本書(shū)作為高級(jí)課程的教科書(shū)，介紹了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域新技術(shù)水平的信息和新的研究成果。主題包括風(fēng)氣候、設(shè)計(jì)風(fēng)速估計(jì)、鈍體空氣動(dòng)力學(xué)和應(yīng)用、風(fēng)致建筑響應(yīng)、風(fēng)、陣風(fēng)系數(shù)方法、構(gòu)件和外墻上的風(fēng)荷載、碎片沖擊、風(fēng)荷載規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算工具和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)、建筑物振動(dòng)下的可居住性、建筑阻尼以及風(fēng)致振動(dòng)的抑制。
十余年來(lái)，以東京工藝大學(xué)田村幸雄教授為首的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)組織37位世界的專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)設(shè)了一系列的國(guó)際高等風(fēng)工程學(xué)習(xí)課程，《高等結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》是根據(jù)該系列課程的講義整理而成的教學(xué)參考書(shū)。該書(shū)內(nèi)容包括風(fēng)氣候，設(shè)計(jì)風(fēng)速估計(jì)，剛體空氣動(dòng)力學(xué)和應(yīng)用，風(fēng)致建筑響應(yīng)，風(fēng)，陣風(fēng)系數(shù)方法，構(gòu)件和外墻上的風(fēng)荷載，碎片沖擊，風(fēng)荷載規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算工具和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，建筑振動(dòng)下的可居住性，建筑阻尼，風(fēng)致振動(dòng)的抑制。該書(shū)填補(bǔ)了該專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的空白，是有志于深入學(xué)習(xí)和研究結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的學(xué)者、工程師和學(xué)生的一部重要參考文獻(xiàn)。
在建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，風(fēng)的影響是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。據(jù)說(shuō)世界上因?yàn)樽匀粸?zāi)害產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失有70%~80%是因?yàn)闃O端風(fēng)和相關(guān)的水害而導(dǎo)致的。隨著人口向都市中心轉(zhuǎn)移以及因?yàn)闈撛诘臍夂蜃兓茰y(cè)災(zāi)害的強(qiáng)度和頻率的增長(zhǎng)，未來(lái)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)升級(jí)。城市化已經(jīng)導(dǎo)致地區(qū)和全球環(huán)境質(zhì)量的惡化，對(duì)公共健康造成深遠(yuǎn)的影響。不僅是極端強(qiáng)風(fēng)事件或者其他短期自然危害，而且嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題應(yīng)該被看作人類(lèi)社會(huì)長(zhǎng)期持續(xù)的危險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害。這就使得人們呼喚一個(gè)強(qiáng)調(diào)減少能源消費(fèi)和改善環(huán)境質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。
東京工藝大學(xué)風(fēng)工程團(tuán)隊(duì)（TPU-WEG）的首要目標(biāo)是建立一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的都市環(huán)境，遇到風(fēng)相關(guān)的事件時(shí)可恢復(fù)，與區(qū)域的局部氣候相和諧。它致力于發(fā)展一個(gè)集成的教育和研究項(xiàng)目，能夠覆蓋廣泛的問(wèn)題，以應(yīng)對(duì)亞洲和更大區(qū)域的都市面臨的前沿的風(fēng)相關(guān)的挑戰(zhàn)。
為了創(chuàng)造有效而舒適的環(huán)境，滿(mǎn)足人們對(duì)城市標(biāo)志性象征的基本需求，建筑變得越來(lái)越高、越來(lái)越細(xì)，橋梁和屋蓋結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越長(zhǎng)、越來(lái)越輕，使得它們對(duì)風(fēng)越來(lái)越脆弱。風(fēng)工程的重要性顯著提高，但是很少有大學(xué)開(kāi)設(shè)這方面的課程。
從2006年7月開(kāi)始，TPU-WEG組建了風(fēng)工程的國(guó)際高等學(xué)校（IAS），目的是填補(bǔ)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的空白。
37位世界著名的教授和研究者受邀在以往的9期IAS講課：Chris Baker、Shuyang Cao、Qingyan Chen、Chiiming Cheng、Tadeusz Chmielewski、Richard de Dear、David Etheridge、Richard Flay、Yaojun Ge、Jamie Hernandez、John Holmes、Ahsan Kareem、Michael Kasperski、Shinsuke Kato、Youngduk Kim、Greg Kopp、Prem Krishna、Takashi Kurabuchi、Kenny Kwok、Sangjoon Lee、Chris Letchford、Xiaofeng Li、Rheo Lim、Masaru Matsumoto、Robert Meroney、Akashi Mochida、William Nazaroff、Siva Parameswaran、Michael Reyes、Matthew Santamouris、Partha Sarkar、Michael Schatzmann、Giovanni Solari、Ted Stathopoulos、Charles Weschler、Youlin Xu和Lingmi Zhang。他們和TPU-WEG的3位講師Masaaki Ohba、Ryuichiro Yoshie還有我合作，使IAS有成果而且成功。
IAS的課程包括風(fēng)氣候、風(fēng)致災(zāi)害、結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力學(xué)、風(fēng)荷載和多種風(fēng)環(huán)境問(wèn)題。課程提供必要的基本知識(shí)和前沿信息。IAS也提供了一個(gè)信息交流和共享的平臺(tái)，通過(guò)世界領(lǐng)先的研究者和本領(lǐng)域年輕人的討論，使得由于強(qiáng)風(fēng)、都市空氣污染和環(huán)境負(fù)荷增長(zhǎng)引起的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重問(wèn)題能夠在未來(lái)被年輕的領(lǐng)導(dǎo)者所解決。代表TPU-WEG和東京工藝大學(xué)全球卓越中心（COE）項(xiàng)目成員，我感謝所有的講師和參與者作出的巨大貢獻(xiàn)和成績(jī)。
本書(shū)重新安排和出版了以往的IAS所做的14次結(jié)構(gòu)風(fēng)工程講義。而基于IAS在環(huán)境風(fēng)工程領(lǐng)域的講義，一本名為《高等環(huán)境風(fēng)工程》（Advanced Environmental Wind Engineering）的教材也計(jì)劃出版。
我相信這兩本書(shū)將對(duì)相關(guān)科學(xué)研究或者設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)生、工程師和研究者有用，將使他們能夠?qū)沙掷m(xù)都市環(huán)境的發(fā)展和建設(shè)作出貢獻(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)災(zāi)害可恢復(fù)的城市。
最后，我要感謝所有各章的作者，由于他們的合作而創(chuàng)造了本書(shū)，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和環(huán)境風(fēng)工程的共同目標(biāo)提供了有價(jià)值的貢獻(xiàn)。
YTamura日本，神奈川
田村幸雄（Y. Tamura），國(guó)際風(fēng)工程專(zhuān)家、國(guó)際風(fēng)工程協(xié)會(huì)現(xiàn)任主席、我國(guó)“外專(zhuān)千人計(jì)劃”專(zhuān)家、國(guó)家風(fēng)災(zāi)減災(zāi)組織主席、日本風(fēng)工程協(xié)會(huì)前主席、日本學(xué)術(shù)會(huì)議聯(lián)絡(luò)委員、日本建筑學(xué)會(huì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)委員會(huì)主審人。田村幸雄教授畢業(yè)于日本早稻田大學(xué)，現(xiàn)為日本東京工藝大學(xué)教授，是日本多項(xiàng)重大科研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、日本COE（2003~2007年）計(jì)劃負(fù)責(zé)人、Global COE項(xiàng)目風(fēng)工程專(zhuān)題的負(fù)責(zé)人（2008~2012年），并受聘為《國(guó)際風(fēng)工程與空氣動(dòng)力學(xué)》《結(jié)構(gòu)工程進(jìn)展》《風(fēng)與結(jié)構(gòu)》《高層與特殊建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》等國(guó)際期刊編委，獲美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)ASCE Cermak獎(jiǎng)?wù)�、日本風(fēng)工程協(xié)會(huì)獎(jiǎng)?wù)�、日本建筑學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)隆?br>Ahsan Kareem教授，美國(guó)工程院院士、國(guó)際風(fēng)工程協(xié)會(huì)主席（2007~2015年）、美國(guó)Notre Dame大學(xué)土木環(huán)境工程和地質(zhì)科學(xué)系教授、東京大學(xué)客座教授。Kareem教授是國(guó)際的空氣動(dòng)力學(xué)、海浪動(dòng)力學(xué)和隨機(jī)振動(dòng)專(zhuān)家。發(fā)表高質(zhì)量期刊論文 200多篇。曾在1984年獲得過(guò)由美國(guó)政府授予的表彰青年研究人員的總統(tǒng)獎(jiǎng)，還獲得了包括A. G. Davenport Medal(2007)、Robert H. Scanlan Medal(2005)、Jack E. Cermak Medal(2002)在內(nèi)的國(guó)際風(fēng)工程領(lǐng)域的高學(xué)術(shù)榮譽(yù)。擔(dān)任Journal of Engineering Mechanics、Journal of Structural Engineering、Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics、Structural Safety等十余本刊物的首席編輯、副編輯和編委等職務(wù)。Ahsan Kareem教授在結(jié)構(gòu)工程學(xué)、隨機(jī)動(dòng)力學(xué)、風(fēng)工程學(xué)等領(lǐng)域獲得了令人矚目的成就，并先后培養(yǎng)了大批中國(guó)博士、碩士留學(xué)生。
Enrica Bernardini美國(guó)，印第安納州，圣母，圣母大學(xué)，自然災(zāi)害建模實(shí)驗(yàn)室
曹曙陽(yáng)（Shuyang Cao）中國(guó)，上海，同濟(jì)大學(xué)
Richard GJFlay新西蘭，奧克蘭，奧克蘭大學(xué)
葛耀君（Yaojun Ge）中國(guó)，上海，同濟(jì)大學(xué)，土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
John Holmes澳大利亞，維多利亞州，曼通，JDH咨詢(xún)公司
Ahsan Kareen美國(guó)，印第安納州，圣母，圣母大學(xué)，自然災(zāi)害建模實(shí)驗(yàn)室
Michael Kasperski德國(guó)，波鴻，波鴻魯爾大學(xué)，土木與環(huán)境工程科學(xué)系
Gregory AKopp加拿大，安大略省，倫敦，西安大略大學(xué)，邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室
Kenny CSKwok澳大利亞，新南威爾士州，彭里斯，西悉尼大學(xué)，基礎(chǔ)設(shè)施工程研究院
Chris Letchford美國(guó)，紐約州，特洛伊，倫斯勒理工學(xué)院，土木與環(huán)境工程系
Ning Lin美國(guó)，新澤西州，普林斯頓，普林斯頓大學(xué)，土木與環(huán)境工程系
Megan CMcCullough美國(guó)，印第安納州，圣母，圣母大學(xué)，自然災(zāi)害建模實(shí)驗(yàn)室
Seymour MJSpence美國(guó)，印第安納州，圣母，圣母大學(xué)，自然災(zāi)害建模實(shí)驗(yàn)室
Theodore Stathopoulos加拿大，魁北克省，蒙特利爾，康考迪亞大學(xué)，建筑土木與環(huán)境工程系
田村幸雄(YTamura)日本，神奈川，厚木，東京工藝大學(xué)，風(fēng)工程研究中心
Hiroshi Tanaka加拿大，安大略省，渥太華，渥太華大學(xué)，土木與環(huán)境工程
譯者序
原書(shū)前言
本書(shū)作者
第1章強(qiáng)風(fēng)及其特性1
1.1簡(jiǎn)介1
1.2強(qiáng)風(fēng)和流體力學(xué)1
1.2.1強(qiáng)風(fēng)氣候1
1.2.2強(qiáng)風(fēng)流體動(dòng)力學(xué)2
1.3風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)描述4
1.3.1平均風(fēng)速5
1.3.2風(fēng)速波動(dòng)9
1.4地形影響16
參考文獻(xiàn)18
第2章設(shè)計(jì)風(fēng)速的估計(jì)19
2.1簡(jiǎn)介19
2.1.1術(shù)語(yǔ)19
2.1.2基本可靠性要求20
2.2數(shù)據(jù)基礎(chǔ)21
2.2.1國(guó)家氣象局提供的基本信息21
2.2.2質(zhì)量控制和修正22
2.2.3母體分布23
2.2.4極值總體抽樣24
2.3基本統(tǒng)計(jì)27
2.3.1組合規(guī)則27
2.3.2廣義極值分布27
2.3.3廣義帕雷托分布29
2.3.4概率分布的描述參數(shù)的識(shí)別29
2.3.5被識(shí)別參數(shù)的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性33
2.4設(shè)計(jì)風(fēng)速的最佳估計(jì)34
2.4.1基本方法34
2.4.2應(yīng)用舉例35
2.5方向性37
2.5.1簡(jiǎn)介37
2.5.2每次風(fēng)暴的最大風(fēng)速38
2.5.3風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間和額外風(fēng)暴小時(shí)數(shù)的相對(duì)強(qiáng)度39
2.5.4額外風(fēng)暴小時(shí)中的方向變化40
參考文獻(xiàn)41
第3章鈍體空氣動(dòng)力學(xué)43
3.1簡(jiǎn)介43
3.2阻力和升力43
3.2.1阻力43
3.2.2流動(dòng)分離45
3.3鈍體上的壓力47
3.3.1流過(guò)流線形體的平穩(wěn)流47
3.3.2流過(guò)流線形體的平穩(wěn)均勻流47
3.3.3湍流，三維鈍體48
3.4雷諾數(shù)對(duì)鈍體力和壓力分布的影響50
3.5湍流對(duì)鈍體力的影響53
3.5.1湍流對(duì)阻力的影響54
3.5.2湍流對(duì)升力的影響55
3.6圓角半徑的影響56
3.7順風(fēng)和橫風(fēng)激勵(lì)以及渦旋脫落57
3.8澳大利亞和新西蘭風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1170.2怎樣處理鈍體空氣動(dòng)力學(xué)59
3.9小結(jié)60
參考文獻(xiàn)61
第4章大跨橋梁空氣動(dòng)力學(xué)62
4.1簡(jiǎn)介62
4.1.1第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：平均風(fēng)荷載62
4.1.2第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：陣風(fēng)荷載63
4.1.3第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載63
4.2氣動(dòng)力公式65
4.2.1靜力分量65
4.2.2準(zhǔn)平穩(wěn)空氣動(dòng)力學(xué)65
4.2.3非平穩(wěn)空氣動(dòng)力系數(shù)67
4.2.4瞬態(tài)力68
4.3氣動(dòng)不穩(wěn)定性69
4.3.1氣動(dòng)不穩(wěn)定性的概念69
4.3.2翼面顫振的二維條帶理論69
4.3.3顫振理論的應(yīng)用70
4.3.4非平穩(wěn)升力的實(shí)驗(yàn)71
4.3.5三維顫振分析72
4.3.6馳振74
4.3.7扭轉(zhuǎn)顫振76
4.4抖振分析76
4.4.1隨機(jī)振動(dòng)分析76
4.4.2在單自由度系統(tǒng)的應(yīng)用78
4.4.3在阻力激勵(lì)下的水平線狀結(jié)構(gòu)79
4.4.4在升力激勵(lì)下的水平線狀結(jié)構(gòu)80
4.5渦激振動(dòng)81
4.5.1渦旋脫落的概念81
4.5.2數(shù)學(xué)公式81
4.5.3橋面板的渦激振動(dòng)82
參考文獻(xiàn)84
第5章結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)：主要針對(duì)高層建筑的空氣動(dòng)力學(xué)86
5.1簡(jiǎn)介86
5.2建筑和結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向激勵(lì)和響應(yīng)87
5.2.1鈍體上的脈動(dòng)阻力88
5.2.2陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)89
5.2.3氣動(dòng)阻尼91
5.3建筑和結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)激勵(lì)和響應(yīng)93
5.3.1入射湍流導(dǎo)致的激勵(lì)93
5.3.2尾流激勵(lì)94
5.3.3橫風(fēng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的激勵(lì)96
5.4其他脈動(dòng)力和響應(yīng)現(xiàn)象99
5.4.1扭轉(zhuǎn)振動(dòng)99
5.4.2渦旋脫落引起的順風(fēng)和橢圓振動(dòng)99
5.5高層建筑的風(fēng)致干擾激勵(lì)100
5.5.1高層建筑在干擾激勵(lì)下的順風(fēng)和橫風(fēng)響應(yīng)101
5.5.2高層建筑干擾激勵(lì)下的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)102
5.5.3設(shè)計(jì)要素102
5.6減少建筑和結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)的空氣動(dòng)力措施104
5.6.1建筑形狀的空氣動(dòng)力修正對(duì)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的影響104
5.6.2開(kāi)洞和底部排氣的優(yōu)點(diǎn)105
5.6.3建筑物頂部、錐度、扭曲、逆流和其他組合建筑形狀的影響105
5.6.4設(shè)計(jì)要素105
5.7小結(jié)106
致謝107
參考文獻(xiàn)107
第6章評(píng)估結(jié)構(gòu)在風(fēng)激勵(lì)下順風(fēng)向響應(yīng)的陣風(fēng)系數(shù)法110
6.1時(shí)域內(nèi)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用110
6.2頻域內(nèi)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用111
6.3氣動(dòng)導(dǎo)納112
6.4單自由度(SDF)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)綜述112
6.5位移譜116
6.6位移譜積分117
6.7峰值響應(yīng)的估算118
6.8順風(fēng)向加速度估算120
6.9小結(jié)121
致謝121
參考文獻(xiàn)121
第7章建筑組件和覆蓋層上的風(fēng)荷載122
7.1簡(jiǎn)介122
7.2建筑物上的風(fēng)荷載124
7.2.1建筑物的空間變化和幾何形狀對(duì)壓力的影響125
7.2.2風(fēng)荷載的時(shí)間變化127
7.2.3內(nèi)部壓力和壓力均衡128
7.2.4設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的確定130
7.3組件和覆蓋層系統(tǒng)對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)130
7.3.1從屬面積和荷載分配131
7.3.2低循環(huán)疲勞131
7.3.3靜疲勞和玻璃132
7.4建筑物組件和覆蓋層的測(cè)試方法133
7.5小結(jié)134
參考文獻(xiàn)135
第8章水平風(fēng)致飛射物及其碰撞試驗(yàn)137
8.1簡(jiǎn)介137
8.2之前已出版的研究137
8.3飛射物碰撞和碰撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)138
8.4飛射物類(lèi)型和運(yùn)動(dòng)方程139
8.4.1一般的飛射物類(lèi)型139
8.4.2運(yùn)動(dòng)方程139
8.4.3無(wú)量綱形式141
8.4.4早期軌跡解141
8.4.5數(shù)值解142
8.5實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究142
8.5.1塊狀飛射物的軌跡143
8.5.2桿狀飛射物的軌跡145
8.5.3片狀飛射物的軌跡146
8.6應(yīng)用147
8.7討論149
致謝149
參考文獻(xiàn)149
第9章風(fēng)荷載規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的理解：規(guī)定背后的基本原理151
9.1簡(jiǎn)介151
9.2風(fēng)速152
9.2.1地貌153
9.2.2風(fēng)速和湍流模型157
9.2.3地形影響165
9.2.4風(fēng)氣候165
9.3風(fēng)壓系數(shù)167
9.3.1面積平均壓力168
9.3.2規(guī)范化過(guò)程中的折減系數(shù)171
9.3.3低層建筑中的附加風(fēng)荷載172
9.3.4低層建筑中屋頂形狀和幾何的影響174
9.4內(nèi)部壓力175
9.5數(shù)據(jù)庫(kù)輔助設(shè)計(jì)（DAD）177
9.6風(fēng)荷載的計(jì)算估計(jì)177
9.6.1計(jì)算機(jī)輔助風(fēng)工程178
9.7結(jié)論和小結(jié)180
致謝180
參考文獻(xiàn)181
第10章風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬185
10.1簡(jiǎn)介185
10.2基于波疊加（譜）的方案186
10.2.1譜方法186
10.3基于數(shù)字濾波（時(shí)間序列方法）的
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