我国西北地区风沙灾害分布范围广,且危害严重,对土木与交通基础设施的危害主要有:侵袭建筑物、桥梁、管道、光伏组件以及热发电设备等工程结构;侵蚀公路路基,并使得路面积沙、车辆倾覆;沙埋铁轨,导致列车脱轨和车窗破坏。然而,目前对风沙流的探讨集中在地貌学与风沙物理学两方面,缺少有关土木与交通基础设施风沙作用的研究。在风沙环境下,工程结构承受的荷载包括风荷载和沙颗粒的冲击荷载,而在传统结构设计中仅考虑了风荷载的作用。因此,研究沙漠地区风与风沙的流场及其对工程结构的作用具有重要理论和工程意义。基于我国西北部风扬沙和沙尘暴频发的现状,本文以典型沙漠区域的足尺实测房屋作为研究对象,采用现场原型监测、风洞测压与测力试验以及理论分析相结合的方法,较为系统地研究了沙漠地区近地面风场特性、沙浓度分布特性、低矮房屋表面风压特性、风扬沙和风洞落沙的流场特性及其对低矮房屋模型作用的特征和规律。研究成果可为风沙风洞试验技术和方法的改进提供参考,也能为沙漠地区低矮建筑的抗风与抗风沙设计提供理论依据。主要研究内容与成果如下:(1)建立了低矮建筑抗风与抗风沙性能现场监测平台,为开展沙漠地区风场与风沙流场特性、低矮建筑结构物风压与风沙压的现场实测研究奠定了基础。(2)通过现场实测,获得沙漠地区近地面风场特性和沙浓度分布特性。沙漠地区实测风剖面与欧洲风规吻合较好,实测风谱与von Karman谱吻合较好,实测沙浓度剖面呈现指数衰减形式;提出了沙漠地区近地面湍流强度剖面、阵风因子剖面、积分尺度剖面以及湍流强度与阵风因子之间关系的计算公式。(3)通过现场实测,系统地研究了沙漠地区实验房表面的风压系数、风压概率特性、风压谱以及风压相关性,并与风洞测压试验结果进行了对比分析。总结了实验房表面平均风压、脉动风压、中线风压随风向角的变化规律;各表面的边缘或拐角处可能存在局部高压区,设计时应予以重视,避免出现局部破坏;在背风与侧风墙面、背风屋面、迎风屋檐边缘的风压呈现非高斯特性;相比迎风墙面,其他表面的风压谱谱值在低频段偏低,在高频段偏高;脉动风压相干函数随频率增大呈指数衰减,脉动风压相关系数和相干函数均随间距增大而减小,且迎风墙面的风压相关系数大于背风与侧风墙面。(4)基于沙漠地区实测风场特性,在风洞中建立细沙、粗沙和混合沙床面的风扬沙流场。结果表明:同一风速时,粗沙、细沙、混合沙的浓度和能量均依次增大;三种沙的浓度和能量均随着风速增大而提高,且随着高度增大呈现指数衰减形式。风扬沙流场分为沙颗粒跃移层内与层外两个区域,在跃移层内,沙颗粒运动能够削弱风速,增强湍流强度,影响程度与沙浓度垂直分布特性直接相关;在跃移层外,沙颗粒运动对风剖面和湍流强度影响极小。(5)基于沙漠地区实测风场特性,调节风洞顶部漏沙孔的数量(0.5管、1.0管、1.5管),建立多种沙浓度的落沙流场。结果表明:在风速较小时,沙浓度剖面呈现指数衰减形式;当风速增大时,沙浓度随着高度增大先减小后增大。在整个落沙流场中,沙颗粒运动能够削弱风速,增强湍流强度,影响程度与沙浓度垂直分布特性直接相关;沙颗粒能量随着沙浓度和风速增大而增大,且随着高度先减小后增大,约在0.2m取极小值。(6)对风扬沙和落沙流场中分别由风和沙颗粒作用的基底剪力进行了分析。同一风速下,两类风沙流场中风作用的基底剪力小于净风流场的基底剪力,且风作用的基底剪力随沙浓度增大而减小;沙颗粒作用的基底剪力,总基底剪力与风作用的基底剪力之比均随沙浓度增大而增大;两类风沙流场中风作用的基底剪力的减小值和沙颗粒作用的基底剪力均随风速增大而增大。(7)风扬沙和落沙作用均能增大建筑模型的平均基底剪力;在粗沙、细沙、混合沙床面的风扬沙流场,平均基底剪力系数分别增大3%~5%、7%~10%、11%~13%;在0.5管落沙、1.0管落沙、1.5管落沙流场,平均基底剪力系数分别增大4%~5%、8%~10%、12%~14%。模型材料的弹性模量对平均基底剪力有影响,弹性模量越大,平均基底剪力越大。(8)风沙流场中沙颗粒运动对建筑物的脉动基底剪力存在正反两方面影响:当风速较小时,不规则运动的沙颗粒能增强流场脉动效应,使建筑物脉动剪力系数增大;当风速超过临界值,流场结构趋于稳定,规则运动的沙颗粒反而减弱流场脉动效应,使建筑物脉动剪力系数减小。模型材料的粗糙度对脉动基底剪力有影响,表面越粗糙,脉动基底剪力越大。