结构风工程研究的现状和展望

结构风工程研究的现状和展望

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项海帆

(同济大学结构工程学院　上海,200092)摘要　结构风工程问题研究是风工程学科形成的起源。经过半个世纪的发展,已经奠定了结构风工程的理论基础,可以满足一般结构的抗风设计要求。21世纪结构长大化、高耸化以及外形复杂化的趋势使结构风工程研究面临新的挑战,需要对现行的理论和方法进行精细化的改进和发展,同时开展有效风振控制方法的研究,为解决大型复杂结构的风工程问题作好准备。

关键词:风工程;抗风设计;风致振动;结构振动控制

中图分类号:TU 311.3

引　言

1940年秋,美国华盛顿州建成才4个月的塔科马悬索桥,在不到20m s 的八级大风作用下发生强烈的风致振动而破坏的严重风毁事故,震惊了桥梁工程界。在为调查这一事故而收集桥梁风毁的历史材料中,人们发现,自1818年起,至少已有11座悬索桥毁于暴风,而且从目击者的记载中可以明显地看到关于振动的描述。然而,遣憾的是在长达150年的时间中,工程师们只认识到风的静力作用。塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期,并以此为起点,经过近半个世纪的发展,形成了一门新的边缘学科——风工程学。

按照国际风工程协会的定义,风工程学科主要研究“大气边界层中的风与人类在地球表面的活动及其劳动成果之间的相互作用。具体地说,它包括三个方面的分支:即:

1.结构风工程:研究风和结构的相互作用,亦称结构风效应问题,特别是动力风效应,即风致振动问题。

2.车船风工程:研究除航空航天飞行器以外的运载工具如汽车、船舶在高速运行时所受到的空气动力作用(广义地可包括体育运动中的风工程问题,如自行车、滑雪、标枪、铁饼等)。

3.环境风工程:研究风引起的质量(气体、液体或固体)迁移(如污染、扩散、风沙、风雪等)问题。

在风工程学科中,结构风工程问题作为学科发展的起源,始终处于核心的地位,也是历届国际风工程会议中论文作者最多,规模最大的分组。此外,减轻灾害和保护环境又是人类面临的两大使命,因而结构风工程和环境风工程的研究就更具有重要的意义。

经过半个世纪的发展,结构风工程研究已取得了许多成果,奠定了理论基础,为结构的第10卷第3期1997年9月 Jou rnal of V ib rati on Engineering

V o l .10N o.3Sep.1997α

抗风设计提供了基本的参数和近似的风载和风振分析手段。应该说,从工程应用的观点看,对于一般的大跨、高耸结构,现有的理论和方法可以满足设计要求。下面分几个方面介绍结构风工程的现状,并对其发展前景作一展望。

1　近地紊流风特性研究

风特性研究是风工程的基础工作。过去,关于风的资料主要来源于各气象站约10米高风标上所安装的旋转杯式风速仪。这种由J 1Rob in son 于1846年发明的风速仪至今还在使用,但由于仪器的惯性大,它所测量的是有一定时距的平均风。近50年来,测风仪器有了巨大的进步,从较灵敏的螺旋桨式风速仪发展到激光、超声以及微波风速仪,可用来测量空气的微小瞬时运动。

空军基地用于监测高空风况的风速测量记录(用气球、飞机和高塔)提供了不受地面粗糙度影响的、较稳定的梯度风数据。由于城市地貌变化很快,同一气象站的历史记录包含着不同时期的地面粗糙度,造成统计上的困难和误差。目前,对于基本风速的基准高度,传统的10米高度已逐步被梯度风高度(300～500米)所替代。

自A .G .D avenpo rt 于60年代提出了风振理论以来,风的紊流特性及其有关参数已日益受到人们的重视。通过对大量数据的统计分析已建立了各种参数的取值范围和经验公式供设计使用。然而,由于气象台站都设立在空旷地区,这些数据所提供的规律是否适用于粗糙度日益增大的城市中心地区是有疑问的。此外,对于大跨高耸结构的紊流风响应分析,其空间相关性对响应十分敏感,而实测数据又很少,也影响了分析结果的可靠性。

2　钝体空气动力学研究

空气绕过钝体时的风场和绕过流线体时有明显的不同,这是因为存在分离流和剪切层的非定常振动。结构风工程要面对复杂的钝体空气动力学问题,还要考虑来流紊流所引起的迎风钝体表面的压力脉动以及结构风致振动。

对钝体空气动力学的研究始于1933年,B ailey 在英国国家物理实验室(N PL )的风洞中率先进行了一座铁路车库的模型试验,并和现场实测的压力系数作了对比,发现了来流边界层的粗糙高度Z 0和房屋高度h 之比的重要影响。1958年M .Jen s 据此建议这一无量纲比值作为模型试验的相似常数,称为M .Jen sen 定律。60年代A .G .D avenpo rt 和B .J .V ick 2

ery 发展了边界层风洞技术,进行了简单钝体的绕流试验。1973年I

.C .S .Gartsho re 第一次系统地揭示了不同比例的矩形钝体在来流紊流风场中的气动现象。他发现:随着紊流的加强将减少边缘分离边界层的曲率半径,使分离流提早与物体再附,从而改变压力分布以及相应的升力曲线斜率,并且影响振动钝体的驰振现象。此后,B .E .L ee (1975)和W .H .M el 2bou rne (1975)用流迹显示实验深入地研究了气流在钝体前缘的分离和再附的规律,进一步明确了紊流强度对流态的影响。

进入80年代以后,钝体空气动力学的研究逐渐和工程应用相结合。主要有以下几个方面:

(1)高层建筑的幕墙动压

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由于发生了玻璃幕墙的强风作用下的破坏,世界各国的风载规范试图列入有关幕墙峰值压力系数的条文。风洞试验显示:在建筑物的转角处,由于气流的分离出现明显的边缘不连续性,最大峰值负压系数可以从常数的-3～-4增大到-8,因而必须引起特别的注意。

(2)高层建筑的横风向响应

高层建筑作为钝体绕流将发生边缘处的旋涡脱落并激发横风向的振动。来流紊流也会对旋涡脱落过程产生重要影响,主要是改变气流的再附,从而影响响应的大小。与方形断面的建筑相比,圆形断面或削角的方形断面建筑的横风向响应要小得多,同时驰振的稳定性也能得到改善。

(3)桥梁的涡振和抖振响应

形状较钝的桥梁断面会发生涡激振动。在紊流风场中,脉动风压引起的抖振力将激起桥面的随机振动响应。从流迹显示中可以观察到紊流度对流态(分离和再附)的影响,并改变跨度方向的相关性。

(4)大跨悬臂雨蓬

大型体育场建筑的兴建提出了大跨悬臂看台雨蓬的风载和风振问题。目前主要通过节段模型和全气弹模型的风洞试验来观察流态,测定压力分布和振动响应。

由于计算机的迅速发展,计算流体动力学(CFD )也从70年代起由航空工程逐渐引入了风工程领域。最初从均匀流场中的圆柱体绕流开始,80年代起,为了研究紊流场中钝体的绕流,建立了各种紊流模型,如基于平均雷诺数的N 2S 方程的紊流模型(RAN S m odel )和基于空间过滤的紊流模型(L ES )。利用这些模型进行了二维和三维矩形断面的固定钝体和振动钝体的流场和压力场数值分析,取得了和实验较一致的结果。

综上所述,由于钝体空气动力学在理论上的困难,目前还处于较初始的阶段,研究对象还限于简单钝体。对于实际土木工程中复杂外形的振动钝体问题,目前主要依靠风洞试验来提供设计所需的风载和风振响应值。

3　结构的风致振动研究

结构的风致振动是一个空气弹性力学问题,以区别于研究固定物体绕流的空气动力学问题。在本世纪20年代,由于分析机翼的颤振破坏建立了空气弹性力学的新领域。T .T heodo rson (1935)和H .G .K üssner (1936)发表了最初的关于机翼非定常气动力理论,提出了气动导数的概念。

3.1　颤振

当1940年发生塔科马悬索桥的风毁事故后,很自然地就想到了借用机翼颤振理论来解释桥梁的发散振动,同时仿照机翼的节段试验进行了桥梁的节段试验。F .B leich (1948)和F .B .Farquharson (1949)是结构工程师研究风致振动的先驱者。A .Selberg (1961)和K .K lo βpp el (1963)通过系列试验建立了桥面断面颤振临界风速的实用计算公式和不同断面的修正系数,成为指导桥梁抗风设计的重要手段。

60年代,R .H .Scan lan 发现对于大部分非流线形的桥梁断面,气动导数中的扭转阻尼

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