风的分析模型研究综述.pdfVIP

第九届全国现代结构工程学术研讨会 风的分析模型研究综述 陈进于 钱若军 袁行飞 (同济大学土木工程学院，上海200092)(浙江大学土木工程学院，杭州3l0027) 提要：抗风问题越来越受到结构工作者的重视。本文系统回顾了国内外关于传统风工程理论研究领域的现状和进展，主 要涉及等效风荷载、风振系数、随机风、气动弹性和风洞等方面，阐述了风工程理论的发展历程，最后提出基于流 体力学理论的风分析模型。 关键词：风荷载，风振系数，气动弹性，脉动风 一、引言 近年来，风尤其是特大的强台风或飓风对建筑结构、桥梁结构造成很大危害，例如2005年美国的“卡 特里娜”在瞬间使得美国这个超级强国遭受数千人的伤亡以及将近两百亿美元的损失。在建筑结构设计方 面，我国陆家嘴是世界上超高层建筑最为集中的地方，上海又是一个台风多发地，并且各种高层结构错综 复杂，错落盘根在一起，有可能形成变幻莫测的楼群风，这对科学工作者提出了一系列新的挑战。对此必 须对风以及风对结构的响应方面作深入的理论研究。研究涉及到两个方面，一是对风的成因、风的描述及 模型的研究；二是关于各类结构物在风作用下的响应。这里对风的准确描述和模型的抽象是非常重要的， 因为这涉及到对结构进行准确和精确的分析，对结构分析时盲目地放大荷载并不能真正达到安全的目的。 因为风不是一个静止不变的作用，也不是数值上的恒定作用，必须要认识到风与结构存在的耦合作用。因 此从气象学、工程理论和流固耦合理论等不同角度对风进行模型抽象的研究是十分必要的。作者在本文中 根据近二三十年来国内外学者对风的不同研究进行比较分析以探索对风研究的方法。本文的目的主要是通 过风荷载和风模型的比较研究，了解其相关的研究过程，以便对风荷载和风的分析模型做一更加精确的分 析。 二、基于工程理论的风作用描述 (一)风振系数 传统上是将风作为一种荷载直接作用在结构上的。最初基本的考虑是将风作为一种静载，通过一种稳 态流的风洞试验来确定结构物表面的风振系数，对于常规的形状简单的结构物，给出不同的风的体型系数， 并列入荷载规范。但是风对结构物不仅仅是一种静态的作用，而是一种动态的作用，会激发出结构的振动， 因此在传统的分析中将风的动力作用简单地用一个系数来表示，这就是风振系数的由来。 风振系数一般可以分为荷载风振系数和位移风振系数…。如果风振系数是针对平均风荷载，则为荷载 风振系数；如果是针对响应如顶点位移，则为位移风振系数。 而在中国规范旧1中，风振系数表达如下： 纠+警 ㈩ 式中，孝表示脉动增大系数，y表示脉动影响系数，霞表示结构的体型系数，以则表示风压高度变 工业建筑2009增刊 第九届全国现代结构工程学术研讨会 化系数。为了便于应用，这一系列参数均为无量纲参数，并且制作成表格以供工程师查看。实际上中国 规范采用的是以脉动增大系数孝来反映顺风向脉动风振系数的表达形式。而在北美多采用以背景部分系 数B和共振部分系数R来反映脉动风风振系数的表达形式： ●●。-。-。。I。-1。。。一 G=1+29l,√晟+R (2) 式中E和冠分别表示背景部分系数和共振部分系数。 遗憾的是限于当时技术条件的不足，中国荷载规范中只介绍了关于高层(高耸结构)的风振系数， 而对大跨空间结构的风振系数却没有涉及，并且对高层结构也只涉及到了第一振型的影响。 (二)等效风荷载 所谓等效静力风荷载是指将该荷载以静力形式作用在结构时产生的响应与实际风荷载产生的动力响 应相同u儿副。等效风荷载设计方法以随机振动理论为基础，以阵风荷载因子为核心，是高层结构等效静力 风荷载研究的经典方法，同时也为建筑结构等效静力风荷载研究提供了基本理论框架。该方法经过几十年 的发展，到目前为止，大体上可以分为三个主要阶段，分别为阵风荷载因子法(GL