顺风向和横风向风阵

风荷载总结顺风向振动:用概率论的法则来描述,虽不能够定出某一时刻反应的确定值,却可以分析出该时刻取某值的保证率的可能性.横风向振动:由不稳定的空气动力引起,比较复杂,高楼和高塔影响较大.风力：风流经任意截面物体所产生的力都可以分为三个方向的分量。包括顺风向风阵PL、横风向风阵PD和扭转风阵PM。横向风阵时对称结构可忽略，但细长的高柔结构须考虑动力效应。如上图：一等截面的细长物体处于速度为v的风中，假定不考虑长度的影响，取出一单位长度的一段来进行分析。由于空气的流动，在物体表面上将产生风压。将单位面积上的风压沿物体表面积分，一般情况下将得到三个分力：单位跨度上的顺风向的阻力，横风向的升力，以及扭矩。来风在建筑物的周围会形成湍流风场,并引起建筑物一定幅度的风振振动.对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下三方面的考虑:其一,由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;例如我国现行建筑结构荷载规范中考虑了顺风向风振反应惯性力,高耸结构设计规范中同时考虑了顺风向与横风向风振反应的惯性力;其二,由于风振反应发生的频度较高,有可能使结构产生疲劳效应;其三,建筑结构的振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感,当风以一定速度吹响建筑物时，建筑物将对其产生阻塞和扰动作用，从而改变该建筑物周围风的流动特性。反过来，风的这种流动特性改变引起的空气动力效应将对结构产生作用。由于自然风的紊流特性，因此风对结构的这种作用包含了静力作用和动力作用两个方面，使结构产生相应的静力和动力响应。风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引起高层建筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承重桥梁、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，产生动力荷载，甚至引起破坏。结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚度（或柔度）、阻尼和质量特性。不同的外形将引起不同的风致动力荷载。结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。结构的阻尼越高，其风致振动的响应也就越小。风致振动减振措施研究一般也是从这四方面着手。（1）顺风向风阵计算高层建筑顺风向风效应主要是由平均风速引起的平均风压和风速脉动引起的脉动风压所导致。A.G.Davenpor等人对建筑物的顺风动态响应问题进行了理论和试验研究,基于片条理论和准定常理论建立的顺风向风振分析方法已被广泛应用。只要按照实际情况计算,即使只计入一阶实际振型,多阶振型计算方法与简化计算方法的基底剪力和层间剪力都存在明显差异;如果计入更多实际振型,差异还将继续加大。但在计入实际振型数大于2以后,两种计算方法的结果差异很小。主要原因是:简化计算方法中采用的振型函数∀1(z)是按照经验公式求得,而结构实际的振型与之有差异,这样使得两种算法在计算过程中与振型系数∀1(z)相关的各个参数值都不同,导致最后的差异。随着振型阶数的加大,高振型对顺风向风振的影响逐渐减小。主要有两个原因:第一,一般建筑结构的第一振型周期远小于风的卓越周期,高振型的周期更小,随着振型阶数的加大其影响就更小;第二,结构高振型有正负号相间出现,计算过程中可抵消一部分,随着振型阶数的加大,正负相消的影响越来越大。（2）橫风向风阵主要横风向风振机理分析一、涡旋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旋涡，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作用有周期性变化的力，作用方向与风向垂直，称为横风向作用力或升力。这是由交替涡流引起且与风向垂直的振动，按发生原因称为涡旋激振。涡旋激振基本上是伴随着旋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发生，表现出自激振动的特性。一般地，只有位于共振风速（或称临界风速）的某一特定风速范围内，振动才变得较为显著。二、驰振、颤振对于土木工程中的结构物，不象飞机、轮船那样具有棱边方角的钝体，当风作用时，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。前述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断面形状的不同而有差异，多发生于具有箱形截面种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，这种失稳式的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振力提供能量，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与建筑物背后形成的卡门涡流发生的激振无关，它与涡流振动有本质的区别。总的来说，对驰振和颤振发生机理的详细认识还值得进一步探讨，目前暂且认为这种现象是激振的一种。在理论上，对驰振和颤振的发振风速方法正处于积极的探讨研究之中。三、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接近的话，就极有可能发生抖振，故有人称抖振实际上是一种顺风向共振。国外已有人对高层建筑的抖振进行过风洞实验，结论是大致在结构物比较细长、结构阻尼比较小时的某一小部分情况下，抖振是有可能发生的，但只限于初步研究中，未见在工程上应用。现将横风向风振及特性归纳如下：日本的建筑规范，其中给出了由尾流中的漩涡脱落引起的横风向脉动风荷载计算公式与风振动力反应计算方法。对高层建筑横风向振动有影响的风速都处于跨临界风速的范围(即流动雷诺数Re≥3.5×106，与此雷诺数相应的来风平均风速下限值仅为2m/s~5m/s。事实上对结构有影响的风速远高于此下限值)。已有的风洞试验数据表明：当来风速度处于跨临界范围时，结构背后的尾流十分紊乱，但总的来说呈现有规律的漩涡脱落。在这个范围内尾流漩涡按某一固定的频率n脱落(n=Stxv/b)。v是流场中的特征风速；b是结构面迎风向宽度；St是结构斯特卢哈数，它反映了结构尾流中漩涡脱落的频率与风速和结构横向尺寸之间的关系。因此横风向脉动风压谱密度函数应为在这一频率处的窄带函数。但是由于风场的高度复杂性，建筑物背后的漩涡脱落频率也有可能是随机值而非某一固定值，其统计样本中占优势的值为与漩涡脱落对应的斯特卢哈数所对应的频率值。目前把横风向振动归因于尾流剪切层的分离与漩涡脱落过程.现有的被广泛接受的横风向激励机制为:高层建筑横风向风荷载主要来源于来流紊流激励、尾流激励和气动弹性激励3个方面，来流激励和尾流激励反映在外加气动力上,气动弹性激励反映在气动阻尼上。根据结构风振理论，结构顺风向反应主要是共振响应，而背景响涡激振动抖振强迫振动自激振动驰振涡激振动颤振应可以忽略。根据这个原理可以推知：结构横风向风振反应中，共振响应也应占主要部分。因此在低频率范围(LF公式峰值附近，St≤0.2)具体取哪一个风压谱密度函数对结构横风向风振反应加速度值的计算结果的影响不大，仅在风速较低时对位移值的计算结果影响较大。因此在风速较高时(U0≥30m/s)，在低频率范围(St≤0.2)可以仍然取文献[6]中LF计算公式的形式，也可以取式(3)。而在高频率范围(St0.2)，取式(3)当bL10=与bL1.0=时谱密度函数值的平均值。这样就不会漏失所有来风情况下的最大加速度均方根值与最大位移均方根值。由图8可以看出：采用湍流横风向脉动风压谱计算高层建筑结构的动力反应，相比采用日本规范公式来说，在经常遇到的设计风速范围(距地面10m高处风速U10=30m/s~40m/s)加速度均方根增大一倍左右，位移均方根值增加10%左右。建议对此现象进行更进一步的研究。（3）横风向等效荷载与顺风向等效荷载之间的关系按照《荷载规范》的条文说明，一般而言，建筑高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑可出现较为明显的横风向效应，确定横风向效应的方法可以采用风洞试验或者按照规范提供方法计算。当采用规范方法计算时，顺风向与横风向分别采用不同的计算公式，其中横风向风振等效风压lkw按式(1)计算。顺风向风荷载与横风向风荷载以及后面的扭转风振荷载一般是同时存在的，上述顺风向与横风向的计算公式分别是两个方向的最大风压值，但三种风荷载的最大值并不一定同时出现，因此在工程中应该考虑各方向等效荷载之间的组合，即规范中表8.5.6。需要特别强调的是，这一点与风洞试验得到的风荷载有本质区别，在风洞试验中得到的每个方向的荷载数据同时包含了顺风向分量，横风向分量和扭转分量，三个分量是同时发生的，因此不存上述组合问题。4、顺风、横风、扭风对结构设计的影响○1基本组合前面已经提到，按荷载规范附录方法计算的顺风向、横风向风振与扭转风振三个方向荷载均是最大值。但在实际情况中，三个方向的的最大值并不一定同时发生，因此应合理考虑三个方向的组合问题。按照荷载规范表8.5.6所示风荷载组合工况如下:工况顺风向风荷载横风向风振等效风荷载扭转风振等效风荷载1DkF--2Dk6.0FLkF-3--TkT上述组合由软件在设计中自动完成。○2变形控制根据《高规》4.2.6，考虑横风向风振或扭转风振影响时，结构顺风向及横风向的侧向位移应分别符合3.7.3条中有关位移的规定。同时在条文说明中指出：横风向效应与顺风向效应是同时发生的，因此必须考虑两者的效应组合。对于结构侧向位移控制，仍可按同时考虑横风向与顺风向影响后的计算方向位移确定，不必考虑矢量和的方向控制结构的层间位移。如要完全考虑顺风向与横风向的组合，除了原有的顺风向下位移结果外，还需要考虑如下四种情况：LKDkLKDk6.06.0FFFF在软件中，独立给出顺风向风振与横风向风振两者的位移结果。