结构抗风设计

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1、第六章结构抗风设计6.1风灾及其成因6.2风荷载计算6.3结构顺风向抗风设计6.4结构横风向风振计算6.46.4结构横风向风振计算结构横风向风振计算作用在结构上的风力一般可表示为顺风向风力、横风向风力和扭风力矩，如图6-7。在一般情况下，不对称气流产生的风力矩一般不大，工程设计时可不考虑，但对有较大不对称或较大偏心的结构，应考虑风力矩的影响。PLPDPM图6-7结构上的风力结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动。ß顺风向弯剪振动或弯扭耦合振动当无偏心力矩时，在顺风向风力作用下，结构将产生顺风向的振动，对高层结构来说，一般可为弯曲型（剪力墙结构），也有剪切型（框架结构）和弯剪型

2、（框剪结构）。当有偏心力矩时，将产生顺风向和扭矩方向的弯扭耦合振动；当抗侧力结构布置不与x、y轴一致而严重不对称时，还可产生顺、横、扭三向的弯曲耦合振动。ß横风向风力下涡流脱落振动当风吹向结构，可在结构周围产生旋涡，当旋涡脱落不对称时，可在横风向产生横风向风力，所以横风向振动在任意风力情况下都能发生涡激振动现象。在抗风计算时，除了必须注意第一类振动外，还必须同时考虑第二类振动现象。特别是，当旋涡脱落频率接近结构某一自振频率时，可产生共振现象，即使在考虑阻尼存在的情况下，仍将产生比横向风力大十倍甚至几十倍的效应，必须予以高度重视。ß空气动力失稳（驰振、颤振）结构在顺风向和横风向风力甚至风扭

3、力矩作用下，当有微小风力攻角时，在某种截面形式下，这些风力可以产生负号阻尼效应的力。如果结构阻尼力小于这些力，则结构将处在总体负阻尼效应中，振动将不能随着时间增长而逐渐衰减，却反而不断增长，从而导致结构破坏。这时的起点风速称为临界风速，这种振动犹如压杆失稳一样，但受到的不是轴心压力，而是风力，所以常称为空气动力失稳，在风工程中，通常称为弛振（弯或扭受力）或颤振（弯扭耦合受力）。空气动力失稳在工程上视为是必须避免发生的一类振动现象。在空气流动中，对流体质点起着主要作用的是两种力：惯性力和粘性力。根据牛顿第二定律，作用在流体上的12惯性力为单位面积上的压力ρv乘以面积。粘性力是流体2抵抗变形

4、能力的力，它等于粘性应力乘以面积。代表抵抗变形能力大小的这种流体性质称为粘性，它是由于传递剪力或dv摩擦力而产生的，把粘性乘以速度梯度µ或剪切角的时γdy间变化率，称为粘性应力。工程科学家雷诺在十九世纪末期，通过大量实验，首先给出了惯性力与粘性力之比，以后被命名为雷诺数。只要雷诺数相同，动力学便相似，这样，通过风洞实验便可22预言真实结构所要承受的力。因为惯性力的量纲为ρvl，v而粘性力的量纲是粘性应力乘以面积2，故雷诺数µll（Reynoldsnumber）为22ρvlρvlvlRe===（6-39）µvl2µνlµ式中ν=称为动粘性。ρ由于雷诺数的定义是惯性力与粘性力之比，因而如果雷

5、诺数很小，例如小于千分之一，则惯性力与粘性力相比可以忽略。如果雷诺数很大，例如大于一千，则表示粘性力的影响很小，空气常常是这种情况。横风向风荷载是一与顺风向风荷载同时存在的风荷载。对圆截面柱体结构，当发生旋涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相符，将发生共振现象。大量试验表明，旋涡脱落频率fs与风速v成正比，与截面的直径D成反比。试验表明，涡流脱落振动特征可以由雷诺数Re的大小分三个临界范围，雷诺数为：vDRe=（6-40）ν式中ν——空气运动粘性系数，约为1.45×10-5m2/s。由此可得Re=69000vD（6-41）当结构沿高度截面缩小时（倾斜度不大于0.02）,可近似取2/3结构

6、高度处的风速和直径。三个临界范围的特征为：°亚临界范围：周期脱落振动5Re<3×10（6-42）µ≈0.2~0.5L°超临界范围：随机不规则振动56（6-43）3×10≤Re≤3.5×10µ≈0.2L°跨临界范围：基本上恢复到周期脱落振动6（6-44）Re>3×10µ≈0.2~0.25L周期振动可以引起共振（涡流脱落频率接近自振频率）从而产生大振幅振动。由于雷诺数与风速v有关，亚临界范围即使共振，由于风速较小，也不致产生严重的破坏。当风速增大而处于超临界范围时，旋涡脱落没有明显的周期，结构的横向振动也呈随机性。所以当风速在亚临界或超临界范围内时，一般情况下，工程上只需采取适当构造措施即可

7、，即使发生微风共振，结构可能对正常使用有些影响，但不至于破坏，设计时只要控制结构顶部风速即可。当风速更大，进入跨临界范围，重新出现规则的周期性旋涡脱落，一旦与结构自振频率接近，结构将发生强风共振，由于风速甚大或已到设计值，因而振幅极大，可产生比静力大几十倍的效应，国内外都发生过很多这类的损坏的事例，所以对此必须予以注意。共振临界风速由下式计算Dvc=（6-45）T•Stj式中St——斯脱罗哈数，由下式计算fDsSt=v对圆柱型截面，