防灾课程论文

风灾害及工程结构的抗风设计风的类型风使空气从气压高的地方流向气压低的地方流动而形成的。自然界中常见的风的类型有热带气旋，季风和龙卷风。热带气旋发生在低纬度热带洋面上的低气压和空气涡旋通称为热带气旋。自1989年起，采用国际标准，将热带气旋分为四类：热带低压（中心附近最大风力6~7级）;热带风暴（中心附近最大风力8~9级）;强热带风暴（中心附近最大风力10~11级）；台风（中心附近最大风力12级及以上）。影响我国的热带气旋都发生在西北太平洋的热带洋面上（包括中国南海），在离开源地后向偏北、西北、偏西和东北方向移动，并逐渐加强，其中大部分可以达到台风的强度，在我国登陆的台风占整个西北太平洋台风总数的35%。热带气旋的形成随地区不同而异，它主要是由太阳辐射在洋面所产生的大量热能转变为动能（风能和海浪能）而产生。热带旋风中心，习惯上称为“眼”，在“眼”的范围内相对平衡，无风也无云层。“眼”的直径一般小于10km，有时可以大于50km。台风的气旋直径可达600~1000km，紧紧环绕在其周围的圆环形风带为强烈的暴风，并在旋转中向前移动。在西大西洋和墨西哥湾生成的热带气旋成为飓风，在印度洋和大洋洲则直接命名为热带气旋或气旋。它们和台风在本质上没有区别，只是名称不同而异。季风季风是大气流中出现最为频繁的风，它是由内陆和海洋空气温差引起的风。这种风冬季由内陆吹向海洋，夏季由海洋吹向内陆。由于亚洲大陆陆地辽阔，故亚洲受季风的影响非常强烈。龙卷风龙卷风是一个猛烈旋转着的圆形空气柱，有时挂在空中，有时还延伸到地面，一边旋转，一边快速前进。龙卷风的直径小，寿命短，但破坏力巨大。龙卷风是所有风暴中最强的风，但对任何一个地方，龙卷风发生的概率却低于其他风暴，在我国，目前一般的建筑规范和标准中尚未包括抗龙卷风的设计要求。但在设计那些损坏后后果特别严重的设施时，例如核电站等，则必须考虑龙卷风损坏的影响，以保证核电站等对龙卷风作用有足够的抵抗力。其它类型风飑线风通俗地讲就是一种风向急转，风速急剧增大，并伴有雷雨、大风、冰雹、龙卷等灾害性天气。它具有突发性强、破坏力大的特点，往往使人们猝不及防。黑风即通常我们所说的沙尘暴。风的等级气象预报中将风力分为0~12共13个等级，通常采用英国人圃福（Beaufort）拟定的等级，它是按照陆上地物征象，海面和渔船征象以及10m高度处风速、海面波高等划分的。在这里不再具体列表说明。风对建筑物的不利影响及案例国内外统计资料表明，在所有的自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首。大风造成的灾害包括直接危害和间接危害两种。直接危害主要是大风对农、林业生产可造成直接损失和对土地造成土壤风蚀沙化。间接危害指传播病虫害和扩散污染物，由农作物无收而引起的饥荒，疾病等。土木工程防灾、减灾工程更加侧重于风对建筑物破坏的研究，从中找出规律并制定完善的抗风设计方法以减轻风的灾害。风对建筑物的破坏案例简要介绍一下几个：桅杆桅杆结构的刚度小，在风载下易产生较大幅度的振动，从而容易导致桅杆结构的疲劳和破坏。世界范围内曾发生了数十起桅杆倒塌事故。例如，1955年11月，捷克一桅杆在风速达30m/s时因失稳而破坏；1963年，英国约克郡高387米的钢管电视桅杆被风吹到；1985年，前联邦德国Bielstein一座高298米的无线电视桅杆受风倒塌；1988年，美国Missouri—座高610米的电视桅杆受阵风倒塌，造成三人死亡。高层建筑至今还未发现高层建筑因大风作用而倒塌的事例，但发生在1926年的一场飓风袭击，使美国一座10多层的Meyer-Kiser大楼的维护结构受到严重破坏，钢框架结构发生塑性变形，大楼在整个风暴中严重摇晃。纽约一幢55层的塔楼建筑，在东北大风作用时，由于建筑物的摆动，使人不能在顶部几层的写字台上进行书写，建筑物的风运动是人体产生不舒适感。桥梁结构1940年，美国华盛顿州塔科马（Tacoma）海峡建造的塔科马悬索桥，主跨853米，建好不到4个月，就在一场风速不到20m/s的灾害下产生上下和来回扭曲振动而倒塌了。风的特性（1）倾斜性可分为水平分量和竖向分量。其中水平分量对高耸、高层、细长结构设计占据主导作用，因为水平分量可以是结构物产生水平方向的振动；竖向分量主要在桥梁结构、大跨结构中占据主导作用。（2）季节性同一地点不同季节日期，风速方向可以不尽相同，在一年中强度最大且对结构影响最大的风向成为主导风向。在结构设计中为安全起见，一般都假定最大风出现在各个方向的概率都相同。（3）随机性风可以分解为平均风和脉动风。其中脉动风有很大的随机性，是由于风的不规则性引起的，它的强度随时间按随机规律变化，其作用性质完全是动力的，会使结构产生振动。风对结构的作用自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如龙卷风，称为异常风，不属异常风的则属于良态风。这里我们主要讨论的是良态风作用下的结构抗风分析。风对结构的作用，使结构产生振动，其原因主要有以下几个方面：（1） 由与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉动风要引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑。而平均风对结构的动力影响较小，可将其等效为静力作用；（2） 结构物背后的漩涡引起结构的横风向（与风向垂直）振动，对烟囱、高层建筑等一些自立式细长柱体结构物，特别是圆形截面结构物，都不可忽视这种形式的振动；（3） 由别的建筑物尾流中的气流引起的振动；

4）由空气阻尼以引起空气横向失稳式振动。因此，由于风对结构的作用，会产生以下结果（1）使结构物和结构构件受到过大的风力或不稳定（2）使结构物和结构构件受到过大的挠度或变形，引起外墙、外装饰材料的损坏；（3）由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳破坏；（4）气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力；（5）由于过大的动态运动，是建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。大气边界层的平均风特性地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力，从而使气流速度减慢，该阻力对气流的作用随高度的增加而减弱，当超过某一高度后，就可以忽略这种地面摩擦的影响，气流将沿等压线以梯度风速流动，称这一高度为大气边界层高度或边界层厚度，由5表示。在边界层以上的大气称为自由大气。一般来说，大气边界层内风的状况是土木工程设计者最为关心的。平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种主要方法，对于平均风剖面的研究目前主要有两种方法：对数律和指数律。气象学家认为用对数律表示大气底层风速廓线比较理想，因此在微气象学实际问题中常采用对数律。近年来的实验研究表明，对数律层约占大气边界层高度的10%，具体地，在100m高度范围内用对数律表达风剖面是比较满意的，倘若超过这一高度再使用对数律，从结构设计的观点是偏于保守的。也有实测资料表明，强风时对数律的使用高度可达200m左右。在较早的时候，对于水平均匀地形的平均风速廓线一直采用1916年由G.Hellman提出的指数规律，后来由A.G.Davenport根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面，并提出平均风速沿高度变化的规律可用指数函数予以描述。在土木工程设计和计算中，一般采用指数律，因为指数律比对数律计算简便，而且两者差别不是太明显。结构上的平均风荷载大量风的实测资料表明，在风的顺风向风速时程曲线中，包括两种成分：一种是长周期成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。长周期部分远离一般结构物的自振周期，其作用属静力性质；短周期部分则与结构物的自振周期较为接近，因而其作用是属动力的，且属随机的动荷载。在工程实际应用中，通常将风荷载作为静力风（或称平均风）与动力风的共同作用。基本风速和基本风压基本风速是不同地区气象观察站通过风速仪的大量观察、记录，并按照我国规定标准条件下的记录数据进行统计分析进而得到该地的最大平均风速。标准条件是指标准的地面粗糙度类别、标准高度及重现期、平均风时距和平均风概率分布模型等。一、基本风速标准地面粗糙度类别地面粗糙度为地面对风速的影响程度，我国目前将其分为四类，我国规范规定标准地面粗糙度类别为比较空旷平坦地面。标准高度我国规范规定离地面10m高为标准高度。标准重现期我国规范规定取一年中的最大平均风速作为一个数理统计样本。在工程中，不能直接选取各年最大平均风速的平均值进行设计，而应取大于平均值的某一风速作为设计依据。从概率的角度分析，在间隔一定的时间之后，会出现大于某一风速的年最大平均风速，我们称这个间隔期为重现期。我国规范没规定最大风速的重现期为50年。平均风的时距工程设计所关心的最大风速值与时距的大小有关，因此确定不同地点的基本风速时，应规定统一的时距。若时距太短，易突出风的脉动峰值作用，使风速值不稳定。相反，如果时距取得很大，则会使最大风速值较低。我国规范规定的基本风速的时距为10min。概率分布模型一般地，我们所研究的对象不会出现异常风的气候，称为良态气候。对于这种气候，我们可以认为年最大风速的每一个数据都对极值的概率特性起作用，因此，世界上许多国家把年最大风速作为概率统计的样本，由重现期和风速的概率分布获得该地区的设计最大风速，或称为基本风速。我国规定基本风速采用极值I型概率分布函数进行统计分析。对于年最大风速的概率模拟，通常有三种，即极值I型分布、极值II型分布和韦布尔分布。目前，大多数国家采用极值I型概率分布函数，如中国、加拿大、美国和欧洲钢结构协会等。极值I型分布又称为耿贝尔分布，其表达式为F((x)=exp{-exp[-(x-p)/◎]} ⑴式中，p和o分别称为位置参数和尺度参数，它们可由如下两式获得:(2)E(x)=卩+0.5772c(2)(3)上式中，E(x)和c分别为风速样本的数学期望和均方差，是已知的。实际x上，风速资料的数学期望就是年最大风速X的数学平均值，用X表示，这样，由i风速资料可得风速的平均值和均方差：

£ni(5)— 1n£ni(5)x=E(x)= £x(4)nii=1利用这些公式便可求得参数卩和C，则极值I型的概率分布函数F（x）就确I定了。二、基本风压一般，由实测记录的是风速，但工程设计则采用风压（或风力）进行计算，这就涉及到如何将风速转换为风压的问题。在不可压的低速气流下，考虑无粘且忽略体力作用，在同一水平线各点作为标准高度的伯努利方程为1mv2+wV二C（6）21式中，v 风速（m/s）w 单位面积上的静压力（（kN/m2）1V 空气质点的体积（m3）m 空气质点的质量（t）,m=pv,这里p为空气质量密度（t/m3），V为空气质点的体积。式（6）还可写成1w+pv2=C （7）1211式（7）中，—Pv2称为动压，且C=CV;该式中，当风速v=0时，C=w，2112为最大静压力，现令(8)w=w-w(8)21w为净压力，亦即所要计算的风压力。由式（7）和式（8）得(9)1(9)w=—pv22式（9）就是风速与风压的关系式，该式中的丫为空气容重（kN/m3），g为重力加速度（m/s2）。在不同的地理位置和不同的条件下，其Y和g是不相同的，因而式（9）中的系数Y/g不是一个常数。我国的有关规范建议，在一般情况下可取为1/800。我国不同城市和地区的基本风压直接查用《建筑结构荷载规范》的全国基本风压分布图。当城市或基本建设地点的基本风压无法确定时，基本风速值可根据当地最大风速资料，按基本风压定义，通过统计分析确定；所选取的年最大风速数值，至少也应有不少于10年的风速资料，将所得到的基本风速一般用式（9）换算为基本风压。若当地没有风速资料，可根据附近地区规定的基本风压或长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定。风载标准值建筑物所处高度不可能恰为10m,周围的地形也不一定空旷平坦，因而必须对基本风压进行修正。此外，前面推导的风速与风压的关系是基于自由气流碰到障碍而完全停滞所得到的。但一般工程结构并不能理想地使自由气流停滞，而是让其留意不同方式在结构表面绕过，因此实际结构所受的风压并不能直接按式（9）计算，而需对其进行修正，其修正系数与结构物的体型有关。于是，当计算垂直与建筑物表面的风荷载标准值时，可按下式进行计算w二卩w （10）ksz0式中w 风荷载标准值（kN/m2）；k卩 风荷载体型系数s卩 风压高度变化系数zw 基本风压（kN/m2）00 风振系数。计算主要承重结构取高度为z处的风振系数p；计算z维护结构时则取高度为z处的阵风系数p。gz风荷载体形系数不同体型的建筑在同样的风速下，建筑物上的风力分布是不同的，由此引入风荷载体型系数。了解风荷载体型系数前需要我们知道压力系数：建筑物某点顺风向测得的静压力与吹来风的平均动压力之比即压力系数。压力系数与物体几何形状有关，与迎面气体流动特性有关。体型系数即平均压力系数，按照测点的位置将面积划成若干块，将各测点的压力系数乘以相应面积进行加权平均即可得到体型系数。对于重要而特殊的建筑物其体型系数应由风洞试验确定。对于一般建筑结构体型，我国《建筑结构荷载规范》给出了体型系数，可供直接查用。风载体型系数的特点：1） 建筑物迎风面一般为正压力。压力值在该面中间部分较大，边缘部分较小。2） 建筑物背风面受负压力。整个背面的负压力分布比较均匀。3） 当风平行于建筑物的侧面时，两侧通常为负压力。4） 除了形状的影响外，建筑物的各向尺寸也影响体型系数的取值，如对高层建筑来讲，一般高宽比越大，体型系数也越大。风压高度变化系数在前面的论述中我们知道，在大气边界层中，越接近于地面，风速越小，只有大约在300~500m以上的高度，风速才不受地面粗糙度的影响而可以自由流动，达到所谓的梯度风速。在大气边界层中，风速沿高度变化的规律称为风剖面，我国规范采用指数型的风剖面。不同的地面粗糙度类别，其地面粗糙度指数是不一样的，达到“梯度风速”高度也不相同，这反映了在不同的地面粗糙度类别下，其风剖面也不一样。一般地，地面越是光滑，其所需梯度风高度越低；反之，地面越是粗糙，梯度风高度越高。在我国，规定了四种地面粗糙度类别。风振系数0对于自振周期T<0.25s的结构和高度小于30m或高宽比小于1.5的房屋，风振影响不大，一般对单层、多层建筑可取0z=l・O。对于高层、高耸、柔性结构0z的计算，由于风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期的增长，风振也随之增强，因而均应考虑风压脉动对结构顺风向风振的影响，原则上还应考虑多个阵型的影响，对于前几个振型比较密集的结构，如桅杆、大跨屋盖应考虑的阵型多达10个及以上。对此类结构应按结构的随机振动理论进行计算。随机振动理论比较复杂，一般由专业计算程序完成。对于一般的悬臂型竖向结构，如框架、塔架、烟囱等，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，可只考虑第一振型的影响。这时可用风振系数来表达。结构在高度z处的风振系数0z可按下式计算0=1+削 （11）z 卩z式中g——脉动增大系数U 脉动影响系数P---阵型影响系数z卩---风压高度变化系数z1） 脉动增大系数脉动增大系数实质上是风的动力作用产生的增大系数，它与风的脉动规律和结构的振动特性有关。实际工程中有相应的表格可供查用。2） 脉动影响系数脉动影响系数考虑了脉动风压及其相关性的影响，其值按随机振动理论，通过计算机计算确定。对于一般常见结构形式，脉动影响系数有相应的表格可供查用。3） 阵型系数结构振型系数应按实际工程由结构动力学计算得出。在一般情况下，对顺风向相应可仅考虑第1振型的影响，对横风向的共振响应，应验算第1~第4阵型的频率，因此列出相应的前四个阵型系数。4） 风振阵型影响系数pz为结构的阵型影响系数，理应在结构动力分析时确定，为了简化，在确z定风荷载时，可采用近似公式。按结构的变形特点，对高耸构筑物可按弯曲型考虑；对高层建筑，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑；对高层建筑也可进一步考虑框架和剪力墙各自的弯曲和剪切刚度，根据不同的组合刚度参数，给出不同的阵型系数。横风向风振很多情况下，横风向力较顺风向力小很多，横风向力可以忽略。然而，对于一些细长的柔性结构，例如高耸塔架、烟囱、缆索等，横风向力可能会产生很大的动力效应，即风振，这时，横风向效应应引起足够的重视。结构横风向风振的机理比较复杂，影响的因素很多。工程结构中易于遇到且机理相对清楚的横风向风振包括涡激振动、驰振、颤振及抖振等，下面对它们作简要介绍。1）涡激振动当结构物上有风作用时，就会在该结构物两侧背后产生交替的漩涡，且将由一侧然后向另一侧交替脱落，形成所谓的卡门涡列。卡门涡列的发生会使建筑物表面的压力呈周期性变化，其结果是使结构物上产生周期性变化的力，作用方向与风向垂直，称为横风向作用力或升力。这种由交替涡流引起且与风向垂直的振动，按发生原因称为涡激振动。涡激振动基本上是伴随着漩涡的出现而产生的强迫振动，但是一旦振动增强，又会有由振动控制的涡流产生，表现出自激振动的特性。一般地，只有位于共振风速（或成临界风速）的某一特定风速范围内，振动才变得较为显著。2）驰振、颤振对于土木工程中的结构物，不想飞机、轮船那样具有流线型，多为具有棱边方角的饨体，当风作用在这种物体上时，在其周围，气流通常呈分离型，而且伴有随时间变化的尾流。结构物一般是一弹性体，故在某一特定范围内常发生驰振、颤振的空气动力学上的失稳式振动。上面的涡激振动是通常形状结构物必然伴随的现象，而驰振和颤振则因结构物形状的不同而有差异，多发生在具有箱形截面和H形截面的结构物。在通常情况下，横风向弯曲单自由度振动称为驰振，而扭转单自由度振动称为颤振，弯曲和扭转的两自由度耦合振动称为弯扭颤振。驰振和颤振一旦发生，便产生剧烈的振动，这种失稳式振动具有自激振动的因素，即在振动过程中，由结构物本身的运动不断给激励力提供能量，助长了运动的发生。驰振和颤振现象，可认为是由在结构物受风上侧断面边缘产生的伴随该物体振动而放出的所谓前缘分离涡流而引起的振动，这种振动现象的发生和建筑物背后形成的卡门涡流的激振无关，它与涡激振动有真本质的区别。3）抖振当一结构物处于另一结构物的卡门涡列之中时，可发生抖振。例如，两靠近的细长结构物，背风向的一个结构物就有可能发生抖振，若这时背后一个结构物的频率与顺风向频率比较接近的话，就极有可能发生抖振，固有人称抖振实际上是一种顺风向共振。国际上已有专家对高层建筑物的抖振进行过风洞试验，结论是大致在建筑物比较细长、结构阻尼比较小的某一小部分情况下，抖振是有可能发生的。在横风向风振中，有两个物理量比较重要：雷诺数和斯托罗哈数。雷诺数的定义是惯性力与粘性力之比；斯托罗哈数是与结构截面几何形状和雷诺数有关的参数。高层建筑结构抗风设计风荷载是高层建筑的主要侧向荷载之一。在非地震区和沿海地带，常常成为结构设计的控制荷载。近年来，高层建筑正向着轻质、高柔、小阻尼的方向发展，钢结构超高层建筑越来越多。这些高层建筑的抗风计算在其结构设计中占有十分重要的地位，甚至是决定性的地位。高层建筑在风荷载作用下的失效形式有:1）主体结构开裂或破坏，如位移过大引起框架、剪力墙、承重墙裂缝或结构主筋屈服；2）层间位移引起非承重墙开裂；3）局部风压过大引起玻璃、装饰物、围护结构破坏；4）建筑物长期的频繁大幅度摆动使居住者感到不适；5）长期的风致振动引起结构物的疲