风工程

结构风工程及脉动影响系数分析

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。本文简述了风对建筑结构的影响及脉动影响系数。

关键字：风工程影响计算脉动影响系数

0 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。

1 风对建筑结构的影响

1.1建筑结构的风荷载

风荷载是建筑结构设计时要考虑的重要的荷载，风荷载包括静荷载和动荷载。在现行建筑结构荷载规范中，风荷载使用基本风压乘以风压高度变化系数、风荷载体型系数和风振系数来确定的，由于建筑结构的形式多样和建筑结构群的大量涌现，规范中的条文很难完全符合实际的情况。中国规范的风荷载过于保守。因此，主要依靠风洞试验来解决。

1.2建筑结构的风响应

风响应是高耸建筑结构抗风设计中的重要内容,从安全性和舒适性考虑,要对其结构构件的内力,结构层特别是顶层的位移和加速度进行一定的限制.建筑结构风响应包括顺风向响应和横风向响应.研究建筑结构风响应的方法主要是风洞试验和理论分析.理论分析时采用频域法或时域法,时域法比频域法分析的结果更接近实际.目前对建筑结构顺风向响应的分析比较成熟.

与顺风向响应比较,建筑结构的横风向响应分析比较复杂.对于高耸建筑结构,由于结构尾流旋涡脱落干扰引起的横风向响应比顺风向响应要大得多,目前还没有完全从理论上解决好横风向响应的问题.另外,对有些建筑结构除了考虑结构在风荷载作用下产生的强迫振动外,还要考虑结构在空气动力阻尼作用下产生的自激振动,当空气动力阻尼力为负值时,将产生不稳定的横风向驰振(包括弯曲驰振和扭转驰振).

1.3建筑结构的风环境

随着城市建筑结构高度的增加和建筑结构群的涌现,建筑结构的风环境问题越来越突出,不仅关系到建筑结构的安全性,还关系到行人的舒适性和城市环境的保护.近年来,对城市风环境的研究越来越重视,通过风洞试验或数值计算评估建筑结构群的风环境质量,合理规划城市建设布局和相邻建筑结构的位置.

1.4台风影响的研究

台风是在热带海洋上产生的巨大的大气旋涡,全球每年平均生成

台风80、100次,其中约1/10在我国东南沿海登陆.台风给人民生命财产造成严重损失,其中建筑结构破坏是一个重要的方面.近年来,开始研究台风对建筑结构的影响,研究的内容除了台风作用下的风荷载和风响应问题外,还研究台风登陆时,飞行碎物的运动规律及其对建筑结构的影响等.

2脉动影响系数1u

脉动影响系数的计算思路 脉动影响系数u 的计算

()()()()()()()1

2

10

H

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s

z

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xzl H

z z z l z z dz

u m z z dz μμμφηφ=

⎰⎰

其中

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1100001

10,,,X X l z l z H H xzl

f s z f s z xz H f s z X z z z z z z x x z z z z dxdx dzdz z z z l z z dz ημμμμμμρφφμμμφ-⎡⎤

''''''''=∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦

⎡⎤∙⎢⎥⎣⎦

⎰⎰⎰⎰⎰

按定义，脉动系数u 涉及()f z μ，()s z μ，()z z μ，()X l z ，()1z φ，()m z 和

(),,,xz x x z z ρ''这几个参数，下面对他们分别进行讨论

（1） 脉动系数()f z μ

按定义，脉动系数 ()f z μ为脉动风压与平均风压之比。

()()

()

()

()()()0

p p f s s z X z z z P z z z l z μσμσμμμω=

=

因脉动风压随高度变化不大，而平均风压随高度而增大，故脉动系数