下擊暴流時空分布統計與風場特性和結構風荷載實驗研究.pdf

1、下擊暴流是伴隨雷暴發(fā)生的一種局部強對流天氣現象。獨特的風場結構和風剖面特征，使下擊暴流的作用效應與大氣邊界層常態(tài)風差異顯著。作為極端風荷載，下擊暴流對輸電線塔、大跨空間與懸挑屋蓋等多種建筑結構造成了十分驚人的破壞，給社會帶來了嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失。下擊暴流作用風荷載已成為當今結構風工程領域的熱點問題之一，但下擊暴流發(fā)生的空間隨機性強且區(qū)域性顯著、突發(fā)性和流動性強且持續(xù)時間短等多種客觀因素，制約著該研究方向的快速發(fā)展。基于實際觀

2、測數據統計分析下擊暴流的時空分布，是了解其發(fā)生特性的重要方法和加速該研究進程的關鍵所在，亟待解決。此外，計算機技術的進步也把部分研究人員的精力吸引到了應用數值模擬探討下擊暴流作用的內容上去。雖然計算流體動力學技術的發(fā)展已經趨于成熟，但由于下擊暴流風場較為復雜，單純的數值仿真很難得到令人滿意的結果。相比而言，實驗模擬則是揭示下擊暴流作用特征的更為行之有效的途徑。最后，以常態(tài)風為主要研究對象的現行建筑結構抗風設計理論顯然不適用于下擊暴流，建

3、筑結構在下擊暴流作用下的風荷載計算方法等方面還有很多工作需要完成。
　　針對以上提出的問題，本文首先統計分析了我國大陸地區(qū)下擊暴流發(fā)生的時間和空間分布特性，然后實驗模擬了考慮地表粗糙度的下擊暴流風場，并在此實驗平臺上觀測得到了棱柱型建筑結構和開敞式屋蓋結構的下擊暴流作用風荷載，進一步研究了下擊暴流發(fā)生距離和發(fā)生方位角對風壓分布的影響，最后提出了基于風荷載特征系數的下擊暴流作用下建筑結構風荷載的計算方法。本文主要研究內容包括以下幾個

4、方面：
　?。?）以大連地區(qū)四座氣象基站的觀測數據為例，分析了下擊暴流發(fā)生的時間分布特性。根據我國182座數據可公開的地面國際交換站的資料，計算并繪制了下擊暴流年發(fā)生天數和年初終時段的空間分布。依據年發(fā)生天數累年平均值提出了我國下擊暴流作用下建筑結構抗風設計的分區(qū)方法，并根據我國707座氣象基站1971年~2000年的觀測資料，統計得到了各分區(qū)的下擊暴流年發(fā)生天數平均值、年初終時段平均值、發(fā)生頻率和發(fā)生周期。
　?。?）基于

5、壁面射流理論并考慮地表粗糙度，實驗模擬了下擊暴流風場，觀測了B類地貌條件下的風場徑向斷面風速分布，分別繪制了水平風速和豎向風速的徑向剖面和豎向剖面，對水平風速的近地風場進行了細部描述，并得到了下擊暴流風場腳部的渦漩區(qū)位置。依據下擊暴流風場的風速剖面并結合風場流線圖，提出將下擊暴流風場分為內部核心區(qū)域、中部發(fā)展區(qū)域和外部外圍區(qū)域等三個分區(qū)。
　?。?）選擇實際工程常用的棱柱型作為模型外形，根據下擊暴流風場的影響高度確定模型高度，在實

6、驗平臺上對三座不同高度的棱柱型建筑結構模型進行了下擊暴流作用風荷載模擬。通過改變模型在風場中的位置和轉角，實現了觀測下擊暴流在不同發(fā)生距離或方位角時表面風壓分布的變化，獲取了最大風效應和平均風壓系數，進而得到了建筑結構在移動型下擊暴流風場中某些瞬態(tài)位置的風致荷載效應。
　?。?）選擇受下擊暴流作用最明顯的開敞式屋蓋結構作為建筑模型進行了下擊暴流風致荷載效應的實驗模擬。獲得了模型上下表面的風壓分布，并進一步計算得到了整體屋蓋結構所承

7、受的下擊暴流風荷載?？紤]模型在下擊暴流風場中的不同位置和轉角，分析了在不同下擊暴流發(fā)生距離和發(fā)生方位角時，開敞式屋蓋結構上下表面和整體屋蓋結構下擊暴流作用風荷載的變化情況。
　?。?）通過數據擬合分析，建立了考慮地貌條件、沿高度變化的下擊暴流水平風速近似符合高斯函數的經驗模型，據此推導并計算了下擊暴流風場的水平風壓高度變化系數?；诂F行建筑結構荷載規(guī)范中關于結構風荷載的計算思路，考慮風場特殊性引入了風荷載特征系數，建立了下擊暴流作