風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的主要荷載，而現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬是獲取風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的主要方法。文章介紹了作用于結(jié)構(gòu)上的大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的特性、風(fēng)荷載的特點(diǎn)以及風(fēng)荷載的研究方法，討論了在數(shù)值模擬中引入湍流模型的必要性，指出了目前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算中的進(jìn)展并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

　　1940 年美國的Tacoma 懸索橋在平均風(fēng)速僅為18.8 m/s 的大風(fēng)作用下垮塌^[1]，引發(fā)了對風(fēng)荷載及風(fēng)響應(yīng)的深入研究，到20 世紀(jì)60 年代中期，逐步形成了一門新的學(xué)科———風(fēng)工程學(xué)。具體地說，它包括三個(gè)方面的研究內(nèi)容：(1)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程；(2)車、船風(fēng)工程；(3)環(huán)境風(fēng)工程。在風(fēng)工程學(xué)科中，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程問題作為學(xué)科發(fā)展的起源，始終處于核心的地位。

1、大氣邊界層內(nèi)近地風(fēng)特性

　　大氣邊界層內(nèi)風(fēng)特性的研究是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的基礎(chǔ)。大氣邊界層內(nèi)近地層的氣流是一種隨機(jī)的湍流流動(dòng)，目前僅對100 m 高度以下的地表層的風(fēng)特性比較了解，通常將其分為平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性來進(jìn)行研究。對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載有重要影響的風(fēng)特性參數(shù)有：平均風(fēng)速剖面、脈動(dòng)風(fēng)的湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)函數(shù)。經(jīng)過對不同高度風(fēng)速的大量實(shí)測研究，一般認(rèn)為平均風(fēng)速沿高度的變化大體符合指數(shù)規(guī)律。大氣湍流是引起脈動(dòng)風(fēng)的重要原因，一般通過湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度來描述，湍流強(qiáng)度反映了一定高度下脈動(dòng)風(fēng)速均方根與平均風(fēng)速的比值，湍流積分尺度是氣流中湍流旋渦平均尺寸的量度。

　　在應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)功率譜是必要的資料，目前國際上通用的功率譜有Davenport 譜、Harris 譜、Simiu 譜、Kaimal 譜。其中Davenport 譜、Harris 譜是通過不同離地高度的實(shí)測值取平均得到，所以不能反映風(fēng)譜和高度變化，實(shí)際是10 m高度處的脈動(dòng)風(fēng)速譜。Simiu 譜、Kaimal 譜考慮了近地表層中湍流積分尺度隨高度發(fā)生的變化，它們屬于中性大氣穩(wěn)定度下的功率譜，其譜峰及峰值頻率不盡相同。我國規(guī)范和工程應(yīng)用上一般采用Davenport 風(fēng)速譜。

2、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及研究方法

　　對于天線來說，風(fēng)壓是最主要的荷載。風(fēng)荷載是一種具有隨機(jī)性的動(dòng)荷載，由于結(jié)構(gòu)阻塞大氣邊界層氣流的運(yùn)動(dòng)引起。在某一地點(diǎn)，風(fēng)荷載是時(shí)間t 和坐標(biāo)x（高度）的隨機(jī)函數(shù)，而且往往具有非平穩(wěn)性。一段時(shí)間以來，國內(nèi)外利用隨機(jī)函數(shù)理論來研究隨機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，但是隨機(jī)性相當(dāng)復(fù)雜，在解決實(shí)際問題時(shí)一般予以適當(dāng)簡化。

　　由于大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為鈍體，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的重點(diǎn)是鈍體空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)繞結(jié)構(gòu)的流動(dòng)是湍流、分離流和三維流動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載分別來自：來流的脈動(dòng)、分離的剪切層、再附著的尾流脈動(dòng)等。此外，結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)也可能引起附加荷載。風(fēng)荷載一般包括順風(fēng)向力、橫風(fēng)向力和扭轉(zhuǎn)力矩，并具有以下特點(diǎn)：

　　(1)風(fēng)荷載與空間位置及時(shí)間有關(guān)，受地形、地貌、周圍建筑環(huán)境等因素影響；

　　(2) 風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)的幾何外形相關(guān)，結(jié)構(gòu)不同部分對風(fēng)敏感程度不同；

　　(3)具有顯著非線性特征的結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載可能產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)；

　　(4)結(jié)構(gòu)尺寸如果在多個(gè)方向比較接近，風(fēng)荷載還需要考慮空間相關(guān)性。

　　工程設(shè)計(jì)計(jì)算中風(fēng)荷載一般以風(fēng)壓來表示。確定風(fēng)荷載的主要手段有現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等，如表1 所示。

表1 天線風(fēng)荷載研究方法比較

　　風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。一方面，測試結(jié)果與數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)相互對照，可驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性與精度，同時(shí)減少風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)與現(xiàn)場測試工作量；另一方面，以風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y資料為基礎(chǔ)，獲得脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線，這是進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)荷載計(jì)算的必要條件。

6、結(jié)束語

>　　隨著結(jié)構(gòu)工程向長大化、高聳化、輕柔化以及外形復(fù)雜化發(fā)展，對風(fēng)的敏感程度也越來越強(qiáng)，風(fēng)荷載計(jì)算及其與結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互作用對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)，CFD 的飛速發(fā)展為結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究帶來了巨大的變革。為了解決在復(fù)雜環(huán)境下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載數(shù)值計(jì)算問題, 對現(xiàn)有的數(shù)值模擬理論和方法還應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化的改進(jìn)和發(fā)展。

　　CFD 對結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化程度，而對脈動(dòng)風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算的LES 才剛剛起步。由于大氣邊界層近地風(fēng)特性的復(fù)雜性，要在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域完全依靠數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算風(fēng)荷載從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要結(jié)構(gòu)工程、風(fēng)工程、計(jì)算力學(xué)、氣象學(xué)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步結(jié)合與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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