风荷载与结构的风致响应及解决方法

风荷载与结构的风致响应及解决方法摘要：风是一种为人们所熟知的自然现象，影响着生活的方方面面。而且，风能作为一种可再生的绿色能源也已越来越被重视。但是，对于结构而言，风对结构的影响可以说都是不利的。尤其是对于那些质量轻、柔度大、阻尼小、自振频率低的结构，如：大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度悬挑屋盖等，风往往是设计的主要控制因素之一。根据风压随时间变化的特点，其被分解为平均风压和脉动风压两个分量。不同的风压分量往往会引起结构的不同类型的破坏。本文将结合若干工程实例，浅谈其破坏类型，并总结相关设计方法。

关键字：风荷载；风敏感结构；风致响应；抗风设计

1.自然风

1.1. 风的成因

空气是由各种气体分子等组成的混合物，是一种流体。其运动方向是气压的正梯度方向。只有存在气压差时，才会形成风。在自然条件下，气压差往往是由于太阳辐射的不均匀、地球上水陆分布的不均匀使空气产生不均匀的升温而造成的。太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风。

图1-1 全球大气循环

1.2. 风的类型

根据风的成因的不同，可分为多种类型的风。以下是一些典型的、对土木工程影响较大的风气候。

大气环流：大气环流是指在全球范围由太阳辐射和地球自传作用形成的大尺度的大气运动，它决定了各地区天气的行程与变化。其中季风就是由大气环流、海陆分布和大陆地形等多种因素造成的，是以年为周期的一种区域性的大气运动。这种类型的风作用区域最大、破坏性小，是平时最为常见的一类风。

热带气旋：热带气旋是指在热带或副热带海洋上产生的强烈空气漩涡。其直径通常为几百千米，厚度为几十千米。强烈的热带气旋不但形成狂风、巨浪，而且往往伴随发生暴雨、风暴潮，造成严重的灾害。这种类型的风作用区域较大，持续时间长，而且具有很强的破坏性，是主要的自然灾害之一。

龙卷风：龙卷风是一种出现在强对流云内的漏斗状漩涡。这种类型的风活动范围小、持续时间短但是具有极大破坏性的。

1.3. 风荷载性质与对结构的影响

平时，我们往往用风速来描述风的强度，那是因为风压与风速是有关系的，根据伯努利公式，风的动压可表示为：

2

2v ρω= （1）

（1）式中，ω为风压、ρ为空气密度、v 为风速。

因此只要知道风速，就可以知道风压大小。根据观测，可以发现从地面开始，风速随着高度的升高而增大，当达到一定高度时，风速将趋近于某一值。这是由于当风吹过地球表面时，由于受到地面上各种粗糙元（如草地、庄稼、树林、建筑物等）的阻碍作用，会使近地面的风速减小。这种影响随离地高度的增加而逐渐减弱，直至达到某一高度后消失。通常可将地表摩阻影响的近地大气层称为“大气边界层”大气边界层顶部到地面的距离成为大气边界层厚度。在大气边界层内，风以不规则的、随机的湍流形式运动，平均风速随高度的增加而增加，至大气边界层以外，风以层流的形式运动。当然，由于地表状况的不同，大气边界层也会有不同。高楼林立的城市中，大气边界层会相对较厚；而表面平坦的海洋上，大气边界层则会较薄。图1-2即形象地反映了不同地面粗糙程度对大气边界层及风速的影响。

图 1-2 不同地面粗糙程度影响下的风速剖面图

然而风速()v t 是关于时间的函数，具有一定的随机性，因此风速是一个随机过程。因此风压也是一个和风速相关的随机过程。对于高层建筑结构而言，风压作为一种动荷载会产生结构的风振响应，因此我们往往更关心其荷载频率。那么，可用数值计算的方法，将时域上的风压()w t 通过傅立叶变换将其转化为频域上的风压()w θ以作更进一步的处理。

+()()exp()d w w t i t t θθ∞

-∞=

⎰ （2）

而且还可将通过傅立叶变换所得的结果，应用于计算机对自然风的模拟中。

对于一般低矮的体形规则的民用建筑结构而言，则无需考虑风对结构产生的动力响应，因此在设计时，只需选取某一大小的风压以静力荷载的方式施加在结构上即可。为了满足设计可靠度的要求，此风荷载标准值需要依据设计使用年限、大量的实测数据等，并借助统计学方法来确定。

此外，由于空气具有一定黏性，与物体表面接触的空气贴附在物体表面，它将减慢靠近物体表面的一层空气的流动，这一空气层就称为边界层。与前述大气边界层中的平均风剖面类似。在边界层内，气流的速度从物体表面上为零逐渐增大到边界层外的气流速度。如果边界层内的流体微粒速度因惯性力减小到使靠近物体表面的气流倒流，便出现了边界层分离。这种减速效应是因为气流中存在逆压梯度，当逆压梯度很大时，就会引起流动分离，例如钝体拐角绕流就能产生这样大的逆压梯度。分离层形成离散的漩涡，并脱落到钝体后方的气流中，这些漩涡使得分离点附近出现非常大的吸力。

图1-3 涡流

当将此作用放眼到结构上面，尤其是在竖向抗弯刚度较小的大跨度桥梁结构上时，可以发现，当结构在风作用下两侧会产生交替的漩涡，且将由一侧接着向另一侧脱落，形成所谓的卡门涡列，卡门涡列的发生使结构物表面的风压呈周期性变化，作用方向与风向垂直，成为横风向作用力或升力，这种交替的涡流引起且与风向垂直的振动，称为涡激振动。当涡脱落频率接近结构的固有频率时，将产生涡激共振现象。

涡激振动是结构在低速风速下很容易出现的一种风致振动现象，涡激振动带有自激性质，但振动的结构会反过来对涡脱形成某种反馈作用，使得涡脱振幅受到限制，因此涡激共振是一种带有自激性质的风致限幅振动。尽管涡激振动不是发散的毁灭性的振动，但由于是低速风下常易发生的振动，且涡激共振发生时，其振动幅度之大，足以影响结构的使用舒适性和安全性，容易诱发结构的疲劳损伤。

下面就浅谈几种由风的作用引发的结构问题。

2.风对结构的影响及解决方法

2.1. 风荷载作用下的强度破坏及解决方法

风荷载作用下的强度破坏往往是由于在强风的袭击下，风荷载所引起的结构内力超过了结构抗力所引起的破坏。此时，可认为风荷载是以静力荷载的方式作用在结构上。在我国，这样的破坏主要发生东南沿海地区。尤其是一些老旧民宅，在热带气旋引起的台风作用下，由于抗侧力强度不足导致倒塌。同时由于风在屋顶会产生吸力，一些屋顶会因此被掀起。(图2-1)所示的就是受台风“麦德姆”影响下的永嘉一栋三层民房的垮塌。很明显，其屋顶已经被台风掀起。

图2-1