土木结构抗风研究进展与研究方向

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1.土木结构抗风研究进展
　　现场实测是结构抗风研究中非常重要的基础性方向。基于现场实测，初步掌握平均风速分布及脉动风特性(紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等)，给出了这些特征量的推荐值和推荐公式。此外，人们还注意实测复杂地形对风速的影响，相关成果反映在一些国家规范中。在测量风特性的同时，研究人员大跨桥梁及高层建筑上进行了长期的风致响应实测。美国Texas Tech Univ.风工程研究中心专门建造了供长期实测的低矮房屋实尺度模型。
　　风洞试验目前是结构抗风研究最主要的方法。Cermak和Cook提出大气边界层模拟的基本方法一直沿用至今。为了提高模拟风场的紊流度和紊流尺度,研究人员提出了主动紊流模拟方法。同步多点压力扫描系统可获得结构表面定常和非定常风压的时空分布特征。POD方法和人工神经网络等方法在结构风荷载描述和预测方面得到研究和应用。近来,高频底座动态测力天平已成为高层高耸结构风振研究的主流方法。
　　高层建筑和高耸结构的顺风向荷载和响应机理已基本清楚，建立了顺风向抗风理论体系。通过风洞试验，对高层建筑的横风向荷载机制有了较为清楚的理解，对扭转荷载也有了一定的认识。等效静力风荷载理论研究近期有了新的进展。群体高层建筑的风荷载和响应的干扰效应也是目前的一个主要方向，过去主要研究两个建筑物之间的干扰机理和规律，近两年来对三个高层建筑之间的干扰效应进行了系统研究。
　　1971年，在Scanlan方法基本框架的基础上，人们在桥梁风振响应分析的精细化方法方面做了大量研究,包括颤振和抖振的多模态、全模态计算方法;气动导数和气动导纳的识别方法，非线性和紊流效应，雷诺数效应及斜风效应等。斜拉桥拉索风雨激振的机理研究也取得新的进展。
　　由于形状复杂，大跨空间结构风荷载的时空分布比其他大型结构复杂很多。Holmes于2004年指出，准定常假设一般不适用于大跨空间结构的动力风荷载。空间结构抗风研究的另一重要问题是等效静力风荷载的等效原则和求解方法。LRC法已被应用于求解结构的背景等效静力风荷载分量，而振动惯性力则被建议用来计算共振等效静力风荷载分量。利用模型现场测量和风洞试验，已初步认识到低矮建筑的风荷载作用机理和破坏机理。
　  土木结构风荷载和效应的数值模拟及土木工程数值风洞技术是结构风工程研究中具有战略意义的发展方向。在诸多湍流模型中，大涡模拟是近年来计算风工程中最活跃的模型之一。Spalart1997于RA年提出分离涡模型，是LESNS模型和MTM模拟的合理综合，计算量较小，而精度较高。特别需要提到,近年中离散涡数值计算方法在桥梁气动弹性计算中已取得很大成功。流固耦合数值模拟是数值计算科学中最具挑战性的问题之一。近来的研究表明，分区强耦合或弱耦合法较为成熟，计算量相对较小，结果精度较高，适用于风工程数值模拟。
　  结构的强风荷载或响应如超出允许值,则必须加以控制。人们通过风洞试验，总结了控制桥梁和建筑风荷载及风振的被动气动措施。主动气动控制措施研究尚处在研究阶段，通过风洞试验和理论分析来研究可主动调节的气动措施以提高桥梁的气动稳定性。在进行阻尼器控制结构风致振动研究时，针对结构风振时结构的表观阻尼和频率发生变化这一特点，提出了MTMD方法、半主动控制系统和主动控制系统方法。
2.土木结构抗风研究方向
　　(1)风特性和结构响应的理论和方法研究。加强现场实测,获得更为全面、准确的风特性资料，深人研究土木结构模型风洞试验理论和方法，研究土木结构风荷载和响应机理;研究结构抗风设计的更为科学合理的方法及风荷载和风振控制方法。
　　(2)风特性、土木结构风荷载和效应的数值模拟及数值风洞。研究结构风荷载数值模拟方法，研究结构气动弹性响应的数值模拟方法，并将这些有效方法应用于结构风效应机理的研究，研究台风分布和城市风特性的数值模拟方法，研究风环境(包括城市小区风环境、行人高度风环境及建筑物内部风环境等)的数值模拟方法。
　　(3)风灾评估方法及评估系统。研究城市风灾危险性区划方法和风灾防御标准。结合城市人口、经济和基础设施等地理信息系统(GIS)和数据库，研究城市风灾危险性区划方法，研究城市风灾害损失的评估方法，研究建立风灾数据库的方法，研究城市风灾的防御标准。
　　(4)风灾风险分析理论和方法研究。研究风灾风险源的识别方法和灵敏度分析方法，研究风灾风险分析和评估的概率方法和模糊方法及其他新方法，研究结构风险管理决策系统，研究风灾风险的实际应用。