师：杨詠昕副研究员．博士设计风速确定2、平均风空间效应1、边界层自然风同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室3、平均风时间效应4、脉动风时间效应5、脉动风空间效应同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.边界层自然风1.1地球大气层图1大气层分布图RoughnessElementFreeAtmospheregradientheightgroundsurface101102103104地表层大气边界层对流层大气层粗糙层RoughnessLayerSurfaceLayerBoundaryLayerAtmosphereTroposphereAtmosphere离地高度(m)梯度风高度同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室大气层(Atmosphere):地球表面薄层空气厚度1000km(地球直径)大气边界层(ABL)：对流层底部10%，厚度<1000m梯度风高度，建筑物高度对流层(Troposphere)：大气层底部1%厚度，厚度10,000m飞行高度，最高山峰地表层(SurfaceLayer)：大气边界层底部10%，厚度100m风速剧烈变化粗糙层(RoughnessLayer)：地表层底部10%，厚度10m地表粗糙元1211.1地球大气层(续)同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.2自然风纪录(1)风速是脉动的，不是平稳的(2)8分钟内的平均风速变化不大(3)平均风速随高度增大(4)脉动分量与平均风相比较小图2自然风实测纪录同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.3自然风谱模型图3自然风谱理论分析模型PERIOD.11.01010010005secmin5minHourDay4Day.01(Cycles/HR)Year10-3PowerSpectrumn.sMacrometeorologicalMicrometeorologicalMeanWindGustsStormBreeze同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.3自然风谱模型(续)(1)脉动风能量分布特点主峰：年、4天、1天、1分钟等低谷:10分钟至60分钟(2)低频能量分布特点周期:4天至5天特点：实际大气系统移动周期(4)高频谱峰能量取决于平均风速(3)高频能量分布特点周期:1分钟特点:实际脉动风周期同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.4自然风计算模型(1)脉动风与平均风相比很小U(z,t)=U(z)+u(z,t)U(z)——随机变量，与时间无关均值u(z,t)——随机过程，与时间有关方差(2)脉动风低谷特性利用022001()(,)T=10~60min11(,)0(,)TTTuUzUztdtTuuztdtuztdtTT；同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.平均风空间效应2.1风剖面特性地表粗糙度越大，梯度风高度越高梯度风风速相等，相同高度的平均风速随粗糙度变化同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.2基本风速定义：高度—10米时距—10分钟重现期—100年确定：抗风规范—全国基本风速分布图表桥梁抗风统计中最基本和最关键参数气象站统计—当地气象站最大概率分布模型桥位实测—桥位实测结果相关性分析同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.3指数律模型(PowerProfile)相同场地:不同场地:112)2()()(UzzUzz2111212221()()()()UzzUzz1——梯度风高度(m);2、1——幂指数值(无量纲)2、2.4对数律模型(LogarithmicProfile)基本公式:相同场地:*0()ln()zUzkz101220ln(/)()()ln(/)zzUzUzzz——粗糙高度(m);0z——地表剪切风速*——Karman常数，≈0.4kk同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.5设计基准风速—指定高度设计风速计算公式：Vz1和Vz2—地面以上高度z1和z2处的风速α和z0—地表粗糙度系数和粗糙高度地表分类地表类别地表分类αzo(m)δ(m)A海面、海岸、开阔水面、沙漠0.120.01300B田野、乡村、丛林、平坦开阔地及建筑物稀少地区0.160.05350C树木及低层建筑物等密集地区、中高层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地0.220.30400D中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地0.301.004501122)(zzVzzV同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学...
