风对结构的作用及抗风防护措施

PAGEPAGE4风对结构的作用及抗风防护措施刘宏睿摘要：风灾害是发生频繁的自然灾害．每年会给人类造成重大的生命和财产损失。工程结构的风灾损失主要形式是结构的开裂、损坏和倒塌。因此．工程抗风设计计算是工程安全的关键，本文研究了风的特性、风对结构的作用、风设计的主要内容和方法、防风减灾措施。关键词：风灾；工程结构；抗风设计；防灾措施；一．引言风灾是自然灾害中影响最大的一种。据有资料显示,从1947～1980年全球十种主要自然灾害中,由台风造成的死亡人数为4919万,占全球自然灾害死亡总人数的41%，比地震造成的死亡人数还多。1970年11月12～13日袭击孟加拉的一个台风(当地称风暴),死亡人数达30万。1973年9月14日,7314台风登陆海南岛时风速达60米每秒,使琼海县城夷为废墟。1992年8月24日安德鲁飓风登陆美国佛罗里达,经济损失高达300亿美元。2007年10月台风罗莎造成福建省42．91万人受灾，房屋倒塌130间，直接经济损失4.6亿元。2007年11月孟加拉遭强热带风暴袭击至少1108人死亡，数千人受伤或失踪，数十万人无家可归。对于工程结构，风灾主要引起结构的开裂、损坏和倒塌，特别是高、细、长的柔性结构。因此，工程结构的抗风设计是关系到工程安全的重要因素。本文结合我国有关工程抗风设计的规范，介绍了风对工程结构的作用、抗风设计的主要研究内容和方法和防风减灾措施。二．风风的形成乃是空气流动的结果，是空气相对于地面的运动。地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。1.风形成的原因在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速(或风力)来表示。空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向左偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响，山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却因摩擦大使风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。2.风的分类自然风按其性质可以分为以下几大类：平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间改变的量，虽然这部分风的本质是动力的，但其作用与静力相近，因此可认为其作用性质相当于静力。结构物的平均风荷载除了受如前所述的地形地表及风剖面的因素影响外，还受结构物体型的影响。建筑物采用风荷载体形系数。①风载体型系数风荷载体形系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力(或吸力)与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。风荷载体型系数一般由风洞试验测得。试验时，首先测得建筑物表面上任一点沿顺风向的净风压力，再将此压力除以建筑物前方来流风压，即得该测点的风压力系数。由于同一面上各测点的风压分布是不均匀的，通常采用受风面各测点的加权平均风压系数。对于群体风压体型系数要考虑多个建筑物间的风力干扰产生的动力增大效应。对建筑物进行局部验算时应考虑风压分布的不均匀性，采用局部风压体型系数。（2)脉动风效应脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于它周期短，因而其作用性质是动力的，引起结构的振动。研究表明，脉动风的影响与结构周期、风压，受压面积等有直接影响，这些参数愈大，影响也愈大，兼之结构上还有平均风作用，因而对于高、柔、大跨结构，风的影响起着很大的甚至决定性的作用。建筑物的振动也改变着风本身的结构，引起建筑物表面风压的变化，而风压的变化反过来影响着建筑物的振动。因而风力和建筑物有着一定的耦合作用，具有相互影响的关系，从而使问题的复杂性大大加大。风的脉动成分完全属于随机动力性质，对于柔性结构将引起很大的风振。脉动风风振的影响常用等效静力荷载来表示。我国建筑规范采用了平均风荷载乘上风振系数来表示。当然，对于刚性结构，风振依然是存在的，也可以考虑风振进行计算，但一般较小可以略去。刚性结构考虑风振时采用平均风荷载乘上阵风系数来表示。2．横风向效应及共振效应结构物受到风力作用时，不但顺风向可以发生风振，在一定条件下横风向也能发生风振。横风向风振包括涡激振动、驰振、颤振及抖振等。（1）涡激振动引起结构横风向强迫振动的两个主要原因是：尾部激励(旋涡脱落)引起的结构横风向振动；横风向紊流(侧向脉动风)引起的结构横风向振动。在横风力作用下，由于旋涡形成的情况不同，结构受力性质也将不同，它与结构的截面形状以及雷诺数有关。横风向振动按雷诺数大小可划分为三个范围，即亚临界(300<Re<3×105)，超临界(3×105<Re<3×106)和跨临界范围(Re>3×106)。范围不同，其引起横向风振的特征是不同的。亚临界和跨临界范围旋涡脱落引起的振动是确定性的周期振动，中间范围即超临界范围是随机振动。当气流绕经钝体结构时产生旋涡脱落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时将引起结构涡激共振，即产生横向风振，这时的风速称为共振临界风速。由于雷诺数与风速的大小成比例，因而使得跨临界的共振响应很大，振动比静力的大到十倍到几十倍。（2）驰振、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特点。结构在风荷载作用下产生振动，同时结构的响应又反作用于风。这种由于结构的运动而产生的动力风荷载称为自激力，它是结构速度、位移、加速度的函数。一般情况下，气动力对结构的作用起到正阻尼的抑制作用，但由于结构的形状以及可能产生的功角，结构可以产生负阻尼，从而在风速达到某一临界值后，结构振动不能弹回而愈振愈大，即产生空气动力失稳。四．抗风设计的原则抗风设计的目的在于保证结构在施工阶段和建成后的使用阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载和风振引起的动力作用。根据风对建筑物造成的破坏来分析，我们的抗风设计要求必须保证结构在使用过程中不出现破坏等现象，主要涉及以下几个方面：(1)结构抗风设计必须满足强度设计要求。(2)结构抗风设计必须满足刚度设计要求。(3)结构抗风设计必须满足舒适度的要求。(4)结构抗风设计必须防止构件局部破坏。(5)结构抗风设计满足疲劳破坏设计要求。由于自然风会引起各种风致振动，在结构的抗风设计中首先要求发生危险颤振和驰振的临界风速与结构的设计风速相比具有足够的安全度，以确保结构在各个阶段的抗风稳定性。同时要求，把涡激振动和抖振的最大振幅限制在可接受的范围之内，以免产生结构疲劳或引起人体感觉不适。如果结构的最初设计方案不能满足抗风要求，应通过修改设计或采取气动措施、结构措施和机械措施等控制方法提高结构的抗风稳定性或减小风致振动的振幅。由于大气边界层紊流风特性和结构的不规则钝体的气动特性具有相当的复杂性，目前无法建立起完善描述风和结构相互作用的数学模型，只能通过半实验或纯实验的途径求近似的解答。因此，对于某些特殊的结构，风洞实验是结构抗风设计中必不可少的手段。五．抗风设计控制的主要因素1．近地风特性不同的场地地貌对风速的影响是不同的。由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地高度的减小而降低。只有离地200～500m以上的地方。风才不受地表的影响，达到所谓的梯度速度，这种速度的高度叫做梯度风高度。梯度风高度以上，已不受地貌影响，各处风速均为梯度风速。梯度风高度以下的近地层面为摩擦层，其间风速受到地理位置、地形条件、地面粗糙度、高度、温度变化等因素的影响。抗风设计中应考虑风的特性主要有风速随高度的变化规律、风速的水平攻角、脉动风速的强度、周期成分、空间相关性等。2．风荷载我国荷载规范规定作用在结构表面的风荷载为Wk=βzμzμrμ0w0，其中，βz，μz，μr，μ0，w0：分别表示：风振系数，风压高度变化系数，体型系数，重现期调整系数和基本风压。其中βz=1+ξvφz/μz，ξ为脉动增大系数，v为脉动影响系数，φz为振型系数。这3个系数可以根据随机振动理论和结构动力学方法求出。μz，μr，μ0，w0是与风的统计特性有关的参数。在风荷载确定后，可根据结构力学理论，计算结构的响应。我国建筑结构荷载规范对于一些常见的高层结构和高耸结构的风振系数和体型系数做了规定。但是，对于一些新的结构形式，例如：膜结构、悬索结构和整体张拉结构的风荷载的取值设做规定。3．结构的动力特性结构动力特性分析的正确性取决于其力学模型，包括边界条件能否真实地反应结构的工作行为，以及对结构进行合理的抽象和简化的过程中要保持结构的刚度和质量的等效性及空间的分布。进行结构动力分析时，可采用有限元动力分析程序。我国建筑结构规范对一些基本结构只考虑一阶振型，并有一些简化公式。对于有多层拉绳的桅杆结构根据情况可考虑的振型数目不大于4。随着科技的发展，又有一些新的结构形式出现，例如：国内外现代大型体育场馆中常用的膜结构。由于这种结构的自重非常轻，风振效应就成为整个结构设计中的主要控制因素之一。4．结构的空气动力稳定性结构的空气动力失稳主要有两种形式：颤振和驰振。而发生颤振又有两种驱动机制：对于近似流线型的扁平结构断面可能发生古典耦合颤振，这种颤振的临界风速较高。此时高速流动的风引起的刚度效应将改变结构的弯曲和扭转频率，在临界风速下耦合成统一的颤振频率，并驱动结构的振动发散；对于非流线型的结构断面，容易发生分离流的扭转颤振。由于流动的风对断面的扭转运动会产生负阻尼效应，当达到临界风速时，空气的负阻尼克服结构的正阻尼导致振动发散。同时强风带有一定的攻角，演算结构的颤振稳定性时，应考虑攻角对临界风速的不利影响。对于驰振，其发生的可能性主要取决于结构横截面的外型。在大跨桥梁结构和柔度大的高耸结构中，对这两种空气动力稳定性考虑得比较多。5.风致限幅振动对于抖振，可采用同时考虑抖振力和自激力作用的频域分析方法。自激力可由风洞实验测得结构的气动导数，抖振力项按准定长假定由风洞实验测得空气力系数与攻角的关系曲线求得，在通过气动导纳函数考虑非定长效应，由风速谱按随机振动理论估算抖振响应的根方差。风流经钝体结构时产生分离，由此在结构的两侧诱导出不对称的脱落的旋涡，使结构的两侧产生交替变化的正负压力，由此引发结构的涡激振动。当旋涡脱落的频率和结构的某一阶固有频率相等时，结构发生涡激共振。此时结构的振动对涡激力产生反馈作用，使得旋涡脱落频率在某一风速范围内被结构的固有频率“捕获”和结构的固有频率相等，这种现象称为“锁定”。锁定使作用在结构上的涡激力相关性增强，产生出气动阻尼，在结构振动时减小原结构的阻尼。旋涡脱落的频率与结构的截面尺寸、特征尺寸和风速有关。对某一确定的结构而言，与结构的斯特罗哈数有关。知道结构的斯特罗哈数就可以求得结构涡振共振的临界风速，结构的斯特罗哈数一般由风洞实验得到。6．风洞实验风洞是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。风洞种类较多，按流速划分，有高速风洞(风速在100m／s以上)和低速风洞(风速在100m／s以下)两大类。风洞试验是开展风振研究与抗风设计的重要基础。通过风洞试验，可以确定作用在工程结构上的风荷载与体型系数．从而提出简便合理、安全可靠的结构设计方案。1）风洞试验的理论基础风洞试验的理论基础是相似准则。要使风洞模拟的大气边界层流动与实际大气中的流动情况完全相似。则必须满足几何相似、运动相似、动力相似、热力相似以及边界条件相似等。在常规实验条件下，风洞中还不能完全复现真实条件下气流的运动状况。因此，根据不同的实验目的，对上述参数近似、取舍，做到部分地或近似地模拟大气边界层。2）风洞组成装置风洞试验中的组成装置主要有：操纵控制系统、支撑系统、量测系统和数据采集系统等。操纵控制系统通过操纵控制台使用风洞控制系统软件对模试验进行手动或自动控制。目前的风洞已经可以实现高度的自动化操作，提高了试验数据的精度和试验效率。支撑系统包括给定模型的攻角的机构、给定模型风向角的机构和支撑模型或仪器的支架等。测量系统包括试验风速的测量装置(热线、超声风速仪)、模型表面压力的测量系统(电子扫描阀)、模型各项分力和力矩的测量天平系统(应变天平)、模型位移响应的测量位移系统(激光位移计)及模型加速度响应的加速度测量系统等。3）风洞试验模型风洞试验模型有气动弹性模型或刚性模型．前者直接测量动态风荷载和结构响应：后者借助高频动态人平测量风荷载，再根据结构固有特性，计算结构动态响应。当测定结构物壁而的风速与风压分布时，一般采用刚性模型。4）风洞试验有显著的优点：试验条件、试验过程可以人为地控制、改变和重复、测试方便且数据精确。其缺点：风洞造价昂贵、动力消耗巨大；从模型制作到试验完成的周期较长；试验都是针对特定的工程结构进行，结构模型利用率低等。7．风致振动控制对于超过限度的风致振动，可以采用气动措施或机械措施予以控制。气动措施是通过附加外部装置或改变结构的外形，或构件的外型来改变结构周围的气流流动，提高抗风能力。例如在结构设计时，应尽量采用气动稳定性好的结构外形等。气动措施主要用于提高结构的气动稳定性和降低涡激振动。机械措施是通过改变结构的刚度、阻尼或质量，来降低风振响应。六．抗风设计的目的和手段抗风设计的目的在于保证结构在施工阶段和建成后的使用阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载和风振引起的动力作用。由于自然风会引起各种风致振动，在结构的抗风设计中首先要求发生危险颤振和驰振的临界风速与结构的设计风速相比具有足够的安全度，以确保结构在各个阶段的抗风稳定性。同时要求，把涡激振动和抖振的最大振幅限制在可接受的范围之内。以免产生结构疲劳或引起人体感觉不适。如果结构的最初设计方案不能满足抗风要求，应通过惨改设计或采取气动措施、结构措施和机械措施等控制方法提高结构的抗风稳定性或减小风致振动的振幅。由于大气边界层紊流风特性和结构的的不规则钝体的气动特性具有相当的复杂性，目前无法建立起完善描述风和结构相互作用的数学模型，只能通过半实验或纯实验的途径求近似的解答。因此，对于某些特殊的结构，风洞实验是结构抗风设计中必不可少的手段。七.结构外部对风的防护与改善措施。1、对街道、广场、人行与交通安全有影响的街道风、穿堂风、尾涡旋风,通常主动方法是改变建筑物的布局、外形,尽量把引发不良风环境的根源,消除在建成之前。被动方法是采用挡墙、格栅、种植灌木林带、乔木林带来改善风环境,以保证车辆行驶与行人的安全,并确保高楼后广场、花园的洁净。2、对高层建筑迎风面的下冲旋涡风的防护,目前大多采用裙楼结构隔断下冲气流,并在大楼主要出入口设置防护顶棚,以缓冲可能坠落的幕墙玻璃及其它装饰物。3、建筑物的拐角处、平面与曲面的交接处、立面上凸出的观光电梯等部位常是出现负风压(吸力)的峰值区,设计时最好把直角边钝化或粗糙化,凸出部的法线与盛行风向应避免相垂直以减弱气流分离而形成高吸力区,或在负压峰值区设置百叶窗式的扰流罩以镇压过高的负压峰值。4、屋顶,不管是平屋顶、人字形或斜截头屋顶、半圆形屋顶等,通常在其屋脊、四周屋檐及拐角处出现负风压峰区。尤其平屋顶的周沿及拐角,其负压峰值较大。防护与改善方法是在平屋顶边缘处加一矮护墙,使拐角区域的旋涡抬离屋顶面。试验资料表明,这一措施可使最大吸力急剧下降;也有人在拐角处安置突出物(