順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)陣

1、風(fēng)荷載總結(jié)順風(fēng)向振動：用概率論的法則來描述，雖不能夠定出某一時刻反應(yīng) 的確定值，卻可以分析出該時刻取某值的保證率的可能性橫風(fēng)向振動：由不穩(wěn)定的空氣動力引起，比較復(fù)雜,高樓和高塔影響較大.II b 1 U出兇活紐冊54抽風(fēng)力：風(fēng)流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力都可以分為三個方向的分量包括順風(fēng)向風(fēng)陣PL、橫風(fēng)向風(fēng)陣PD和扭轉(zhuǎn)風(fēng)陣PM橫向風(fēng)陣時對稱結(jié)構(gòu)可忽略， 但細(xì)長的高柔結(jié)構(gòu)須考慮動力效應(yīng)。 如上圖：一等截面的細(xì)長物體處于速度為 v 的風(fēng)中，假定不考慮 長度的影響，取出一單位長度的一段來進(jìn)行分析。由于空氣的流動， 在物體表面上將產(chǎn)生風(fēng)壓。 將單位面積上的風(fēng)壓沿物體表面積分， 一 般情況下將得到三個分力：

2、 單位跨度上的順風(fēng)向的阻力， 橫風(fēng)向的升 力，以及扭矩。來風(fēng)在建筑物的周圍會形成湍流風(fēng)場 ,并引起建筑物一定幅度 的風(fēng)振振動 .對于高層和超高層建筑的風(fēng)振動力反應(yīng)主要有以下三方 面的考慮 :其一 ,由風(fēng)振產(chǎn)生的慣性力在結(jié)構(gòu)中引起附加應(yīng)力 ;例如我 國現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)中考慮了順風(fēng)向風(fēng)振反應(yīng)慣性力 ,高聳結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)中同時考慮了順風(fēng)向與橫風(fēng)向風(fēng)振反應(yīng)的慣性力 ;其二 ,由于風(fēng)振 反應(yīng)發(fā)生的頻度較高 ,有可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞效應(yīng) ;其三 ,建筑結(jié)構(gòu)的 振動加速度會使生活和工作在其中的人產(chǎn)生不舒適感 , 當(dāng)風(fēng)以一定速度吹響建筑物時， 建筑物將對其產(chǎn)生阻塞和擾動作 用，從而改變該建筑物周圍風(fēng)的流動特性。

3、反過來，風(fēng)的這種流動特 性改變引起的空氣動力效應(yīng)將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。由于自然風(fēng)的紊流特性， 因此風(fēng)對結(jié)構(gòu)的這種作用包含了靜力作 用和動力作用兩個方面，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的靜力和動力響應(yīng)。風(fēng)不僅對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力作用， 還會產(chǎn)生動力作用， 引起高層建筑、 各類高塔和煙囪等高聳結(jié)構(gòu)、 大跨度纜索承重橋梁、 大跨度屋頂或屋 蓋、燈柱等許多柔性結(jié)構(gòu)的振動，產(chǎn)生動力荷載，甚至引起破壞。結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動在很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)的外形、剛度（或柔度)、阻尼和質(zhì)量特性。不同的外形將引起不同的風(fēng)致動力荷載。結(jié) 構(gòu)剛度越小， 柔性越大，則其風(fēng)致振動響應(yīng)就越大。 結(jié)構(gòu)的阻尼越高， 其風(fēng)致振動的響應(yīng)也就越小。 風(fēng)致振動減振措施研究

4、一般也是從這四 方面著手。(1)順風(fēng)向風(fēng)陣計算 高層建筑順風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)主要是由平均風(fēng)速引起的平均風(fēng)壓和風(fēng)速脈動引起的脈動風(fēng)壓所導(dǎo)致。A.G.Dave npor等人對建筑物的順風(fēng)動 態(tài)響應(yīng)問題進(jìn)行了理論和試驗研究 ,基于片條理論和準(zhǔn)定常理論建立 的順風(fēng)向風(fēng)振分析方法已被廣泛應(yīng)用。只要按照實際情況計算 ,即使只計入一階實際振型 ,多階振型計算 方法與簡化計算方法的基底剪力和層間剪力都存在明顯差異 ;如果計 入更多實際振型 ,差異還將繼續(xù)加大。但在計入實際振型數(shù)大于 2 以 后,兩種計算方法的結(jié)果差異很小。主要原因是：簡化計算方法中采用的振型函數(shù) ？1(z)是按照經(jīng)驗公 式求得 ,而結(jié)構(gòu)實際的振型與之

5、有差異 ,這樣使得兩種算法在計算過程 中與振型系數(shù)? 1(z)相關(guān)的各個參數(shù)值都不同，導(dǎo)致最后的差異。隨著振型階數(shù)的加大 ,高振型對順風(fēng)向風(fēng)振的影響逐漸減小。主要 有兩個原因 ：第一,一般建筑結(jié)構(gòu)的第一振型周期遠(yuǎn)小于風(fēng)的卓越周期 高振型的周期更小 ,隨著振型階數(shù)的加大其影響就更小 ;第二 ,結(jié)構(gòu)高 振型有正負(fù)號相間出現(xiàn) ,計算過程中可抵消一部分 ,隨著振型階數(shù)的加 大,正負(fù)相消的影響越來越大。主要橫風(fēng)向風(fēng)振機(jī)理分析一、渦旋振動當(dāng)結(jié)構(gòu)物上有風(fēng)作用時，就會在該結(jié)構(gòu)物兩側(cè)背后產(chǎn)生交替 的旋渦，且將由一側(cè)然后向另一側(cè)交替脫落，形成所謂的卡門渦列。 卡門渦列的發(fā)生會使建筑物表面的壓力呈周期性變化，其結(jié)果

6、是使結(jié) 構(gòu)物上作用有周期性變化的力，作用方向與風(fēng)向垂直，稱為橫風(fēng)向作 用力或升力。這是由交替渦流引起且與風(fēng)向垂直的振動， 按發(fā)生原因 稱為渦旋激振。渦旋激振基本上是伴隨著旋渦的出現(xiàn)而產(chǎn)生的強(qiáng)迫振 動，但是一旦振動增強(qiáng)，又會有由振動控制的渦流發(fā)生，表現(xiàn)出自激 振動的特性。一般地，只有位于共振風(fēng)速（或稱臨界風(fēng)速）的某一特 定風(fēng)速圍，振動才變得較為顯著。二、馳振、顫振對于土木工程中的結(jié)構(gòu)物，不象飛機(jī)、輪船那樣具有棱邊方 角的鈍體，當(dāng)風(fēng)作用時，在其周圍，氣流通常呈分離型，而且伴有隨 時間變化的尾流。結(jié)構(gòu)物一般是彈性體，故在某一特定圍常發(fā)生馳振、顫振的空氣動力學(xué)上的失穩(wěn)式振動。 前述渦激振動是通常形狀結(jié)

7、構(gòu)物 必然伴隨的現(xiàn)象，而馳振和顫振則因結(jié)構(gòu)物斷面形狀的不同而有差 異，多發(fā)生于具有箱形截面種 H 形截面的結(jié)構(gòu)物。在通常情況下， 橫風(fēng)向彎曲單自由度振動稱為馳振， 而扭轉(zhuǎn) 單自由度振動稱為顫振， 彎曲和扭轉(zhuǎn)的兩自由度耦合振動稱為彎扭顫 振。馳振和顫振一旦發(fā)生， 便產(chǎn)生劇烈的振動，這種失穩(wěn)式的振動具 有自激振動的因素， 即在振動過程中， 由結(jié)構(gòu)物本身的運動不斷給激 振力提供能量，助長了運動的發(fā)生。馳振和顫振現(xiàn)象，可認(rèn)為是由在結(jié)構(gòu)物受風(fēng)上側(cè)斷面邊緣產(chǎn) 生的伴隨該物體振動而放出的所謂前緣分離渦流而引起的振動， 這種 振動現(xiàn)象的發(fā)生與建筑物背后形成的卡門渦流發(fā)生的激振無關(guān)， 它與 渦流振動有本質(zhì)的區(qū)別

8、。 總的來說， 對馳振和顫振發(fā)生機(jī)理的詳細(xì)認(rèn) 識還值得進(jìn)一步探討， 目前暫且認(rèn)為這種現(xiàn)象是激振的一種。 在理論 上，對馳振和顫振的發(fā)振風(fēng)速方處于積極的探討研究之中。三、抖振當(dāng)一結(jié)構(gòu)物處于另一結(jié)構(gòu)物的卡門渦列之中時， 可發(fā)生抖振。 例如，兩靠近的細(xì)長結(jié)構(gòu)物， 背風(fēng)向的一個結(jié)構(gòu)物就有可能發(fā)生抖振， 若這時背后一個結(jié)構(gòu)物的頻率接近的話， 就極有可能發(fā)生抖振， 故有 人稱抖振實際上是一種順風(fēng)向共振。 國外已有人對高層建筑的抖振進(jìn) 行過風(fēng)洞實驗， 結(jié)論是大致在結(jié)構(gòu)物比較細(xì)長、 結(jié)構(gòu)阻尼比較小時的 某一小部分情況下，抖振是有可能發(fā)生的，但只限于初步研究中，未 見在工程上應(yīng)用。現(xiàn)將橫風(fēng)向風(fēng)振及特性歸納如下：

9、強(qiáng)迫振動抖振渦激振動渦激振動自激振動 馳振顫振日本的建筑規(guī)，其中給出了由尾流中的漩渦脫落引起的橫風(fēng)向脈 動風(fēng)荷載計算公式與風(fēng)振動力反應(yīng)計算方法。 對高層建筑橫風(fēng)向振動 有影響的風(fēng)速都處于跨臨界風(fēng)速的圍(即流動雷諾數(shù) Re> 3.5X 106, 與此雷諾數(shù)相應(yīng)的來風(fēng)平均風(fēng)速下限值僅為 2m/s5m/s。事實上對結(jié) 構(gòu)有影響的風(fēng)速遠(yuǎn)高于此下限值 )。已有的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)表明：當(dāng)來 風(fēng)速度處于跨臨界圍時， 結(jié)構(gòu)背后的尾流十分紊亂， 但總的來說呈現(xiàn) 有規(guī)律的漩渦脫落。在這個圍尾流漩渦按某一固定的頻率 n 脫落 (n=Sxv/b)。v是流場中的特征風(fēng)速；b是結(jié)構(gòu)面迎風(fēng)向?qū)挾?；St是結(jié) 構(gòu)斯特盧哈數(shù)，

10、 它反映了結(jié)構(gòu)尾流中漩渦脫落的頻率與風(fēng)速和結(jié)構(gòu)橫 向尺寸之間的關(guān)系。 因此橫風(fēng)向脈動風(fēng)壓譜密度函數(shù)應(yīng)為在這一頻率 處的窄帶函數(shù)。 但是由于風(fēng)場的高度復(fù)雜性， 建筑物背后的漩渦脫落 頻率也有可能是隨機(jī)值而非某一固定值， 其統(tǒng)計樣本中占優(yōu)勢的值為 與漩渦脫落對應(yīng)的斯特盧哈數(shù)所對應(yīng)的頻率值。目前把橫風(fēng)向振動歸因于尾流剪切層的分離與漩渦脫落過程.現(xiàn)有的被廣泛接受的橫風(fēng)向激勵機(jī)制為 :高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)荷載主要來 源于來流紊流激勵、 尾流激勵和氣動彈性激勵 3 個方面， 來流激勵和 尾流激勵反映在外加氣動力上 ,氣動彈性激勵反映在氣動阻尼上。根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)振理論，結(jié)構(gòu)順風(fēng)向反應(yīng)主要是共振響應(yīng)，而背景響應(yīng)可以忽

11、略。根據(jù)這個原理可以推知：結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振反應(yīng)中，共振 響應(yīng)也應(yīng)占主要部分。因此在低頻率圍（LF公式峰值附近，St < 0.2）具 體取哪一個風(fēng)壓譜密度函數(shù)對結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振反應(yīng)加速度值的計算 結(jié)果的影響不大， 僅在風(fēng)速較低時對位移值的計算結(jié)果影響較大。 因 此在風(fēng)速較高時（Uo> 30m，在低頻率圍（SW 0.2）可以仍然取文獻(xiàn) 中LF計算公式的形式，也可以取式（3）。而在高頻率圍（St>0.2）,取式 當(dāng)bL10=< bL1.0=時譜密度函數(shù)值的平均值。這樣就不會漏失所有 來風(fēng)情況下的最大加速度均方根值與最大位移均方根值。 由圖 8 可以 看出：采用湍流橫風(fēng)向脈動風(fēng)壓譜

12、計算高層建筑結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)， 相 比采用日本規(guī)公式來說，在經(jīng)常遇到的設(shè)計風(fēng)速圍（距地面 10m 高處風(fēng)速Uio=30m/s40m/s）加速度均方根增大一倍左右，位移均方根值增 加 10%左右。建議對此現(xiàn)象進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。（3）橫風(fēng)向等效荷載與順風(fēng)向等效荷載之間的關(guān)系 按照荷載規(guī)的條文說明，一般而言，建筑高度超過 150m 或 高寬比大于 5 的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風(fēng)向效應(yīng)， 確定橫風(fēng)向 效應(yīng)的方法可以采用風(fēng)洞試驗或者按照規(guī)提供方法計算。當(dāng)采用規(guī)方法計算時， 順風(fēng)向與橫風(fēng)向分別采用不同的計算公式， 其中橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓 lkw 按式 （1）計算。順風(fēng)向風(fēng)荷載與橫風(fēng)向風(fēng)荷載以及后面的扭

13、轉(zhuǎn)風(fēng)振荷載一般是同 時存在的，上述順風(fēng)向與橫風(fēng)向的計算公式分別是兩個方向的最大風(fēng) 壓值，但三種風(fēng)荷載的最大值并不一定同時出現(xiàn)， 因此在工程中應(yīng)該 考慮各方向等效荷載之間的組合，即規(guī)中表8.5.6。需要特別強(qiáng)調(diào)的 是，這一點與風(fēng)洞試驗得到的風(fēng)荷載有本質(zhì)區(qū)別， 在風(fēng)洞試驗中得到 的每個方向的荷載數(shù)據(jù)同時包含了順風(fēng)向分量， 橫風(fēng)向分量和扭轉(zhuǎn)分 量，三個分量是同時發(fā)生的，因此不存上述組合問題。4、順風(fēng)、橫風(fēng)、扭風(fēng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響基本組合前面已經(jīng)提到，按荷載規(guī)附錄方法計算的順風(fēng)向、橫風(fēng)向風(fēng)振與 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振三個方向荷載均是最大值。 但在實際情況中，三個方向的的 最大值并不一定同時發(fā)生，因此應(yīng)合理考慮三個方向的組合問題。按照荷載規(guī)表8.5.6所示風(fēng)荷載組合工況如下：工況順風(fēng)向風(fēng)荷載橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載1F Dk-2°.6F DkFLk-3-TTk上述組合由軟件在設(shè)計中自動完成變形控制根據(jù)高規(guī)426,考慮橫風(fēng)向風(fēng)振或扭轉(zhuǎn)風(fēng)振影響時，結(jié)構(gòu)順 風(fēng)向及橫風(fēng)向的側(cè)向位移應(yīng)分別符