基本公式: 相同场地:
U ( z ) ? ? * ln( z )
k
z0
U (z1) ? ln(z1 / z0 )
U (z2 ) ln(z2 / z0 )
z0 ——粗糙高度(m); ? * ——地表剪切风速
k ——Karman 常数，k ≈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
? U (z) ? 1
T
U (z,t)dt
T0
?T=10~60 min ?
? ? u ? 1 T
T 0
u ( z, t )dt
?
0；?
2 u
?
1 T
T u2 (z, t)dt
0
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
? 1.3 自然风谱模型
n.s
Macrometeorological
Micrometeorological
m
Mean Wind
Gusts
Spectru Power
Storm Breeze
(Cycles / HR) 10-3 .01
.1
1.0
10
100
Year
4 Day Day
Hour 5 min min
周期: 1分钟 特点: 实际脉动风周期
(4) 高频谱峰能量取决于平均风速
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 u(z,t)——随机过程，与时间有关
均值 方差
(2) 脉动风低谷特性利用
计算公式： Vd ? K1V10
K1A
?
1.174(
Z 10
)0.12 ,K1B
?
1.000(
Z 10
)0 .16
K1C
?
0.785(
Z 10
)0.12 ,K1D
?
0.564(
Z 10
?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
?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
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
? 1.2 自然风纪录
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
设计风速确定
主讲教师：杨詠昕 副研究员．博士
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1、边界层自然风 2、平均风空间效应 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
计算公式： Vz2
?
( z2 )? z1
?Vz1
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
A B
C D
地表分类
海面、海岸、开阔水面、沙漠 田野、乡村、丛林、平坦开阔地及建筑物稀少 地区 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 中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地
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 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
桥梁抗风统计中最基本和最关键参数
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)
PERIOD
图3 自然风谱理论分析模型
1000 5 sec
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
(3) 高频能量分布特点
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
基准高度
基准高度(m) 主梁
Z 吊杆、索、缆 桥塔(墩)
悬索桥、斜拉桥 主跨桥面距水面或地 表面或海面的平均高 度 跨中主梁底面到塔顶 的平均高度处 水面或地面以上塔 (墩)高65%高度处
其他桥型
取下列二条中的较大值： ①支点平均高度+0.8桥面高差 ②桥梁设计高度
层 气 大
osphere Atm
ground surface
图1 大气层分布图
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
? 1.1 地球大气层(续)
?大气层(Atmosphere): 地球表面薄层空气 厚度1000km( 1 地球直径)
12
?对流层(Troposphere)：大气层底部1%厚度，厚度10,000m 飞行高度，最高山峰
相同场地: 不同场地:
U ( z1 ) ? ( z1 )?
U ( z 2)
z2
U1(z1) ? (? 2 )? 2 ( z1 )? 1 U2 (z2 ) z2 ?1
?1、? 2 ——梯度风高度(m); ? 1、? 2 ——幂指数值(无量纲)
? 2.4对数律模型(Logarithmic Profile)
4
10 Free Atmosphere
3
10
2
10
1度 (m)01 高
地
离
层 Layer
糙 粗
Roughness Element
Roughness
层
表 地
Layer Surface
层
界 边
气 大
osphere Atm Layer Boundary
gradient height
梯度风高度
层
流 对
Troposphere
ph) 60 (m Speed 40 Wind 20
503 ft. 210 ft. 40 ft.
0
1
2
3456来自78Time (minutes)
图2 自然风实测纪录
(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
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
α zo(m) δ(m) 0.12 0.01 300 0.16 0.05 350
0.22 0.30 400 0.30 1.00 450
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(续)
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