下击暴流时空分布统计与风场特性和结构风荷载实验研究

摘要

下击暴流是伴随雷暴发生的一种局部强对流天气现象。独特的风场结构和风剖面特征，使下击暴流的作用效应与大气边界层常态风差异显著。作为极端风荷载，下击暴流对输电线塔、大跨空间与悬挑屋盖等多种建筑结构造成了十分惊人的破坏，给社会带来了严重的人员伤亡和巨大的财产损失。下击暴流作用风荷载已成为当今结构风工程领域的热点问题之一，但下击暴流发生的空间随机性强且区域性显著、突发性和流动性强且持续时间短等多种客观因素，制约着该研究方向的快速发展。基于实际观测数据统计分析下击暴流的时空分布，是了解其发生特性的重要方法和加速该研究进程的关键所在，亟待解决。此外，计算机技术的进步也把部分研究人员的精力吸引到了应用数值模拟探讨下击暴流作用的内容上去。虽然计算流体动力学技术的发展已经趋于成熟，但由于下击暴流风场较为复杂，单纯的数值仿真很难得到令人满意的结果。相比而言，实验模拟则是揭示下击暴流作用特征的更为行之有效的途径。最后，以常态风为主要研究对象的现行建筑结构抗风设计理论显然不适用于下击暴流，建筑结构在下击暴流作用下的风荷载计算方法等方面还有很多工作需要完成。
　　针对以上提出的问题，本文首先统计分析了我国大陆地区下击暴流发生的时间和空间分布特性，然后实验模拟了考虑地表粗糙度的下击暴流风场，并在此实验平台上观测得到了棱柱型建筑结构和开敞式屋盖结构的下击暴流作用风荷载，进一步研究了下击暴流发生距离和发生方位角对风压分布的影响，最后提出了基于风荷载特征系数的下击暴流作用下建筑结构风荷载的计算方法。本文主要研究内容包括以下几个方面：
　　（1）以大连地区四座气象基站的观测数据为例，分析了下击暴流发生的时间分布特性。根据我国182座数据可公开的地面国际交换站的资料，计算并绘制了下击暴流年发生天数和年初终时段的空间分布。依据年发生天数累年平均值提出了我国下击暴流作用下建筑结构抗风设计的分区方法，并根据我国707座气象基站1971年~2000年的观测资料，统计得到了各分区的下击暴流年发生天数平均值、年初终时段平均值、发生频率和发生周期。
　　（2）基于壁面射流理论并考虑地表粗糙度，实验模拟了下击暴流风场，观测了B类地貌条件下的风场径向断面风速分布，分别绘制了水平风速和竖向风速的径向剖面和竖向剖面，对水平风速的近地风场进行了细部描述，并得到了下击暴流风场脚部的涡漩区位置。依据下击暴流风场的风速剖面并结合风场流线图，提出将下击暴流风场分为内部核心区域、中部发展区域和外部外围区域等三个分区。
　　（3）选择实际工程常用的棱柱型作为模型外形，根据下击暴流风场的影响高度确定模型高度，在实验平台上对三座不同高度的棱柱型建筑结构模型进行了下击暴流作用风荷载模拟。通过改变模型在风场中的位置和转角，实现了观测下击暴流在不同发生距离或方位角时表面风压分布的变化，获取了最大风效应和平均风压系数，进而得到了建筑结构在移动型下击暴流风场中某些瞬态位置的风致荷载效应。
　　（4）选择受下击暴流作用最明显的开敞式屋盖结构作为建筑模型进行了下击暴流风致荷载效应的实验模拟。获得了模型上下表面的风压分布，并进一步计算得到了整体屋盖结构所承受的下击暴流风荷载。考虑模型在下击暴流风场中的不同位置和转角，分析了在不同下击暴流发生距离和发生方位角时，开敞式屋盖结构上下表面和整体屋盖结构下击暴流作用风荷载的变化情况。
　　（5）通过数据拟合分析，建立了考虑地貌条件、沿高度变化的下击暴流水平风速近似符合高斯函数的经验模型，据此推导并计算了下击暴流风场的水平风压高度变化系数。基于现行建筑结构荷载规范中关于结构风荷载的计算思路，考虑风场特殊性引入了风荷载特征系数，建立了下击暴流作用下建筑物水平和竖向风荷载的计算方法。根据实验模拟的结果，计算得到了下击暴流风荷载的特征系数，并给出了相应的建议值。通过实例分析证明了该方法的可行性。
　　希望本文能够为进一步研究下击暴流作用下建筑结构抗风设计方法添砖加瓦。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2下击暴流概述

1.3国内外研究现状

1.4本文研究的主要内容

第2章 我国下击暴流的时空分布特性

2.1引言

2.2数据资料及处理方法

2.3下击暴流的时间分布

2.4下击暴流的空间分布

2.5下击暴流风荷载的分区

2.6本章小结

第3章 下击暴流风场的实验与分析

3.1引言

3.2实验模拟装置

3.3下击暴流风场的实验模拟

3.4实验模拟的结果分析

3.5本章小结

第4章 下击暴流作用下棱柱型建筑结构风荷载实验与分析

4.1引言

4.2实验模拟装置及模拟结果处理方法

4.3下击暴流风场核心区的风荷载分析

4.4下击暴流发生距离对风荷载的影响分析

4.5下击暴流发生方位角对风荷载的影响分析

4.6本章小结

第5章 下击暴流作用下开敞式屋盖结构风荷载实验与分析

5.1引言

5.2实验模拟装置及模拟结果处理方法

5.3下击暴流风场核心区的风荷载分析

5.4下击暴流发生距离对风荷载的影响分析

5.5下击暴流发生方位角对风荷载的影响分析

5.6下击暴流作用下整体屋盖结构风荷载分析

5.7本章小结

第6章 下击暴流作用风荷载的计算方法

6.1引言

6.2现行建筑结构荷载规范中的相关规定

6.3下击暴流作用风荷载的计算方法

6.4下击暴流作用风荷载特征系数

6.5棱柱型建筑结构设计实际案例分析

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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