关于风荷载的一些初步知识doc.docx

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关于风荷载的一些初步知识doc

横向风振及形成原因

1.关于风荷载的一些初步知识。

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。

2.结构抗风计算的几个重要概念

结构的风力和风效应

3.横向风振的产生及其对建筑物的影响

横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。

根据研究可发现横风向风振与结构截面形状和雷诺数Re有关，可得：

惯性力=单位面积上的压力v2/2·面积F

粘性力=粘性应力·面积F=（粘性系数·速度梯度dv/dy）·面积F。

横向风振的产生（圆截面柱体结构）

沿上风面AB速度逐渐增大（v），B点压力达到最小值;

沿下风面BC速度逐渐降低（v↓），压力重新增大。

气流在BC中间某点S处速度停滞（v=0），生成旋涡，并在外流的影响下以一定周期脱落（脱落频率fs）---Karman涡街当气流旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构发生共振，即发生横向风振。

结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动。

@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。

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。

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：

式中v—空气运动粘性系数，约为1.45×10-5m2/s。

由此可得

Re=69000vD

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结构高度处的风速和直径。

4.横风向风引起的共振问题探究

圆筒式结构三个临界范围为：

跨临界范围：

Re3.510^6强风共振引起周期脱落振动

超临界范围：

3.010^5Re3.510^6呈随机性不规则振动

亚临界范围：

3.010^2Re3.010^5微风共振,基本恢复到周期脱落振动

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，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。

4.结构横向风力和风效应计算

PL=L（v＾2/2）B

L-横风向风力系数，与雷诺数Re有关

跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横向风作用力

PL（z,t）=（v＾2（z）/2）B（z）Lsinst

风旋涡脱落圆频率s=2fs=2Stv（z）/B（z）

St-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2

横风向风作用力频率（fs）与结构横向自振基本频率（f1）接近时，结构横向产生共振反应

锁住（look-in）区域

风旋涡脱落频率fs保持常数（=结构横向自振频率f1）的风速区域

跨临界范围（确定性振动）

锁住区域:

PL（z）sin1t

其它区域：

PL（z）sins（z）t

亚临界范围（确定性振动）PL（z）sins（z）t

超临界范围（随机振动）PL（z）f（t）

共振临界风速由下式计算

式中St—斯脱罗哈数，由下式计算

对圆柱型截面，根据试验确定其斯脱罗哈数为0.2，

式变为

此临界风速在结构上如能发生，才能产生共振，结构顶点风速vH最大，因而vc必须小于vH

结构横风向风效应

对圆形截面的结构,应根据雷诺数Re的不同情况进行横向风振（旋涡脱落）的校核。

当Re3.0105时（亚临界的微风共振）

应控制结构顶部风速vH不超过临界风速vcr，即vHvcr。

f1—结构基本自振频率；

St—斯脱罗哈数，St=fsD/v，圆截面结构取St=0.2；

w—风荷载分项系数，取w=1.4；

H—结构顶部风压高度变化系数；

w0—基本风压（kN/m2）；

—空气密度（kg/m3）。

当结构顶部风速超过vcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速vcr15m/s。

当Re3.5106且结构顶部风速vHvcr时（跨临界的强风共振）

设计时必须按不同振型对结构予以验算

跨临界强风共振引起在z高处振型j的等效风荷载wczj：

wczj=︱j︱v2crzj/12800j（kN/m2）

j—计算系数，是对振型情况下考虑与共振分布有关的折算系数，按规范表7.6.2确定；

zj—在z高处结构的j振型系数；

j—第j振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取j=0.05。

因此圆柱型结构产生横向涡流脱落共振而需加以验算

的条件由下列公式确定：

与临界风速vc对应的高度H称为共振区起点高度，在该高度以上一般为共振区，都作用着计算的临界风速如图所示。

共振起点高度H1可由风速剖面为指数曲线推出，即

顶点风速为：

由上式求出v，得到H1的另一表达式为：

横风向共振时运动方程为：

上式按结构动力学求解为：

如取

则相应的横风向共振等效风荷载

由于考虑的是共振，因而可与不同振型发生共振关系，

一些国外规范建议对一般结构可验算1～4个振型，但一般第一、第二振型共振影响最为严重。

当验算横风向共振效应S（内力、变形等）时，应与顺风向相应的荷载效应组S合，此时顺风向风荷载可不考虑高度变化，即

组合公式为：

称为横风向第j振型参与系数

5.防风措施介绍及其优点分析

随着科学技术的发展和经济实力的提高，轻质高强的建材被广泛应用于高层建筑和高耸结构中，随之而来的是，结构的刚度和阻尼相对减小，结构在风荷载和地震作用下的各种响应增大，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。

采用传统的提高结构自身强度，刚度和延性的设计方法既不经济，又达不到预期效果。

为此在这里介绍一种简单经济，易于实施等优点的悬吊质量摆减振方法，作为一种新型的结构振动被动控制方法，已成功的应用于实际结构中。

质量摆减振原理分析

，

试验装置如图所示

可得试验数据如下：

由于目前的科学发展水平还没有达到可以解决流体运动的所有问题，所以关于对横向风荷载的研究还有很长的路要走。