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风对建筑物的相互作用及其风效应 1 建筑物结构反应 风。地球层的空气流动。风作用在建筑物上有可能在建筑物中产生较大的结构反应。对建筑物来讲, 尽管风的作用没有地震那么强烈, 但由于风的作用极为频繁, 实际上因风对建筑物产生的灾害比地震灾害大得多。 2 结构风场的风荷载作用机理 对于风场中的建筑物, 风对建筑物的作用力总体上可分为:在建筑物的迎风面产生压力 (气体流动产生的阻力) , 包括静压力和动压力;在横风向产生横风向干扰力 (气体流动产生的升力) ;空气流经建筑物后产生的涡流干扰力 (包括背风向的吸力) 。这些风荷载随着风的速度、风的方向、风本身的结构及作用的建筑物的体型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化, 而建筑物在风荷载作用下产生的运动反过来又会影响风场的分布状况, 这种相互作用使风荷载更加复杂。一般来说, 风对建筑物的作用有以下特点: (1) 风对建筑物的作用力包含静力部分和动力部分, 且分布不均匀, 随作用的位置不同而变化; (2) 风对建筑物的作用与建筑物的几何外形有直接关系, 主要指建筑物的体型和截面的几何外形; (3) 风对建筑物的作用受建筑物周围的环境影响较大。周围环境的不同会对风场的分布影响很大; (4) 与地震相比较, 风力作用持续时间较长, 有时甚至几个小时, 同时作用也频繁。 对于建筑结构来说, 其风效应包括:结构的平均风静力反应、脉动风振反应、旋涡干扰风振反应及结构的自激振动反应。 (1) 结构的平均风静力效应:由于平均风变化缓慢周期很大, 可等效为静态作用来处理, 用结构静力学的方法分析, 也就是在计算出风荷载后来分析结构的内力、变形等, 必要时分析其稳定性。 (2) 结构顺风向的风振响应:是在平均风和脉动风共同作用下产生的。它与结构的基本自振周期有关, 结构越柔, 基本周期越长, 顺风向动力响应就越大。 (3) 结构横向风的风振响应: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;横风向风紊流 (侧向脉动风) 引起的结构横向风振动。对于圆形截面柱体结构, 由于其响应比跨临界共振响应小得多, 通常忽略不计。对于非圆形截面的建筑物, 特别是窄、高、柔的高层建筑, 横风向旋涡随机脱落干扰响应可能超过顺风向响应, 因此必须引起重视。 (4) 对于圆柱体细长结构, 风致扭转振动响应很小, 通常忽略不计。但对于片状结构, 矩形高层结构, 其风致扭转振动响应相当大。引起这种响应的原因有: a.结构横截面质心与刚心不重合, 因而会引起结构的顺风向、横风向与扭转响应的耦联, 这时顺风向与横风向动力风荷载都能引起结构的扭转振动响应。 b.结构的质心与空气动力中心不重合, 这时顺风向与横风向动力风荷载都能对截面质心产生扭转振动响应。 c.风紊流引起的脉动风压在结构周边的不均匀分布形成随机脉动扭转。 d.旋涡的随机发放使结构背面和侧面的风压不对称干扰而引起扭转振动响应。 (5) 动力风荷载使结构产生振动, 结构的振动又反作用于风, 从而使结构上的风力随着结构的运动速度的改变而改变, 这种与结构运动相关的动力风荷载引起的振动被称为自激振动。当结构在强风作用下其自激振动与结构的阻尼力之和可能为负值, 从而使结构振动的振幅越来越大, 直至使结构产生严重的破坏。这种破坏现象称为结构的空气动力失稳。空气动力失稳主要有两种:由弯曲或扭转单独为主产生的失稳称为驰振;弯扭耦合产生的失稳称为颤振。 3 结构的特性不同 总结前面对于风作用的理论和分析, 同地震作用进行以下大致的比较: 从上面的表格比较可以明了, 作为高层建筑结构设计的主要水平作用-风和地震, 它们既有区别又有联系。结构自身的振动特性 (刚度、质量、周期、振型、阻尼比等) 对二者有重要影响;虽然都会产生结构的振动, 但是二者的振动特性是不同的 (持时、卓越周期、振动效果等) ;从计算的角度, 由于地震烈度区域和场地的划分, 使得地震作用得以确定, 然而风作用的脉动风部分却必须采用随机理论进行计算;对于风作用而言, 不同于地震作用:建筑物体型和所处建筑环境还有重要影响。 4 风荷载作用下的结构抗风设计 风荷载是高层建筑结构的主要侧向荷载之一, 在非地震区和沿海地带, 风荷载又常常成为结构设计的控制荷载。随着高强轻质材料的发展, 高层建筑也朝轻质、高柔、小阻尼方向发展, 钢结构的超高层建筑越来越多。这些高层建筑的抗风设计在其结构设计中占十分重要的地位。根据风对建筑物造成的破坏来分析, 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, 也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求, 确保建筑物在风力作用下不会产生倒塌、开裂和残余变