哈工大结构风工程课后习题答案.doc

结构风工程课后思考题参考答案
二、大气边界层风特性
1 对地表粗糙度的两种描述方式：指数律和对数律（将公式写上）。
2 非标准地貌下的风速换算原则（P14）和方法（P15公式）。
3 脉动风的生成：近地风在流动过程中由于受到地表因素的干扰，产生大小不同的涡旋，这些涡旋的迭加作用在宏观上表现为速度的随机脉动。在接近地面时，由于受到地表阻力的影响，导致风速减慢并逐步发展为混乱无规则的湍流。
脉动风的能量及耗散机制：而湍流运动可以看做是能量由低频脉动向高频脉动过渡，并最终被流体粘性所耗散的过程。在低频区漩涡尺度较大，向中频区（惯性子区）、高频区（耗散区）漩涡尺度逐渐减小，小尺度涡吸收由惯性子区传递过来的能量，能量最终被流体粘性所耗散。
4 Davenport谱的特点：先写出公式
通过不同水平脉动风速谱的比较：
（1）D谱不随高度变化，而其他谱（如Kaimal谱、Solari谱、Karman谱）则考虑了近地湍流随高度变化的特点；（D谱不随高度变化，在高频区符合-5/3律，没有考虑近地湍流随高度变化的特点；）
（2）D谱的谱值比其它谱值偏大，会高估结构的动力反应，计算结果偏于保守。
（3）Su(0)=0,意味着Lu=0，与实际不符。
5 湍流度随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而增大，随高度的增加而减小。
积分尺度随高度及地面粗糙程度的变化规律：大量观测结果表明，大气边界层中的湍流积分尺度是地面粗糙度的减函数，而且随着高度的增加而增加。
功率谱随高度及地面粗糙程度的变化规律：随着高度增大和粗糙度的减小，能量在频率上的分布趋于集中，谱形显得高瘦；随着高度减小和粗糙度的增大，能量在频率上的分布趋于分散，谱形显得扁平。
相干函数随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而减小，随高度的增加而增大。
6 阵风因子与峰值因子的区别：阵风因子G=U’/U,是最大风速与平均风速的比值；峰值因子g=umax/σu是最大脉动风速与脉动风速均方根的比值。
联系：二者可以相互换算：G=(U’+gσu)/U’=1+gσu/U’=1+gIU。

三、钝体空气动力学理论
1 钝体绕流的主要特征有：
（1）粘性效应：气体粘性随温度升高而增大，液体粘性随温度升高而减小。
（2）边界层的形成：由于粘性效应，使靠近物体表面的空气流动速度减慢，形成气流速度从表面等于零逐渐增大到与外层气流速度相等，形成近壁面流动现象。
（3）边界层分离：如果边界层内的流体微粒速度因惯性力减小到使靠近表面的气流倒流，便出现了边界层分离。
（4）再附：在一定条件下，自建筑物前缘分离的边界层会偶然再附到建筑物表面，这时附面层下会形成不通气的空腔，即分离泡。每隔一段时间分离泡破裂产生较大的风吸值，产生一个风压脉冲。
（5）钝体尾流：对于细长钝体，漩涡脱落是在其两侧交替形成的。漩涡脱落时导致建筑物出现横向振动的主要原因。
（6）下冲气流：由于受到迎风面的建筑物的阻挡作用，使部分气流转向下方形成漩涡，从而在地面上出现反向气流。
2 流体与固体在本构特性上的差异：流体与变形速度紧密相关，而固体在弹性阶段剪应力不随变形速度变化而变化。
（1）固体：弹性体与变形速度无关，理想弹性体在达到屈服应力后随变形速度增大而增大。
（2）液体：牛顿液体、非牛顿液体、理想流体。
粘性流体中，不仅产生剪应力，还会产生附加的法向应力。基于牛顿流体的本构关系：P4
3 N-S方程中各项及反应的物理意义。P4~P5
瞬态项：即局部导数，代表同一位置处，由于时间变化而引起的速度变化，反映了场的非定常性。
对流项：即变位导数，代表同意瞬时，由于空间位置变化引起的速度变化，反映了场的非均匀性。
源项：与原始压力有关，且一直都存在。
耗散项：涉及动力粘性系数，与粘性有关，为非线性项。
4 拟定常假定以及基于该假定的脉动风压系数推导：P4~P5
5 气动导纳的作用: 是结构形状、尺寸以及来流湍流特性的函数，用于描述风速谱与气动力谱之间的频率传递关系，作用是用准定常的气动力来表达非定常的气动力。它是通过气动导纳函数χ2来实现，将一个真实物体的表面风压修正到完全相关的理想状态。
气动导纳随折减频率的变化规律：随频率的增加而减小，说明高频率的小尺度涡更易丧失相关性。
6 以圆柱绕流为例，叙述亚临界、超临界和高超临界区的流动特性：
（1）亚临界区（3×102<Re<3×105）: （2）超临界区（3×105<Re<3.5×106）:（3）高超临界区（3×106<Re）：
7 叙述几种改变雷诺数效应的方法：
（1）提高表面粗糙度和来流湍流度均可减小临界雷诺数，提高最小阻力系数。其根本在于促进了转捩的提前发生。（2）采用尖角方柱。尖角方柱的阻力系数基本不随Re变化，分离点位置固定在迎风尖角处。
（3）改变压力或温度。（4）改变流场介质。
8 斯托拉哈数及其随雷诺数的变化规律（以圆柱为例进行说明）：
斯托拉哈数是流体惯性力与粘性力的比值，摆出公式。随雷诺数的变化规律：
（1）在亚临界区，漩涡周期性脱落，St约等于0.19，基本保持不变；
（2）在超临界区，漩涡随机脱落，St突增至0.4以上，并随Re的增大而减小；
（3）在高超临界区，漩涡规则脱落，St跳跃至0.2以下，约为0.19~0.30，并随Re的增大而增大。

四、结构风振响应分析与等效静力风荷载确定
1 频响函数随频率比的变化规律：
当β<1时，H随β增大而略呈增大趋势；
当β在1附近时，结构将发生共振加强，H突然增大，当β=1时H达到峰值1/4ξ2k2；
当β>1后，H随β增大而减小。
2 在刚性结构中背景响应与共振响应哪个更显著。
3 阵风荷载因子法与惯性力法的区别:
（1）基本思想不同：
阵风荷载因子法基本思想：用峰值响应与平均响应的比值（阵风荷载因子）来反映结构对脉动风的放大作用。
惯性力法基本思想：从结构动力平衡方程出发，研究峰值响从结构动力平衡方程出发，研究峰值响应对应的真实最不利荷载。
（2）计算思路不同：
阵风荷载因子法：通过极值动力响应得到阵风荷载因子，求出等效静风荷载，并得到结构在等效静风荷载作用下的静力响应。
惯性力法：结构在脉动风荷载作用下的动力响应，可以看作在广义外荷载作用下的静力响应。结合特征值方程，仅考虑第 1阶振型的惯性力作用求得最大静力等效荷载和总静风荷载。
（3）适用条件不同：
阵风荷载因子法：适用于刚度较大的结构。惯性力法：适用于结构刚度较小的结构。
4 等效静风荷载的计算中需要注意的事项：
（1）结构在脉动风荷载作用下的动力响应，可以看作在广义外荷载作用下的静力响应。
（2）仅考虑第 1阶振型的惯性力作用
（3）计算结构其它响应时（如高层结构的各高度处的剪力和弯矩），将有可能低估结构响应。
（4）该方法适用于结构刚度较小的结构。
5 如何根据结构的响应特点判断响应类型；
（1）按响应方向判断：A若为顺风向响应，则一般为顺风向抖振；B若为横风向响应，则为一般为涡激振动或横风向弯曲驰振；C若既有顺风向又有横风向响应，则为横风向与顺风向振动的组合。
（2）按照失稳方式判断：A若为弯曲或扭着的单自由度气弹失稳，则为驰振；B若为弯扭耦合的气弹失稳，则为颤振。
（3）按响应性质判断：A若为由来流的速度脉动引起的结构随机振动,为抖振；B因结构自身或其它结构形成的涡旋引起的结构受迫振动，为涡激振动；C在某些情况下，激励部分可以产生负阻尼成分，当风速达到某值时负阻尼大于正阻尼，此时振幅增大，直到产生失稳式破坏，则为自激振动。
6 针对不同的风振响应类型，可采取哪些措施来提高结构的抗风性能
（1）顺风向抖振振动，提高结构的抗风性能措施：可以通过增大结构或构件刚度，或减小质量，从而增大结构基频，使得横风向共振响应区后移，增大背景响应区所占比例，从而减小顺风向抖振响应。
（2）横风向涡激响应的控制措施：A增加结构构件。最常用的是在结构中增加拉索式构件或加强层。B安装耗散材料或装置。C设置调频阻尼器。
（3）横风向弯曲驰振的控制措施：安装调质阻尼器(TMD)提高结构阻尼比以提高临界风速；对矩形截面采用倒角的方法以降低升力系数的负斜率的绝对值，从而提高临界风速；加大结构刚度，提高基频；加大结构的密度和阻尼。
架空输电导线的驰振（舞动）的控制措施：选择合理的线路走向，避开舞动多发地区及微气象、微地形区域； 适当提高线路的机械及电气强度，以提高线路抗舞动的能力；对敏感区段加装防舞装置。通过改变导线特性抑制舞动；通过提高导线系统的自阻尼抑制舞动；通过扰乱沿档气流来抑制舞动；采取有效的防覆冰措施抑制舞动。
（4）颤振响应的控制措施：
A避免各种固有频率互相接近。对于弯扭颤振来讲，应通过改变系统的刚度与质量的大小与分布，防止频率比接近1，使扭转振动与弯曲振动不合拍。B提高结构或构件弯曲刚度与扭转刚度；C 合理降低结构或构件的重心。
7 横风向涡激共振P11与驰振临界风速P15计算。

五、风洞试验技术与数据分析
1 直流风洞与回流风洞的优劣分析P2
2 简述哈工大风洞的主要性能指标：
哈尔滨工业大学风浪联合实验室是一座闭口回流式矩形截面风洞，风洞电机额定功率为907千瓦。有大小两个试验段，小试验段尺寸为4.0m宽、3.0m高、25m长；大试验段为风浪联合试验段，单独作为风洞试验段时其尺寸为6.0m宽、3.6m高、50m长，水槽的尺寸为5.0m宽、4.5m高、50m长，水槽段有一个5.0宽，5.0长，22m深的深井，在同类边界层风洞中目前仅加拿大西安大略大学和香港科技大学拥有造波系统，是国内唯一能够实现风浪联合作用结构试验的大型试验平台。同时在大试验段安装了人工模拟降雨系统，可进行风-雨联合试验以及风-雨-浪联合试验。
试验风速范围从3m/s～50m/s（小试验段）和3m/s～30m/s（大试验段）连续可调，流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1%、湍流度小于0.46%、平均气流偏角小于0.5度。在小试验段安装了两个用于边界层建筑结构模型试验的自动转盘系统。两个转盘的直径均为2.5m，可分别用于刚性测压模型和气动弹性模型。

类 型：单回流闭口双实验段风洞
平面尺寸：88.6m×23.3m
小试验段：4.0m(宽)×3.0m (高)×25m (长)
大试验段：6.0m (宽)×3.6m (高)×50m(长)
水 槽：50m (长)×5.0m (宽)×4.5m (深)
深 井：10.0m (长)×5.0m (宽)×22.5m (深)
最大风速：50m/s（小试验段），30m/s（大试验段）
最大波高：0.4米波浪周期：0.5秒－5秒
3 简述风洞的评价指标：
（1)清楚所建风洞的用途与需求 (风洞)
（2）对试验段流场品质的要求：参照国军标《高速风洞和低速风洞流场品质规范》（GJB1179-91)对航空航天类风洞的规定指标：气流均匀性、方向场均匀性、轴向静压梯度、气流湍流度 、气流稳定性 、点气流偏角、平均气流偏角。
（3）风洞能量比尽量高，通常在3~7之间。风洞能量比＝试验段气流动能流率/动力系统输入风洞的功率
（4）风洞噪声和振动小：动力系统设计、各段地基的处理、 拐角二次分离的防止等。
（5）风洞的适用性和测试准确性。模型准备和模型装拆方便；风洞使用可靠、维修容易；数采和控制系统可靠且自动化程度高；风洞做小的改动即可适用于多种任务。配套计算机及测试仪器精度高且可靠；试验测量受电场干扰小。
边界层风洞流场品质指标建议、收缩比。
4 简述皮托管、热线风速仪、电子扫描阀、测力天平的工作原理：
皮托管：目前使用的皮托管是一根双层结构的弯成直角的金属小管，如图5-la)所示。在皮托管的头部迎流方向开一个小孔A，称总压孔。在皮托管的头部下游某处又开有若干小孔B，称为静压孔。皮托管所测得的流速是皮托管头部顶端所对的那一点流速。当皮托管没有插入流场时，设某一点的流速为u，静压为P。为了测得该点流速，我们将皮托管顶端的小孔A对准此点，并使皮托管轴线与流向平行。这时由于插入了皮托管，A点的流速被滞止为零，压力由原来的静压ρ上升为滞止压力ρ0(或称总压P0)。ρ0不但包含了流体原来的静压力ρ，而且还包含了由流体功能转化为静压力的部分。也即如包含了流速U的信息。只要从ρ0中将原来的静压ρ减去，就可得到流速值u。为了从理论上建立总压和静压之差与流速的关系，我们先假设流体流动为理想的不可压缩流体的定常流动。根据理想的不可压缩流体的伯努利方程，对于A点及下游B点可列出如下关系式：这就是皮托管测量流速的理论公式。式中，ρ为被测流体的密度；（P0-P)为总压和静压之差，可用差压计来测量
热线风速仪：流速计的一种，它的作用原理是将感测元件——一根通以电流而被加热的细金属丝置于通道中，当气体流过它时则将带走一定的热量，此热量与流体的速度有关。其流速的确定，常用的有两种方法：一是定电流法，即加热金属丝的电流不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；测得金属丝的温度则可得知流速的大小。另一种是定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，测得加热电流值则可得知流速的大小。
电子扫描阀：
电子扫描阀压力系统是九十年代以来在世界上应用比较广泛的测压设备。它是一个高度模块化的数据采集系统，可以满足典型的工业应用，也可以应用于更复杂的风洞和气轮机，配置和操作十分简单。

测力天平：

5 雷诺模型与弗劳德模型的相似参数确定
对于具有尖角的钝体，可放宽Re数一致性条件；
对于近流线形断面，要重视雷诺数相似条件。

6 设计一个刚性模型风洞试验~~~~(>_<)~~~~ 太难
7 用POD方法进行脉动风压场的分析：
POD方法利用脉动风压协方差的本征向量描述建筑结构的脉动风压场。
计算步骤：1. 得到脉动风压场为 p(x,y,t) 2.计算脉动风压协方差3.协方差的特征值求解4. 特征向量标准正则化5. 计算主坐标6. 进行分析或用于重构风压场

六、结构抗风设计
1 风振响应分析（内力、位移）、舒适度分析与幕墙抗风分析三者的风荷载取值有何差别？
（1）风振响应分析（内力、位移）:
（2）风振舒适度：通常采用最大加速度来衡量。A为建筑总迎风面积。
对150m以上的高层建筑需进行舒适度验算。
A顺风向最大加速度计算：
w0取对应10年重现期的基本风压。
M为建筑总质量.

B横风向最大加速度计算
C扭转最大加速度计算
（3）幕墙风荷载取值：
《玻璃幕墙技术规范》JGJ102-2003规定：玻璃幕墙的风荷载标准值应按下式计算，并且不应小于1.0kN/m2。
βgz —阵风系数，大致在1.4~2.0之间。
μsl—局部体型系数，对于檐口附近和边角部位可取-1.8，其余墙面可取-1.0，同时尚应考虑-0.2的内压系数。
2 风振舒适度验算P67-72
3 幕墙抗风验算P85