设计风速确定.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,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,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,1.,边界层自然风,1.1,地球大气层,图,1,大气层分布图,Roughness Element,Free Atmosphere,gradient height,ground surface,10,1,10,2,10,3,10,4,地表层,大气边界层,对流层,大气层,粗糙层,Roughness Layer,Surface Layer,Boundary Layer Atmosphere,Troposphere,Atmosphere,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,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,1000 m,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,(,Surface Layer,),：,大气边界层底部,10%,，厚度,100m,风速剧烈变化,粗糙层,(,Roughness Layer,),：,地表层底部,10%,，厚度,10m,地表粗糙元,1.1,地球大气层,(,续,),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,1.3,自然风谱模型,图,3,自然风谱理论分析模型,PERIOD,.1,1.0,10,100,1000,5 sec,min,5 min,Hour,Day,4 Day,.01,(Cycles/HR),Year,10,-3,Power Spectrum n.s,Macrometeorological,Micrometeorological,Mean Wind,Gusts,Storm,Breeze,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,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,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,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,2.3,指数律模型,(Power Profile),相同场地,:,不同场地,:,梯度风高度,(m);,、,幂指数值,(,无量纲,),、,2.4,对数律模型,(Logarithmic Profile),基本公式,:,相同场地,:,粗糙高度,(m);,地表剪切风速,Karman,常数，,0.4,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：,V,z1,和,V,z2,地面以上高度,z,1,和,z,2,处的风速,和,z,0,地表粗糙度系数和粗糙高度,地表分类,地表类别,地表分类,z,o,(m,),(m),A,海面、海岸、开阔水面、沙漠,0.12,0.01,300,B,田野、乡村、丛林、平坦开阔地及建筑物稀少地区,0.16,0.05,350,C,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,0.22,0.30,400,D,中,高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地,0.30,1.00,450,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,地表类别确定范围：,确定范围内存在两种相隔类别时，可取平均值,确定范围内存在两种相近类别时，可取较小值,桥梁上、下游为两种不同类别时，可取较小值,2.5,设计基准风速,(,续,),同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2.6,基准风速取值,计算公式：,基准高度,基准高度,(m),悬索桥、斜拉桥,其他桥型,Z,主梁,主跨,桥面距水面或地表面或海面的平均高度,取,下列二条中的较大值：,支点平均高度,+0.8,桥面高差,桥梁设计高度,吊杆、索、缆,跨中主梁底面,到塔顶的平均高度处,桥,塔,(,墩,),水面或地面以上塔,(,墩,),高,65%,高度处,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,平均风速,:,统计时距,:,周期,T,时距,T,越大,风速,U,越小,极值,型,:,极值,型,:,重现期,T,越大、期望风速,U,T,越大,极值,型,:,3.,平均风时间效应,3.1,统计时距,3.2,重现期,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,3.3,施工阶段设计风速,计算公式：,V,sd,不同重现期下的设计风速,风速重现期系数,风速重现期系数,施工期少于,3,年时，采用不低于,5,年重现期的风速,施工期一般偏于安全地取用,10,年重现期,重现期,(,年,),5,10,20,30,50,100,系数,0.78,0.84,0.88,0.92,0.95,1.0,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,3.4,风速统计分析,数据抽样：,样本一致性处理,(10,米高度、,10,分钟平均,),极值样本抽取,(,越界峰值、阶段极值,),概型检验：,概率曲线相关系数方法,PPCC,检验与三种极值分布的相关关系,参数估计：,极大似然估计或最小二乘法,三种极值分布中的参数,(2,或,3,个,),统计分析：,用风速分布概型计算期望风速,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.,脉动风时间效应,4.1,紊流,因子,Gust factor(,峰值效应),地表粗糙度越大，紊流因子越大,水平加载长度越大，紊流因子越小,离地高度越大，紊流因子越小,台风强度越大，紊流因子越大,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.1,紊流,因子,(,续,),静,阵风系数,(,水平紊流因子,G,u,),成桥状态下，水平加载长度为主桥全长,桥塔自立状态的静阵风系数按水平加载长度小于,20m,选取,悬臂施工中的水平加载长度为已拼主梁长度,水平加载长度,(m),地表类别,1500,A,1.29,1.28,1.26,1.24,1.23,1.22,1.21,1.20,1.19,1.18,1.17,1.16,B,1.35,1.33,1.31,1.29,1.27,1.26,1.25,1.24,1.23,1.22,1.21,1.20,C,1.49,1.48,1.45,1.41,1.39,1.37,1.36,1.34,1.33,1.31,1.30,1.29,D,1.56,1.54,1.51,1.47,1.44,1.42,1.41,1.39,1.37,1.35,1.34,1.32,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.2,紊流,强度,Turbulence intensity(,平均强度,),地表粗糙度越大，紊流强度越大,离地高度越大，紊流强度越小,中国规范：,I,u,:,I,v,:,I,w,=1:0.88:0.50,欧美规范：,I,u,:,I,v,:,I,w,=1:0.80:0.50,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.2,紊流,强度,(,续,),水平紊流强度,I,u,紊流强度的变化 范围可达,30%,地震类别,离地高度,(m),A,B,C,D,10 Z 20,0.14,0.17,0.25,0.29,20 Z 30,0.13,0.16,0.23,0.29,30 Z 40,0.12,0.15,0.21,0.28,40 Z 50,0.12,0.15,0.20,0.26,50 Z 70,0.11,0.14,0.18,0.24,70 Z 100,0.11,0.13,0.17,0.22,100 Z 150,0.10,0.12,0.16,0.19,150 Z 200,0.10,0.12,0.15,0.18,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.3,功率谱密度,互谱函数(,Co-Spectrum),正交谱函数(,Quadrate Spectrum),当,i=j,时，称为自谱密度,当,ij,时，称为互谱密度,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,4.3,功率谱密度,（续）,水平风谱：,竖向风谱：,周围建筑物平均高度(,m),同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.,脉动风空间效应,5.1,紊流积分尺度,Integral scale(,相关区域),积分尺度=,欧美规范：,自 然 风：,风 洞 中：,比例：1:2501:200,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,5.1,紊流积分尺度,(,续,),紊流,积分尺度基准值,紊流积分尺度模拟与紊流 强度模拟一般会有矛盾,保证紊流强度模拟,紊流积分尺度,(m),离地高度,(m),紊流积分尺度,(m),离地高度,(m),Z 10,50,20,50 Z 70,120,60,10 Z 20,70,30,70 Z 100,140,70,20 Z 30,90,40,100 Z 150,160,80,30 Z 40,100,50,150 Z 200,180,90,40 Z 50,110,50,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,Davenport,公式：,(f,r)=exp,(,-,fr,/,U,),风场相关系数，取,721,f,频率参数,(,Hz,),r,水平两点或垂直两点间的距离,(,m,),U,平均风速,(,m/s,),ECCS,公式：,(,r,)=,exp,(,-r,/,L,z,),5.2,相干函数,Spatial Coherence(,空间相关,),下周同一时间再见,!,同济大学土木工程防灾国家重点实验室,