一顺风向脉动风特性

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1、一顺风向脉动风特性党欢土木13班051171在顺风向的风效应中包括长周期成分——平均风（即稳定风）和短周期成分——脉动风（也称阵风脉动）。如下图所示。由于平均风相对稳定，即使受风的长周期成分影响，但由于风的长周期远大于一般结构的自振周期，因此平均风对结构的动力影响很小，可以忽略，而脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，将是结构产生动力响应。因此，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。脉动风荷载是随机荷载，又是风力中的动力成分，它使结构产生了随机振动。因

2、此，在计算结构的随机风振之前，必须对脉动风的概率特性作一全面的了解。（一）脉动风的概率分布根据风的记录，如果舍弃初始阶段附近的严重的非平稳性范围，则风非常接近平稳随机过程。风的记录分析也表明，每一样本函数的概率分布几乎相等，因而脉动风时常进一步作为各态历经过程来近似考虑。这样，如果能够取得一条有代表性的足够长的风速记录，就能简便的分析出它的各种概率特性。为分析脉动风对结构的影响，一般可将脉动风速处理为随机过程[vf(t),t∈T]，为便于分析，工程上常假定脉动风速为零均值正态平稳随机过程，其概率密度函数为式中，σv为脉

3、动风速的均方差。vfi是vf的一条时程记录曲线。定义风的湍流强度为脉动风速的均方差于平均风速的比值，以次表征风速的脉动程度。由于脉动风速的均方差沿高度不明显变化，而平均风速随高度增加而增大，因此风的湍流强度虽高度的增加而减小。（二）脉动风功率谱脉动风速的频率特性，可采用功率谱函数表示，其定义为脉动风速的均方差也可以根据功率谱函数的积分求得。上图即为风速功率谱密度，横坐标次采用了对数坐标。（三）脉动系数脉动风速根方差或脉动风压根方差案高度的变化规律，常用脉动系数来表示。它的定义为：脉动系数主要根据实验来确定。研究结果表明

4、，随着高度的增加，脉动系数逐渐减小，并且到达梯度风高度后趋于定值。脉动系数沿高度的减小，并不表示脉动风压根方差沿高度亦减小。由于平均风压沿高度按指数规律增加，因此脉动风压也随高度的增加而增加。（四）脉动风的空间相关性阵风的特性除用自相关性描述外，还可用空间相关性来表示。强风观测表明，各点的风速，风向并不是完全同步的，甚至可能是完全无关的。空间相关性主要包括侧向左右相关和竖向上下相关，在必要时，还应包括前后相关。建筑物在水平方向总是有一定长度的，因而当水平风力作用时，它们一般较少同时到达最大值。当某点承受最大风速时，离该

5、点的距离越远，同时承受该风速的概率也就越小。另外，根据观察资料，可以了解到在不同粗糙度的地面上空同一高度处，脉动风的性质有所不同。在地面粗糙度大的上空，平均风速小，而脉动风的幅值大且频率高；反之，在地面粗糙度小的上空，平均风速大，而脉动风的幅值小且频率低。二、顺风向脉动风的处理方法余思瑾土木13班051124风成分中脉动风完全属于随机动力特性，对于柔性结构，将引起很大的风振。脉动风风振的影响常用等效静力乘上风振系数来表示，也可以在平均风荷载上加上脉动等效风荷载来表示，其关系式为或结构可分柔式结构和非柔式结构或刚性结构，

6、例如高层建筑、高耸建筑结构、大跨度桥梁和屋盖等等。我国建筑结构荷载规范修订稿规定：对于高度大于30cm且高度比大于1.5的房屋结构，以及基本自振周期大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。1、脉动风下结构位移响应为说明顺风向脉动风效应，以下以一维连续弹性体系为例（图一），在水平脉动风（设为y方向）作业下，该体系的弯曲运动方程为（2-1）式中，、、、，分别为高度z处单位长度（沿z乡）上的质量、阻尼系数、惯性矩和水平脉动风力幅值，为幅值为1的随机运动函数。zl(z)m(z)（图表1）

7、可采用振型分解法求解方程，为此将体系位移响应用振型表达为（2-2）式中——体系j振型的高度z处的值；——j振型的正则坐标。将（2-2）代入（2-1），注意到振型关于质量和刚度的正交性，同时假定阻尼为比例阻尼，则可得到互不耦连的正则坐标方程（2-3）式中（2-4）其中，为体系第j阶自振圆频率，为第j阶自振阻尼比，H为体系总高。由于脉动风是一种随机振动，则将包含的随机性，因此需采用随机振动理论来求解方程（2-3）。求得后，代入式（2-2），即得结构位移响应。脉动风压可用脉动风压时程均方差乘以保证系数表示，设脉动风压与平均风

8、压之比为脉动系数，则（2-4-1）式中——体系在高度z处的宽度；——基本风压。因脉动风周期较长，对于一般的工程结构（周期较短），第一振型响应将起决定作用，故(2-5)式中、分别为脉动增大系数和振型影响系数，可按下列公式确定(2-5-1)(2-5-2)式中（2-5-3）（2-5-4）为脉动风的功率谱密度，为左右上下不同位置的脉动风压