大跨度屋盖风压场研究结果

大跨度屋盖结构在湍流风的作用下，钝体绕流现象（尤其是气流分离、再附及漩涡脱落）引起的特征湍流极为显著（如图2-1），作用在屋盖表面的风荷载特性不能直接由湍流风场特性进行简单的推演得到。从时域角度来看，结构的风荷载与来流风的脉动并不同步；从空间域角度来看，屋盖表面不同位置的风荷载的幅值有较大差异，脉动也并不同步，且脉动相关性随距离增大而衰减；从频域角度来看，脉动风压在各频段上的分布及相关性与来流风场存在显著差异。这使得以往基于拟定常假设的结构抗风设计流程往往不适用于该类结构。为解决该问题，本书从频域角度出发，对作用于大跨度屋盖表面的风荷载谱进行建模，以提出能用于该类结构抗风设计的风荷载谱模型。

图2-1　典型大跨建筑结构特征湍流示意图[33](www.xing528.com)

本书研究的作用于大跨度屋盖表面的脉动风压，是一个随时间和空间变化，方向垂直于屋盖表面的物理量，可以用一个以空间和时间为变量的向量值函数p(r，t)来描述。其中，针对本书的研究对象，空间位置矢量r限定在屋盖表面，可以看作是一个二维曲面上的位置坐标(ξ，η)；时间变量t是定义在(-∞，+∞)上的标量，根据各态历经的假设，可以由有限的采样时长T来近似风压的统计特征。由于本书研究的风压特指垂直于屋盖表面的力，因此，风压场中的某点ra=(ξa，ηa)的风压可以认为是一个标量，用pa(t)=pa(ra，t)=pa(ξa，ηa，t)来表示。综上所述，本书研究的脉动风压场是作用在二维空间上的各态历经动态标量场。

理论上，可以通过时域、时差域、幅值域、空间域、频域等不同角度对动态场进行研究。其中，时域分析最为直接，也成为原域上的分析，但获取的信息较为复杂，难以对物理量进行概念化的简化描述；频域分析是一种变换域的分析，将动态场的信息映射到频域上，能够获取更加丰富、概念更为明确、便于理解的知识，通过对频谱的变换、积分，又能得到时差域、幅值域甚至是空间域的信息。因此有理由相信，频域分析是精细化研究动态场最为有效的手段之一。

脉动风压场的频谱由互功率谱矩阵Sp(ω)表示。对于单点脉动风压pa(t)的自功率，由自功率谱表示，后文在单点的分析中，下标一般省略。对于空间中两点a、b的脉动风压pa(t)和pb(t)，互功率谱表示为自功率谱和互功率谱构成了反映脉动风压场随频率和空间变化的互功率谱矩阵。