風對建筑物的相互作用及其風效應

風對建筑物的相互作用及其風效應

1建筑物結構反應風。地球層的空氣流動。風作用在建筑物上有可能在建筑物中產生較大的結構反應。對建筑物來講,盡管風的作用沒有地震那么強烈,但由于風的作用極為頻繁,實際上因風對建筑物產生的災害比地震災害大得多。2結構風場的風荷載作用機理對于風場中的建筑物,風對建筑物的作用力總體上可分為:在建筑物的迎風面產生壓力(氣體流動產生的阻力),包括靜壓力和動壓力;在橫風向產生橫風向干擾力(氣體流動產生的升力);空氣流經建筑物后產生的渦流干擾力(包括背風向的吸力)。這些風荷載隨著風的速度、風的方向、風本身的結構及作用的建筑物的體型、面積、高度、作用的位置和時間不停地變化,而建筑物在風荷載作用下產生的運動反過來又會影響風場的分布狀況,這種相互作用使風荷載更加復雜。一般來說,風對建筑物的作用有以下特點:(1)風對建筑物的作用力包含靜力部分和動力部分,且分布不均勻,隨作用的位置不同而變化;(2)風對建筑物的作用與建筑物的幾何外形有直接關系,主要指建筑物的體型和截面的幾何外形;(3)風對建筑物的作用受建筑物周圍的環(huán)境影響較大。周圍環(huán)境的不同會對風場的分布影響很大;(4)與地震相比較,風力作用持續(xù)時間較長,有時甚至幾個小時,同時作用也頻繁。對于建筑結構來說,其風效應包括:結構的平均風靜力反應、脈動風振反應、旋渦干擾風振反應及結構的自激振動反應。(1)結構的平均風靜力效應:由于平均風變化緩慢周期很大,可等效為靜態(tài)作用來處理,用結構靜力學的方法分析,也就是在計算出風荷載后來分析結構的內力、變形等,必要時分析其穩(wěn)定性。(2)結構順風向的風振響應:是在平均風和脈動風共同作用下產生的。它與結構的基本自振周期有關,結構越柔,基本周期越長,順風向動力響應就越大。(3)結構橫向風的風振響應:引起結構橫風向強迫振動的兩個主要原因是:尾部激勵(旋渦脫落)引起的結構橫風向振動;橫風向風紊流(側向脈動風)引起的結構橫向風振動。對于圓形截面柱體結構,由于其響應比跨臨界共振響應小得多,通常忽略不計。對于非圓形截面的建筑物,特別是窄、高、柔的高層建筑,橫風向旋渦隨機脫落干擾響應可能超過順風向響應,因此必須引起重視。(4)對于圓柱體細長結構,風致扭轉振動響應很小,通常忽略不計。但對于片狀結構,矩形高層結構,其風致扭轉振動響應相當大。引起這種響應的原因有:a.結構橫截面質心與剛心不重合,因而會引起結構的順風向、橫風向與扭轉響應的耦聯(lián),這時順風向與橫風向動力風荷載都能引起結構的扭轉振動響應。b.結構的質心與空氣動力中心不重合,這時順風向與橫風向動力風荷載都能對截面質心產生扭轉振動響應。c.風紊流引起的脈動風壓在結構周邊的不均勻分布形成隨機脈動扭轉。d.旋渦的隨機發(fā)放使結構背面和側面的風壓不對稱干擾而引起扭轉振動響應。(5)動力風荷載使結構產生振動,結構的振動又反作用于風,從而使結構上的風力隨著結構的運動速度的改變而改變,這種與結構運動相關的動力風荷載引起的振動被稱為自激振動。當結構在強風作用下其自激振動與結構的阻尼力之和可能為負值,從而使結構振動的振幅越來越大,直至使結構產生嚴重的破壞。這種破壞現(xiàn)象稱為結構的空氣動力失穩(wěn)。空氣動力失穩(wěn)主要有兩種:由彎曲或扭轉單獨為主產生的失穩(wěn)稱為馳振;彎扭耦合產生的失穩(wěn)稱為顫振。3結構的特性不同總結前面對于風作用的理論和分析,同地震作用進行以下大致的比較:從上面的表格比較可以明了,作為高層建筑結構設計的主要水平作用-風和地震,它們既有區(qū)別又有聯(lián)系。結構自身的振動特性(剛度、質量、周期、振型、阻尼比等)對二者有重要影響;雖然都會產生結構的振動,但是二者的振動特性是不同的(持時、卓越周期、振動效果等);從計算的角度,由于地震烈度區(qū)域和場地的劃分,使得地震作用得以確定,然而風作用的脈動風部分卻必須采用隨機理論進行計算;對于風作用而言,不同于地震作用:建筑物體型和所處建筑環(huán)境還有重要影響。4風荷載作用下的結構抗風設計風荷載是高層建筑結構的主要側向荷載之一,在非地震區(qū)和沿海地帶,風荷載又常常成為結構設計的控制荷載。隨著高強輕質材料的發(fā)展,高層建筑也朝輕質、高柔、小阻尼方向發(fā)展,鋼結構的超高層建筑越來越多。這些高層建筑的抗風設計在其結構設計中占十分重要的地位。根據(jù)風對建筑物造成的破壞來分析,抗風設計要求必須保證結構在使用過程中不出現(xiàn)破壞等現(xiàn)象,主要涉及以下幾個方面:(1)結構抗風設計必須滿足強度設計要求,也就是說結構的構件在風荷載和其他荷載的共同作用下內力必須滿足強度設計的要求,確保建筑物在風力作用下不會產生倒塌、開裂和殘余變形等破壞現(xiàn)象,以保證結構的安全。(2)結構抗風設計必須滿足剛度設計要求,也就是說要使結構的位移或者相對位移滿足有關的規(guī)范要求,以防止建筑物在風力的作用下引起隔墻開裂、建筑裝飾和非結構構件因位移過大而損壞。根據(jù)現(xiàn)行設計規(guī)范,對于高層建筑結構在風荷載作用下的變形響應主要作以下兩方面的限制:限制結構的頂端水平位移u與總高度H的比值(u/H),目的是控制結構的總變形量;限制相鄰兩層樓蓋間的相對水平位移Δu與層高h的比值(Δu/h),目的是防止填充墻、裝飾構件的損壞。(3)結構抗風設計必須滿足舒適度設計要求,以防止居住者在風力作用下引起的擺動造成的不舒適。影響人體感覺不舒適的主要因素有振動頻率、振動加速度和振動持續(xù)時間。一般采用限制結構振動加速度的方法來滿足舒適度的設計要求。(4)為防止風力對外墻、玻璃、女兒墻及其他裝飾構件的局部損壞,也必須對這些構件進行合理設計。(5)結構抗風設計應滿足疲勞破壞設計要求。風振引起高層建筑結構或構件的疲勞破壞是高周疲勞累積損傷的結果。根據(jù)以上思路,高層建筑的抗風計算主要包括以下幾方面的內容:(1)風荷載體型系數(shù)及周圍環(huán)境的影響;目前最常用也最為有效的方法仍為通過模型的風洞試驗進行確定與反映,也可通過數(shù)值模擬進行比對校核。(2)順風向響應與風振系數(shù);它是結構抗風計算必須考慮的效應。荷載規(guī)范中僅給出了一些第一振型影響明顯起主要作用的結構,可按照規(guī)范提供的公式進行計算。對多振型的分析須依賴于計算手段的提高與完善。(3)橫風向風振響應;高層建筑的橫風向風振響應主要來自于旋渦脫落。大量的風洞試驗和實測結果都表明對于超高層建筑來說,橫風向的風振響應常常大于順風向的風振響應。對于渦激振動引起的高層建筑橫風向風振反應,目前還沒有成熟的解析解法,風工程界常用經驗公式來估算高層建筑頂部的橫風向風振響應。(4)扭轉風振響應;高層建筑的扭轉風振,主要是由于質心與剛心的偏心、質心與形心的偏心以及風紊流與尾流引起的脈動風壓合力在截面上作用的位置的變化而引起的。(5)風荷載作用下的舒適度分析;在風力作用下,高層結構發(fā)生振動。在振動到達某一限值時,人們開始出現(xiàn)不適的感覺。這種就居住者舒適感而言的振動效應分析,稱為舒適度分析。研究表明,舒適度與結構在風荷載作用下的振幅、頻率均有關,兩者到達某一關系時形成居住者的不舒適感。彎曲振動時,起決定作用的是所考慮點的最大加速度值;扭轉振動時,起影響作用的是扭轉角速度。故舒適度應通過對以上兩個參數(shù)的控制予以滿足,國外的一些規(guī)范對以上參數(shù)有相應的限值規(guī)定,我國規(guī)范對此尚未有明確的要求。5結構動力分析結構設