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）S u（O）=O，意味着L u=O,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=U max/ b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' +g u）/U' =1+g u/U'=1+gI U。

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 （2） 液体：牛顿液体、非牛顿液体、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：P 43 N-S 方程中各项及反应的物理意义。

P 4~P 5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 ：P 4~P 55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 X 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。

理想流体。

斥顿流休；剪畫力与变晤 連度呈域性关撇*菲竿叢舐棒』關应力与査 型堆度呈非罐性先事.没冇聲应力柞用fl!可户生枉■受抵・速度增大而增大。

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高超临界区(3X l06<R e ):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R e 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，S t 约等于0.19,基本 保持不变；(2) 在超临界区，漩涡随机脱落，S t 突增至0.4以上，并随R e 的增大而减小； (3) 在高超临界区，漩涡规则脱落，S t 跳跃至0.2以下，约为0.19~0.30,并随R e 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中斶二 _____ L* r a- ]-fi- 律： 当B<1时，H 随B 增大而略呈增大趋势； 当B 在1附近时，结构将发生共振加强，H 突然增大，当B =时H 达到峰值1/4 €k 2; 当B >1后, H随B 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。

附着层：晶渝 分高咸：”£・口护 尾沈区：為沆(较40B ■力 e J( = o.5潅瀬脱幕：It 机■附着屋：展沆 ■分高黒&严曲 ■A*E ：»«(ftX)■ ■力 = M 发寿肌落:周期明昱■附豪晨：淄克 ■分富点：叭=IOO U 尾流区：滴沌(ftX> ■顒力 X ：(Re * 4* 10^)■溢漏脱蓉：■期J ■乳我繪詢共工翟中裁力先注(1)亚临界区(3X 102vR e <3X105) : (2)超临界区(3X l05<R e <3.5 X 06) : (3) 规惯性力法：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P22 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。