横风向风力及其风效应

第五节横风向风力及其风效应

横风向风振

对称结构可忽略?，但细长的高柔结构须考虑动力效应。与结构（建筑）截面形状及雷诺数有关

1. 雷诺数

结构形状

雷诺数相同，动力相似

层流向湍流转换界限

运动粘性

式中：ρ：流体密度；

μ：流体粘性系数

l：

垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。

对于空气：

R e =69000vl =69000vB

如果R e <1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体；

如果R e >1000，则以惯性力为主，为

低粘性流体。

雷诺数（无量纲）：

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•气流沿上风面AB 速度逐渐增大，之后沿下风面BC 速度逐渐减小。由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦，气流在BC 中间某点S 处停滞，生成旋涡，并以一定的周期（或频率f s ）脱落

•Strouhal 数定义(无量纲)：

D

：圆柱直径2. Strouhal 数

图：旋涡的产生与脱落Karman 涡街现象

3.横风向共振

实验表明：

<3.0x105时（亚临界范围），S t≈0.2;

当3.0x102≤ R

当3.0x105≤ R e <3.5x106时（超临界范围），S t 的离散性大;

当3.5x106≤ R e 时（跨临界范围R e=69000vl=69000vB），S t≈0.27~0.3;

图：圆形截面物体与R e 的关系

１—亚临界范围

２—超临界范围

３—跨临界范围

当S t =常值时，f s =常值，则当结构的横向自振频率= f s 时，将产生共振。 工程设计时，

亚临界范围：共振构造措施

超临界范围：不共振

跨临界范围：共振

专门处理

常见截面的Strouhal 数

为何圆形截面的St 数与Re 有关系？

以一定的周期（或频率f s ）的气流

顺风向

横风向•

习惯上我们常把气动力分解到两个正交的方向上，可以取“风轴”。也可以“体轴”，如图。

风力（三个分量：顺风向力、横风向力、扭力矩）

μD ：顺风向风力系数，与为迎风面和背风面体型系数的总和；μL ：横风向风力系数，与结构截面形状和雷诺数有关。μM ：扭转力风力系数

✓亚临界范围（3x102≤R e < 3x105）µL =0.2~0.6✓超临界范围（3x105≤R e < 3.5x106）µL 不确定（随机）✓跨临界范围（R e ≥ 3.5x106）µL

=0.15~0.2

一、结构横风向风力

细长的高柔结构会发生横风向风振。

风力（三个分量：顺风向力、横风向力、扭力矩）

圆形平面结构μL 与Re

关系结构横风向共振现象

及

锁

住

区

域

不确定

将风旋涡脱落频率保持常数（为结构自振频率）的风速区域，成为锁住区域。在锁定区内，旋涡脱落频率是不变的。只有当风速大于结构共振风速约1.3倍时，旋涡脱落才重新按新的频率激振。

强风共振,考虑荷载效应,设计重点

弱风共振,构造抗振细长结构横风向风力分布

二、结构横风向效应

一般情况下，µL ≤0.4，而µD =1.3大于µL 的3倍以上，故一般情况下，结构横风向效应与顺风向效应相比可以忽略。

对于超高层建筑，横风向效应往往大于顺风向效应。

在亚临界范围，特别在跨临界范围，横向风力为周期性荷载，即：

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结构横风向共振计算简图及等效共振风力

共振风速高度（迭代计算）

1.3倍共振风速高度

但小于

H

•（旋涡脱落）当ωs 与结构基本频率ω接近时，结构

将产生共振。

Re =69000v c B

共振风速为：

共振位移反应为：

此时，

横风向共振力为：

三、结构总风效应

1、对于顺风向风荷载为主的情况，横风向风荷载不参与组合

L D S S 6.0S +=2、对于横风向风荷载为主的情况，顺风向风荷载仅静力部分参与组合，简化取顺风向风荷载的0.6倍进行计算，则结构总风效应按下式计算：