摘要：風及其作用的研究歷史與人類發展的歷史一樣久遠。近年來，抗風研究方法成為防災減災領域中非常重要的學科方向。本文主要論述結構風工程的研究方法及其發展狀況。
　　關鍵字：風工程，研究方法，學科進展
　　
　　1.研究意義
　　風及其作用的研究歷史與人類發展的歷史一樣久遠。在許多神話和史前故事中，人類被風的威力與運動深深地吸引住。隨著歷史的發展，人類越來越認識到自然的循環規律，并認為風是一種能量運動。
　　在今天，風的研究主要有兩個分支。第一個是如何最大程度地減少強風的破壞。另外一個分支是如何利用風能為人類服務。在風工程的分支里，對風特性的研究是類似的。不過如何去抵抗風的破壞、免除人身傷亡是急迫的生存問題，更具有現實意義。
　　許多學者越來越對風與結構的相互耦合作用的研究感興趣。早在半個世紀前，Jensen就證明了通過實驗合理建立風模型，研究結構上風荷載的可行性。在近幾十年里，現代風工程針對低矮建筑物的研究已經取得豐碩的成果。但是強風破壞的研究還是一個難題，需要風工程學者進行更深入的研究。
　　強風，颶風及龍卷風是危害最大的自然災害之一，對生命與財產造成巨大的破壞。在2003年，加拿大中西部發生的龍卷風造成巨大的破壞，造成直接與間接的經濟損失超過300億美金；1998年北美颶風總共造成12000人傷亡。在災難中，根據房屋的破壞程度，把結構主要分成三類：(1)沒有進行抗風設計的；(2)進行小范圍的抗風加固的；(3)進行了專業抗風設計的。沒有進行抗風設計的房屋結構基本被摧毀倒塌；有局部抗風加固的結構也遭遇了嚴重的破壞；而進行了專業抗風設計的結構只收到輕微的破壞。
　　風災中，大部分房屋的破壞主要以屋蓋破壞為主。由于風洞試驗的成本較高，許多建筑物并沒有進行風洞試驗研究。但是如果出現暴風，結構的破壞將是沒法估計的。
　　隨著科學技術的發展，輕質高強新型建筑材料的不斷涌現，以及施工工藝的日新月異，大跨度柔性屋蓋結構以其輕巧優美的姿態廣泛應用于機場、體育館、文體活動中心以及展覽館等公共建筑。但是由于這類建筑物質量輕、柔性大、阻尼小、自振頻率低等特點，風荷載將成為建筑物結構設計的主要荷載。所以深入準確地研究風荷載對這類建筑物的作用以及湍流的形成機理是非常必要的。
　　
　　2.結構風工程的研究方法
　　結構風工程學是風工程學的分支，主要研究風和結構的相互作用,亦稱結構風效應問題,特別是動力風效應,即風致振動問題。結構風工程經過幾十年的發展，形成了比較完善的體系，研究方法包括理論分析、現場實測、風洞模擬和計算風工程方法。
　　2.2理論研究
　　理論分析以結構隨機振動理論為基礎，綜合應用結構力學和概率論的知識，用于結構順風向的隨機振動分析和橫風向亞臨界范圍的隨機振動分析與跨臨界范圍的確定性共振響應分析。在實際工程中，一般運用理論分析來指導工程計算和試驗。
　　2.2全尺度實測
　　全尺度實測（現場實測）是最直接、最真實的研究手段，利用風速儀、加速度計等儀器在現場對實際風環境及結構風響應進行測量，可獲得風特性和結構響應的第一手資料，是檢驗其他方法結果是否正確不可缺少的方法。
　　基于現場實測，近地風可處理為平均風速和脈動風速的疊加；平均風速沿高度可用對數律或冪函數來描述，而脈動風的主要特征是紊流度、脈動風速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。在初步掌握這些重要特性的基礎上，給出了這些特征量的推薦值和推薦公式(Simiu,etal.1996;Sethu-Ramam1979;Counihan1975;Deaves,etal.1978；Kaimal,etal.1972;Davenport1961;Panofsky1965)。
　　全尺度實測也有它的限制和困難：
　　(1) 費時、費力、花費較高。
　　(2) 只能對已經建成的建筑物及其周圍風環境進行測試，無法對擬建建筑物進行風環境預測，且不能對將來由于建筑周圍環境變化而可能出現的情況進行研究。
　　(3) 由于缺乏可控制的環境，很難去重復試驗和研究流動的各種特性。
　　(4) 由于風流動非常態性，數據采集和分析也很困難。
　　2.3風洞試驗
　　可控制環境下結構與風相互作用的研究可追溯到19世紀初。當時大部分風洞研究主要應用于航天應用，航天結構與建筑物的風洞試驗也是在層流中進行的。一直到1958年，Jensen才將湍流邊界層模型應用到測試建筑物的風洞試驗。這正是因為設備、測量技術、來流地形模型和分析方法的巨大進步，邊界層風洞試驗才被廣泛應用于風工程研究中。
　　自60年代初美國Colorado州立大學和加拿大WesternOntario大學建成邊界層風洞以來，目前世界各國的邊界層風洞已經達到上百座，我國也相繼建成了20多座邊界層風洞。風洞試驗是在風洞實驗室模擬大氣邊界層中的實際風環境和實際建筑結構，從實驗室的模型風效應考察實際的結構效應，是人為控制條件下對結構風效應進行再現。在建筑繞流和建筑物風荷載研究中風洞試驗起著重要作用，但風洞試驗也存在著很多問題：
　　1.試驗必須采用幾何縮微模型，一般在1:200~1:1000，這樣建筑物細部對風作用的響應得不到合理的反映；
　　2.試驗要求滿足相似性原理，然而有一些情況在常規的實驗條件下是無法達到的，如強風暴這類的高雷諾數流動及繞流流動的脈動特性等在風洞中很難得到比較好的模擬，特別是湍流的小尺度脈動；同時鑒于近地風具有顯著的紊亂性和隨機性，在風洞中很難進行準確模擬，因此實驗結果和實測值必然存在一定的差異；
　　3.建設風洞投資費用高，試驗過程中的費用高、周期長。設計是一個反復的過程，需要多個方案進行比較，但不可能一一做風洞試驗，結果不能得到抗風性能最優的結構。
　　2.4計算風工程
　　由于風洞試驗的局限性并隨著計算機技術的快速發展，計算風工程方法已經逐步成為繼風洞試驗后預測建筑物表面風壓、周圍風速和湍流特性的一種新的有效方法。
　　計算風工程方法（ComputationalWindEngineering，簡稱CWE）的核心內容是計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics），亦稱為其控制方程在數學上為一組偏微分方程。數值風洞通過在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的流體動力學方程進行數值求解，并且可借助計算機圖形學技術將模擬結果形象地描述出來，以對建筑物周圍風場進行仿真模擬。CWE技術在傳統的風洞試驗所不能解決的問題上具有廣闊的前景，將不斷地被人們所接受。
　　對于任何給定的流體流動問題，必須滿足一系列要求，并且要經過一些步驟才能獲得滿意的結果。這些要求和步驟包括：對計算域的的定義，網格生成，邊界條件的指定，初始條件的定義，對數值方法和離散格式、湍流模型、時間步大小、時間推進方法及收斂準則的選擇。
　　計算風工程與風洞試驗相比較，其優點表現為：1.數值計算成本相對較低，周期短，精度高；2.可以根據研究和設計的不同需要不斷改變流場和結構的相關參數，對研究對象進行全方位多角度的分析研究；3.可以進行全尺度的模擬，克服實驗中難以滿足雷諾數相似性的困難，可避免風洞試驗由于尺寸縮放所引起的誤差；4.數值模擬結果可以利用豐富的可視化工具，提供風洞實驗不便或無法提供的流場繞流信息。數值風洞是綜合計算流體動力學、結構動力學、風工程學、結構工程，以及計算機語言、數值計算方法、計算機圖形學和動態可視化處理技術等多學科的新興交叉學科，其特點是工程應用背景強，理論研究難度大。
　　參考文獻
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