2025年大學(xué)《應(yīng)用氣象學(xué)》專業(yè)題庫——?dú)庀髼l件對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述風(fēng)荷載對建筑結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的幾種主要破壞形式，并說明其對應(yīng)的氣象學(xué)機(jī)理。二、建筑結(jié)構(gòu)在冬季可能面臨哪些由氣象條件引起的特殊荷載或應(yīng)力？請分別闡述其成因及對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的影響。三、試述溫度變化（包括日變化、季節(jié)變化及極端溫度事件）對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性可能帶來的挑戰(zhàn)。四、雪荷載的設(shè)計(jì)值通常需要考慮哪些氣象因素？簡述積雪在建筑結(jié)構(gòu)上形成不同分布形態(tài)（如屋面平鋪、屋脊堆積等）的基本原理及其對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。五、冰凍現(xiàn)象（如結(jié)冰、凍融循環(huán)）如何對橋梁、輸電線路等線性工程結(jié)構(gòu)造成損害？請從氣象條件和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的角度進(jìn)行解釋。六、極端降雨事件（如暴雨、洪水）除了直接導(dǎo)致滲透、浸泡外，還可能通過哪些途徑間接影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性？七、在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗氣象災(zāi)害能力評估時(shí)，除了考慮極端氣象事件本身的強(qiáng)度外，還需要關(guān)注哪些其他因素？八、結(jié)合氣象學(xué)知識，論述在建筑設(shè)計(jì)中考慮“韌性”原則的重要性，并舉例說明如何通過設(shè)計(jì)手段提高建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)對氣象風(fēng)險(xiǎn)的能力。九、簡述氣象觀測數(shù)據(jù)（如風(fēng)速、風(fēng)向、降水、溫度等）在評估建筑結(jié)構(gòu)氣象風(fēng)險(xiǎn)中的作用，并提及至少兩種可能的數(shù)據(jù)分析方法或模型應(yīng)用。十、從應(yīng)用氣象學(xué)的角度出發(fā)，為減少氣象條件對重要建筑結(jié)構(gòu)的安全威脅，可以提出哪些研究方向或技術(shù)需求？試卷答案一、風(fēng)荷載可能產(chǎn)生的幾種主要破壞形式及其氣象學(xué)機(jī)理：1.風(fēng)致振動(dòng)（共振）：建筑結(jié)構(gòu)在特定風(fēng)速下發(fā)生與風(fēng)速或結(jié)構(gòu)自振頻率相關(guān)的振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)或達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞甚至倒塌。機(jī)理：風(fēng)作用在非剛性結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生激勵(lì)力，若激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)某階固有頻率接近或重合，發(fā)生共振。2.風(fēng)壓超載：極端大風(fēng)（如臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)雷暴）產(chǎn)生的瞬時(shí)風(fēng)壓超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承受能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被壓壞、構(gòu)件失效。機(jī)理：高速氣流產(chǎn)生巨大壓力，尤其對建筑迎風(fēng)面、屋檐、角部等位置作用更顯著。3.風(fēng)吸力破壞：強(qiáng)風(fēng)流經(jīng)建筑時(shí)，在背風(fēng)面、側(cè)面或屋頂上方可能產(chǎn)生低壓區(qū)，產(chǎn)生向上的吸力。當(dāng)吸力大于結(jié)構(gòu)重量或連接強(qiáng)度時(shí)，可能導(dǎo)致屋頂掀翻或墻面脫落。機(jī)理：氣流繞過障礙物時(shí)，在背風(fēng)區(qū)形成低壓，產(chǎn)生向上的壓力差。4.渦激振動(dòng)（馳振）：風(fēng)流繞過建筑物時(shí)，在建筑物表面產(chǎn)生交替的渦流脫落，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生垂直方向的小幅、高頻振動(dòng)。當(dāng)渦脫頻率與結(jié)構(gòu)豎向自振頻率耦合時(shí)，可能引發(fā)劇烈振動(dòng)甚至破壞。機(jī)理：周期性渦流脫落產(chǎn)生的交替力矩作用在結(jié)構(gòu)上。二、建筑結(jié)構(gòu)在冬季可能面臨的氣象條件引起的特殊荷載或應(yīng)力及其成因與影響：1.積雪荷載：*成因：降雪（干雪、濕雪）在屋面堆積形成的靜態(tài)荷載。*影響：增加結(jié)構(gòu)垂直荷載，可能導(dǎo)致梁、柱、基礎(chǔ)超載；不均勻積雪可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傾斜、變形甚至破壞；濕雪更重，融化時(shí)產(chǎn)生積水滲透。2.結(jié)冰荷載（冰荷載）：*成因：雨水或融雪在低溫時(shí)在結(jié)構(gòu)表面（尤其是風(fēng)ward面、迎風(fēng)側(cè)構(gòu)件）凍結(jié)形成冰層。*影響：冰層具有相當(dāng)大的重量，增加附加荷載；冰層覆蓋會(huì)改變風(fēng)荷載分布；冰的膨脹可能造成結(jié)構(gòu)表面（如涂層、構(gòu)件）開裂、破壞。3.凍融循環(huán)應(yīng)力：*成因：在冬季結(jié)構(gòu)（特別是含水的混凝土、磚石、土壤）經(jīng)歷反復(fù)的凍結(jié)（溫度低于0°C）和融化（溫度高于0°C）過程。*影響：水在凍結(jié)時(shí)體積膨脹（約9%），對結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生巨大壓力，導(dǎo)致材料微裂縫擴(kuò)展、剝落（凍融破壞）；融化時(shí)則可能導(dǎo)致材料疏松、強(qiáng)度降低。4.風(fēng)雪荷載（同時(shí)作用）：*成因：大風(fēng)天氣伴隨降雪，雪被風(fēng)吹散并在建筑迎風(fēng)面、屋頂邊緣等處堆積。*影響：雪荷載與風(fēng)荷載疊加，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)合作用，風(fēng)險(xiǎn)更大。三、溫度變化對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性可能帶來的挑戰(zhàn)：1.熱脹冷縮變形：材料隨溫度變化發(fā)生體積變化。若結(jié)構(gòu)約束足夠大，將產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、變形、連接松動(dòng)。特別是在長距離結(jié)構(gòu)或跨越不同溫度區(qū)域的結(jié)構(gòu)中。2.材料性能變化：溫度會(huì)影響材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模量等）和物理性質(zhì)（如混凝土的熱膨脹系數(shù)、鋼材的蠕變）。高溫可能導(dǎo)致材料軟化、強(qiáng)度下降；低溫可能增加脆性，降低抗疲勞性能。3.結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布與疲勞：溫度梯度在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起不均勻變形和應(yīng)力，可能改變原有應(yīng)力分布。反復(fù)的溫度循環(huán)會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生疲勞損傷，加速老化。4.連接節(jié)點(diǎn)問題：結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)對溫度變化更為敏感，可能因熱脹冷縮不匹配而承受過大應(yīng)力，影響連接的可靠性。5.翹曲與開裂：對于薄壁構(gòu)件或尺寸較大的結(jié)構(gòu)，不均勻的溫度場可能導(dǎo)致翹曲變形，甚至引發(fā)貫穿性裂縫。四、雪荷載設(shè)計(jì)值通常需要考慮的氣象因素及對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響：1.基本雪壓（雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值）：主要取決于當(dāng)?shù)氐乩砦恢茫ê０?、緯度）、歷史氣象記錄（最大積雪深度、最大雪壓）、地形地貌等因素確定的統(tǒng)計(jì)值。2.積雪分布系數(shù)：考慮風(fēng)對積雪的影響以及地面狀況（如屋面坡度、形狀、周圍環(huán)境）對積雪停滯和分布的影響。不同屋面形式（如平屋面、坡屋面、特殊造型屋面）的積雪分布差異很大。3.風(fēng)向與風(fēng)速：直接影響積雪在建筑不同部位的分布形態(tài)和累積量，是計(jì)算風(fēng)吸力或風(fēng)壓分布的關(guān)鍵。4.雪的密度與類型：干雪密度小，濕雪密度大，相同厚度下濕雪產(chǎn)生的荷載遠(yuǎn)大于干雪。這影響雪荷載的計(jì)算和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。影響：雪荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尤其是屋面系統(tǒng)、梁、柱、基礎(chǔ)）的重要荷載輸入，直接影響結(jié)構(gòu)選型、尺寸、截面設(shè)計(jì)和材料選擇。需要根據(jù)不同部位的實(shí)際雪壓分布進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。五、冰凍現(xiàn)象對橋梁、輸電線路等線性工程結(jié)構(gòu)造成的損害及其機(jī)理：1.覆冰增重與結(jié)構(gòu)超載：冰層附著在結(jié)構(gòu)表面，顯著增加結(jié)構(gòu)的垂直靜荷載，可能導(dǎo)致梁、塔架、導(dǎo)線等產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力、剪力甚至失穩(wěn)。2.冰的膨脹應(yīng)力：冰在形成和融化過程中體積變化，會(huì)對結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生巨大的擠壓應(yīng)力。持續(xù)反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)累積損傷，導(dǎo)致涂層剝落、混凝土開裂、金屬構(gòu)件表面起鱗。3.改變氣動(dòng)外形與氣動(dòng)載荷：冰層覆蓋改變結(jié)構(gòu)的形狀和氣流特性，可能誘發(fā)或加劇渦激振動(dòng)（馳振）、顫振等氣動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，對柔性結(jié)構(gòu)（如輸電線路、大跨度橋梁）構(gòu)成嚴(yán)重威脅。4.結(jié)構(gòu)連接破壞：冰層可能填充在連接件縫隙中，阻礙正常變形，導(dǎo)致連接處應(yīng)力集中，甚至使連接松動(dòng)、破壞。5.材料疲勞與腐蝕加?。罕鶅鲅h(huán)引起的應(yīng)力波動(dòng)加速材料疲勞破壞。冰層下的融水若含有侵蝕性物質(zhì)，會(huì)加劇金屬材料（特別是鋼鐵）的腐蝕。六、極端降雨事件除了直接導(dǎo)致滲透、浸泡外，還可能通過以下途徑間接影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：1.基礎(chǔ)沉降與承載力不足：暴雨導(dǎo)致飽和土壤含水量急劇增加，土體孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，可能引發(fā)地基軟化、承載力下降甚至整體或局部沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傾斜、開裂。2.河流洪水漫頂：洪水位超過結(jié)構(gòu)標(biāo)高時(shí)，水對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜水壓力和浮力，可能破壞屋頂、墻體，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)漂浮或整體失穩(wěn)，特別是低洼地區(qū)的建筑。3.融雪引發(fā)的洪水：春季大量積雪快速融化，若匯水面積大、下墊面硬化，可能形成城市內(nèi)澇或山洪，對低洼地區(qū)建筑造成淹沒和沖刷。4.內(nèi)澇與水壓力：雨水通過屋面、墻體、門窗等滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成內(nèi)澇。靜水壓力作用可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件破壞、材料腐蝕、保溫失效，長期浸泡還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料性能劣化。5.次生災(zāi)害放大：洪水可能淹沒電氣設(shè)備、暖通系統(tǒng)等，導(dǎo)致短路、設(shè)備損壞，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)或結(jié)構(gòu)破壞；也可能為結(jié)構(gòu)帶來污染物，加速腐蝕。七、在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗氣象災(zāi)害能力評估時(shí)，除了考慮極端氣象事件本身的強(qiáng)度（如風(fēng)速、降雨量、溫度）外，還需要關(guān)注以下因素：1.結(jié)構(gòu)自身的特性：包括結(jié)構(gòu)的類型、跨度、高度、剛度、質(zhì)量分布、材料性能、連接方式、抗災(zāi)性能（如抗震、抗風(fēng)）等。不同結(jié)構(gòu)對同一氣象事件的響應(yīng)差異巨大。2.場地環(huán)境條件：包括地形地貌（如風(fēng)口、匯水區(qū)）、周邊建筑物和植被的影響（可能產(chǎn)生風(fēng)效應(yīng)放大或改變降雨流場）、地基土質(zhì)條件等。3.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：評估所依據(jù)的設(shè)計(jì)風(fēng)速、雪壓、降雨量等參數(shù)是否合理，設(shè)計(jì)規(guī)范是否考慮了該地區(qū)的特定風(fēng)險(xiǎn)。4.施工質(zhì)量與維護(hù)狀況：施工質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗災(zāi)能力。長期使用后的維護(hù)狀況，特別是對老化構(gòu)件、連接節(jié)點(diǎn)的修復(fù)，也會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的當(dāng)前性能。5.人為因素：如設(shè)計(jì)缺陷、材料選擇不當(dāng)、施工錯(cuò)誤等先天因素；也包括災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急措施、人員疏散等后天因素對結(jié)構(gòu)實(shí)際損傷的影響。6.氣候變化趨勢：考慮未來氣候變化可能導(dǎo)致極端氣象事件頻率和強(qiáng)度的增加，評估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和韌性是否足夠。八、結(jié)合氣象學(xué)知識，論述在建筑設(shè)計(jì)中考慮“韌性”原則的重要性，并舉例說明如何通過設(shè)計(jì)手段提高建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)對氣象風(fēng)險(xiǎn)的能力：重要性：建筑韌性是指結(jié)構(gòu)在遭遇極端氣象事件（如強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雪）后，能夠維持基本功能、快速恢復(fù)或通過有限干預(yù)避免發(fā)生災(zāi)難性破壞的能力。考慮韌性原則至關(guān)重要，因?yàn)樗茱@著減少災(zāi)害損失、保障人員安全、降低災(zāi)后恢復(fù)成本和時(shí)間、維持社會(huì)秩序和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。特別是在氣候變化背景下，極端事件頻發(fā)，韌性設(shè)計(jì)是保障建筑長期安全與可持續(xù)性的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)手段舉例：1.抗風(fēng)韌性設(shè)計(jì)：*采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，減小結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載響應(yīng)。*優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形，減小風(fēng)吸力，如采用弧形、流線型設(shè)計(jì)。*加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和節(jié)點(diǎn)連接可靠性，確保在大風(fēng)下不發(fā)生破壞性連接失效。*設(shè)置可靠的阻尼裝置（如耗能減震器），降低結(jié)構(gòu)風(fēng)振幅值和疲勞損傷。2.抗水淹韌性設(shè)計(jì)（針對暴雨洪水）：*提高建筑底層標(biāo)高，設(shè)置可靠的防潮、防水層和排水系統(tǒng)（包括屋面排水、地面排水、雨水管）。*設(shè)計(jì)易于關(guān)閉的門窗或可快速安裝的防水圍護(hù)系統(tǒng)。*考慮結(jié)構(gòu)在短期水淹下的承載能力和材料耐水性能。*設(shè)置備用電源和關(guān)鍵設(shè)備高地存放。3.抗冰雪韌性設(shè)計(jì)：*選用耐低溫和抗凍融的材料。*設(shè)計(jì)易于清理積雪和融冰的屋面形式（如陡坡屋面、帶屋脊導(dǎo)雪設(shè)計(jì)）。*加強(qiáng)屋面結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)，以承受可能的積雪和結(jié)冰荷載。*考慮融雪對結(jié)構(gòu)的不利影響，如增加荷載和潛在的凍融循環(huán)破壞。4.考慮氣象引發(fā)的次生災(zāi)害：*加強(qiáng)電氣、暖通等系統(tǒng)的抗水、抗風(fēng)能力，減少因?yàn)?zāi)害導(dǎo)致的功能中斷和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮一定的冗余度，部分構(gòu)件或系統(tǒng)能在局部失效后仍維持基本安全或功能。九、氣象觀測數(shù)據(jù)在評估建筑結(jié)構(gòu)氣象風(fēng)險(xiǎn)中的作用，提及至少兩種可能的數(shù)據(jù)分析方法或模型應(yīng)用：氣象觀測數(shù)據(jù)是評估和預(yù)測氣象風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)而評估建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。其主要作用包括：1.確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：通過長期氣象觀測，統(tǒng)計(jì)分析得到當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓、雪壓、降雨量等設(shè)計(jì)參數(shù)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接依據(jù)。2.災(zāi)害事件后評估：收集災(zāi)害發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)（如極端風(fēng)速、降雨強(qiáng)度、溫度變化），用于分析災(zāi)害成因、評估結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的荷載、判斷破壞機(jī)理。3.風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與預(yù)警：實(shí)時(shí)監(jiān)測氣象變化，結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，預(yù)測未來可能發(fā)生的極端天氣事件，為結(jié)構(gòu)維護(hù)、人員疏散、臨時(shí)加固等提供決策支持。4.結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證與改進(jìn)：通過觀測和模擬，研究特定氣象條件對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的合理性，為結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能改進(jìn)提供依據(jù)。數(shù)據(jù)分析方法或模型應(yīng)用舉例：1.極值統(tǒng)計(jì)方法：分析歷史氣象觀測數(shù)據(jù)（如風(fēng)速、降雨量），運(yùn)用耿貝爾分布、Gumbel分布等統(tǒng)計(jì)模型估算給定重現(xiàn)期下的最大值（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值）。2.風(fēng)洞試驗(yàn)：將縮尺建筑模型置于風(fēng)洞中，模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向下的氣流，測量模型表面的風(fēng)壓分布、結(jié)構(gòu)響應(yīng)（變形、振動(dòng)），用于評估結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.數(shù)值模擬（風(fēng)場模擬）：利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，模擬特定區(qū)域的風(fēng)場分布，考慮地形、周邊建筑的影響，預(yù)測建筑周圍的局部風(fēng)速、風(fēng)向，進(jìn)行精細(xì)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)分析。4.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：結(jié)合氣象數(shù)據(jù)（如風(fēng)速時(shí)程、地震動(dòng)時(shí)程），利用有限元等工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，評估結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)荷載作用下的安全性。十、從應(yīng)用氣象學(xué)的角度出發(fā)，為減少氣象條件對重要建筑結(jié)構(gòu)的安全威脅，可以提出以下研究方向或技術(shù)需求：1.更高精度和分辨率的氣象觀測技術(shù)：發(fā)展小尺度、高頻次的氣象觀測技術(shù)（如激光雷達(dá)、高頻氣象站網(wǎng)絡(luò)），以更精確捕捉近地邊界層氣象特征（如陣風(fēng)、turbulence），為結(jié)構(gòu)風(fēng)工程、雪災(zāi)預(yù)警提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2.改進(jìn)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式：發(fā)展能更準(zhǔn)確模擬強(qiáng)天氣事件（如臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)雷暴、冰雹）的微物理過程、風(fēng)場結(jié)構(gòu)、降水分布的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，提高極端天氣事件的預(yù)報(bào)精度和提前量。3.氣象-結(jié)構(gòu)耦合作用的機(jī)理研究：深入研究不同氣象因素（風(fēng)、雪、溫濕度等）與結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)行為的復(fù)雜相互作用機(jī)理，揭示災(zāi)害破壞的精細(xì)過程。4.基于氣象數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與健康診斷技術(shù)：開發(fā)利用氣象傳感器（如風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫濕度傳感器）與結(jié)構(gòu)自身監(jiān)測系統(tǒng)（如應(yīng)變片、加速度計(jì)）相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)，