风荷载与结构的风致响应及解决方法

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1、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

2、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。3旋睡而降永副熟带高压棺函横地低压新气旋4拄面降水图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

3、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

4、、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：（1）（1）式中，为风压、p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

5、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。-梯度风吨迥椀果槌城市乡村海洋图1-2不同地面粗糙程度影响下的风速剖面图然而风速讥）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，

6、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（ ）以作更进一步的处理。+凶w（0） = J w（t）exp（冷 t）dt一8 （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

7、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

8、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

9、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可以发现，建筑上不同的位置，风荷载的作用是不同的，可能

10、是压力也可能吸力。这需 要根据建筑物外形已经风向进行区分。建筑荷载设计规范就一些简单的建筑形状提供了 风压体形系数。但是对于形状复杂的建筑、高层建筑，则需要通过风洞实验以获取建筑上各 位置的风压大小。对于周围建筑物情况复杂、建筑高度较大的，需要在相同环境的情况下进 行风洞实验。这是因为，风的作用还会由于周围环境的不同而有很大的差异。为避免此类破坏，应在设计过程中考虑风荷载的影响。进行风荷载作用下的强度验算以 保证其可靠度。由于此类建筑高度不会较大、形体单一、结构简单，因此在设计中无需考虑 风振效应和涡激振动的影响。对于那些老旧民宅，则需要进行强度鉴定，根据实际情况进行加固，以避免人身财产损 失

11、。2.2.风荷载作用下的疲劳破坏及解决方法因为风压可分解为平均风压和脉动风压，而脉动风压是一种循环动力荷载，会对那些结 构简单的高耸结构，如：风力发电塔等，产生应力幅较大的循环应力。就如风力发电塔而言， 新建的几乎都是用钢结构建造的，那么柱底法兰上的螺栓连接的疲劳破坏自然就是一个起到 控制作用的问题。当然，也有学者提出螺栓的破坏是法兰开缝导致螺栓被侵蚀与循环应力的 耦合作用。但是，不管怎样，风荷载用下引起的应力循环对螺栓的破坏十分值得重视。图2-2风力发电塔图2-3风力发电塔的疲劳破坏截至目前，为解决这个问题，一般都是派工人每隔三个月对其进行检修。这样就使得风 力发电塔的效益大大降低。马人乐等

12、人基于环境侵蚀与循环应力耦合作用下的破坏机理，发 明了一种反向平衡法兰，使环境对螺栓的侵蚀有所降低，而延长其疲劳寿命。这样，就可使 原先三个月检修一次的标准放宽到了六个月检修一次。但是虽说这对于风力发电塔的发展是 有巨大推动作用，但是其本质上的疲劳破坏问题还是没有解决。2.3. 风荷载引起的舒适性问题及解决方法高层建筑风荷载引起的效应在总荷载效应中占有相当大的比重甚至起决定性作用，因而 风荷载及风荷载作用下结构的静、动力响应常常是高层结构研究的主要内容。振动舒适度问 题是现代工程结构普遍存在的问题，也是工程结构可靠度研究的一个主要内容。舒适度分析 主要针对风荷载而言，尽管判断舒适度的标准有多种

13、,但目前采用最多的是建筑的最大加速 度。在工程上可以根据在风速的频域或时域求解结构的最大加速度。若在时域上分析结构的 最大加速度的话，则需要知道风速(t)或者风压w(t)。那么可用数值方法求解结构的振动 方程，从而得到关于时间的结构响应函数。若在频域上计算结构的加速度的话，则需将风速(t)或者风压w(t)通过(2)式的傅立叶 变换，转化为频域上的风速或风压，即风速谱或风压谱。这样即可将微分方程转化为代数方 程以便求得响应谱。倘若验算结果不符合人体舒适性的要求，则可通过在结构上设置剪力墙、水平桁架等抗 侧力构件来改善。2.4. 横风引起的结构颤振及解决方案颤振其实在生活中就很常见。比如捡一片竹叶

14、或者找一张质地好的纸片，将其拉紧，用最沿着其平面吹气，很容易就能吹出清凉、尖锐的声音。这就是由于竹叶或者纸片在气流作 用下，产生了垂直于平面的振动而发出的声音。另外，划过船的人应该能感受到。如果使劲划桨，那么桨就会垂直于划动方向来回振动。这就是由于水流的作用而引起的颤振。那么可以联想到，对于一些较薄的结构，倘若有平行于其平面的横向风吹来，势必会在 一定条件下发生颤振现象。其中最著名的就是塔科马大桥的风毁事故。图2-4塔科马大桥风毁事故塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡。第一座塔科马海峡大桥，绰号舞动的 格蒂，于1940年7月1日通车，四个月后戏剧性地被微风摧毁。从图2-4中可以看到，桥

15、 面是比较薄的，也没有扰流构件。那么当横风吹来，就像用嘴吹一张很薄的纸片，桥面自然 就会发生颤振。倘若风的频率和大桥的颤振频率正好吻合，又由于大跨度桥梁的阻尼小，则 振动将很大甚至难以收敛，最终导致大桥的倒塌。经典颤振发生的前提是结构的截面剪切中心与重心不重合，此时结构会产生平动和转动 的耦合振动。假设结构沿展向无限长，只考虑横风向的平移和扭转两个自由度，则对于一般 的大跨度桥梁的颤振运动方程可表示为：my - SQ. + c y + k y = P(4)I. Sy + cQ. + kQ = M 0y :横向位移、垂直于桥面位移;式中，m:沿展向单位长度上的质量；S 一一 . 一一x:质量m与

16、质量中心到旋转中心距离的乘积；1 :质量惯性矩；Py，9 :单位长度上自激气动升力和绕转轴的力矩；七，匕:黏性阻尼系数。经过了这次教训，工程师开始更加重视对风的研究，从理论到试验都有了巨大的发展。 直到现今，随着计算机技术、有限元软件的发展，可以很真实的计算并模拟结构在风作用下 的响应。同时，也可以通过风洞实验来更进一步的验证计算机模拟结果，这对设计提供了很 大的帮助。因此，在大跨度的桥梁的设计中，最好通过计算机模拟、结合风洞试验来为桥梁 设计提供依据。3. 总结综上所述，风是一种复杂的动力荷载，其可分解为平均风分量和脉动风分量。对于形式 简单的建筑物，可仅将风荷载当做静力荷载来考虑。但对于大柔度、小阻尼等风敏感性