高耸结构抗风设计课件

高聳結構抗風設計高聳結構是指其寬度和深度遠小於高度的瘦長結構。其中煙囪和電視塔、輸電塔、石油化工塔等最為常用。本章主要討論高聳結構風回應實用的計算方法，採用前面所述風振動力分析的原理和方法，即按風振隨機振動的振型分解法。6.1高聳結構（煙囪、塔架）受力

情況分析

一、煙囪檢查共振風速是否屬於跨臨界範圍。煙囪屬於空心的結構，50m以上的煙囪平均外直徑一般在4-12m之間，週期在0.5-2.5s之間，斯脫羅哈數通常可取0.2。由前所述，共振風速在24-40m／s之間，這樣的風速在實際工程中是能夠出現的。又根據雷諾數的計算式，雷諾數當在3.5X106以上。所以可以發生橫風向旋渦脫落共振。分析時應予以考慮。除了順風向回應必須考慮外，應檢查橫風向共振和失穩式效應的可能性。

橫風向風力僅為順風向風力的0.20-0.25倍，但橫風向共振動力係數為，此值對鋼結構為50，對鋼筋混凝土為10。由此可見，對鋼煙囪，橫風向共振等效風力作用可相當於順風向風力的10-12.5倍，而順風向風力在順風向放大作用只有一倍或多一些，所以鋼煙囪的受力完全由橫風向所控制。對於鋼筋混凝土煙囪，橫風向共振等效風力只相當於順風向風力的2-2.51S，而順風向風力在順風向的放大作用也差不多這個倍數，所以鋼筋混凝土煙囪順風向和橫風向的作用都要控制，是雙向受力都重要的一種情況。圓截面的煙囪最為經常被採用，而圓截面結構是不可能橫向失穩的，因而可以不考慮。

塔架為桁架式結構，在電視塔類塔架中，塔架中部還有電梯井結構。要發生橫風向共振，必須滿足兩個指標，即共振風速必須在設計風速範圍之內，而雷諾數又在跨臨界範圍。桁架的(斯脫羅哈數)S在0.15上下，但迎風面尺度由於杆件組合而難以確定。作為粗糙分析，如果把迎風面x向的尺度集中在一起計算，則其尺度常在2m以上，週期常在0.3s以上．所以共振風速在40m／s以上。這樣的風速一般很少出現，所以除了重要的塔架需仔細加以分析外，一般塔架可忽略橫風向共振的作用。二、塔架單根的圓管不發生失穩式效應。在非圓截面杆件組成塔架時，臨界風速一股也在50m／s以上，因而發生的可能性比橫風向共振更少，除了重要的塔架以外，也可不進行驗算。6.2高聳結構（煙囪、塔架）的

自振週期和頻率

一、高聳結構的變形特徵

除了煙囪屬於沿高度變化而無剛強的橫隔結構(圖6-1a)以外，實際上塔架結構也屬於這種類型。塔架中由橫杆組成的橫隔結構很弱，不像高層結構樓層平面那樣剛強。在計算時，如將各層立柱也可包括斜杆折算成等效彎曲剛度EI及等效剪切剛度GA，(見圖6-1b)，則它的性能與煙囪等同。在振動時，它們的變形如圖6-1c所示，因而高聳結構的變形型式屬於彎曲型。圖6-1高聳結構的變形二、按無限自由度體系的自振週期計算

對於變截面結構，振型方程應按任意截面方程直接解出，從而求出自振頻率或週期。假定品質與成正比，剛度EI(z)與成正比。當然，實際結構是千變萬化的，如需精度極高的頻率及振型，應按結構動力學原理直接進行計算。三、按有限自由度體系的自振週期計算（1）按品質總數分散集中到點上。（2）按動能相等原則為基礎。這種按質星相等集中法，對質量數較多，例如超過3個時，精確度尚能滿足要求，但當質量數很小，例如2個甚至1個，即產生十分可觀的誤差。當按品質總值集中法集中一個品質於是臂型結構頂端時，對頻率或週期可以嚴生30.2％的誤差。

結構振動時，動能和勢能不斷改變，與品質有關的是結構的動能，品質不論採用什麼方法或途徑來改變分佈形式，只要其動能維持不變，則一般仍具有原結構的振動形式。因而動能相等原則應是改變品質分佈的主要依據。四、按能量法計算自振週期五、自振週期經驗公式6.3高聳結構的順風向彎曲回應及風振係數一、順風向平均風作用下的彎曲回應

在平均風作用下，回應(位移和內力)可由高聳結構的力學分析求得，但是如求的是位移，採用振型分解法可更為方便式中：高聳結構屬於彎曲型結構，對於變截面結構，其振型可按前述方法求得，對於等截面結構，可採用均布荷載下撓曲線為近以第l振型，即上式可寫為

將風壓高度變換係數和振型代入到前面式子中，可得各種地貌下的，製成表。二、順風向脈動風作用下的彎曲回應只要求出風振力，即可求出各種回應。點風振力一般公式為式中，（1）當沿高度不變時式中，（2）沿高度作規則變化時如果採用上面等截面計算的結果加以修正，則可得到簡單的結果，這也是荷裁規範採用的方法結構的外型尺寸可表示為：根據e=1,e>1,e<1來區別不同的外型用等截面的值來表示三、順風向風力作用下的總彎曲響應——風振係數如果採用風振係數來計算，則式中在幾何意義上，此值為高度z處迎風面寬度與底部寬度的比值6.4高聳結構橫風向共振回應由於高聳結構種類繁多，工程上只對一些簡單且在實踐中易受風破壞的結構進行分析並作計算上的簡化。我國新訂的高聳結構設計規範作了以下的筒化：（1）只針對圓形截面高聳結構，如煙囪等。（2）只驗算跨臨界範圍，非跨臨界範圍不需驗算，只通過構造措施解決。（3）只考慮等截面圓柱結構，非等截面圓錐體結構當斜率在2%以下時取2/3高度外徑為准而化為等截面圓柱結構處理。（4）共振風振理論上是從H1到H2有荷裁，考慮到H1以下振型很小，如改為0影響不大，而H2一般都超過H值，當小於H時，取H則偏於安全，因此將橫向共振的風力分佈改為全長分佈，且不考慮臨界風速沿高度的變化（5）對於懸臂型結構，只考慮第l振型的影響，多層拉繩