橫風(fēng)向風(fēng)力性質(zhì)

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1、橫風(fēng)向風(fēng)力的性質(zhì)一．作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力類型。作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力一般可表示為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和風(fēng)扭力矩，如下圖結(jié)構(gòu)在上述三種力作用下，可以發(fā)生以下三種類型的振動(dòng)：1.順風(fēng)向彎剪振動(dòng)或彎扭耦合振動(dòng)2.橫風(fēng)向風(fēng)力下渦流脫落振動(dòng)3.空氣動(dòng)力失穩(wěn)(弛振、顫振)其中，后兩項(xiàng)與橫風(fēng)向風(fēng)力有關(guān)，對(duì)于后兩項(xiàng)給出詳細(xì)說明：橫風(fēng)向風(fēng)力下渦流脫落振動(dòng)：當(dāng)風(fēng)吹向結(jié)構(gòu)，可在結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生旋渦，當(dāng)旋渦脫落不對(duì)稱時(shí)，可在橫風(fēng)向產(chǎn)生橫風(fēng)向風(fēng)力，所以橫風(fēng)向振動(dòng)在任意風(fēng)力情況下都能發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象。在抗風(fēng)計(jì)算時(shí)，除了必須注意第一類振動(dòng)外，還必須同時(shí)考慮第二類振動(dòng)現(xiàn)象。特別是，當(dāng)旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)某一自振

2、頻率時(shí)，可產(chǎn)生共振現(xiàn)象，即使在考慮阻尼存在的情況下，仍將產(chǎn)生比橫向風(fēng)力大十倍甚至幾十倍的效應(yīng)，必須給予高度重視?？諝鈩?dòng)力失穩(wěn)：結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)力甚至風(fēng)扭力矩的作用下，當(dāng)有微小風(fēng)力攻角時(shí)，在某種截面形式下，這些風(fēng)力可以產(chǎn)生負(fù)號(hào)阻尼效應(yīng)的力。如果結(jié)構(gòu)阻尼小于這些力，則結(jié)構(gòu)將處在總體負(fù)阻尼效應(yīng)中，振動(dòng)將不能隨著時(shí)間增長而逐漸衰減，卻反而不斷增長，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。這時(shí)的起點(diǎn)風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速，這種振動(dòng)猶如壓桿失穩(wěn)一樣，但受到的不是軸心壓力，而是風(fēng)力，所以常稱為空氣動(dòng)力失穩(wěn)，空氣動(dòng)力失穩(wěn)在工程上視為是必須避免發(fā)生的一類振動(dòng)現(xiàn)象。二．結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)當(dāng)建筑物受到風(fēng)力作用時(shí)，

3、不但順風(fēng)向可能發(fā)生風(fēng)振，而且在一定條件下，也能發(fā)生橫風(fēng)向的風(fēng)振。橫風(fēng)向風(fēng)振都是由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力形成，其性質(zhì)遠(yuǎn)比順風(fēng)向更為復(fù)雜，其中包括旋渦脫落Vortexshedding、馳振Galloping、顫振Flutter、擾振Buffeting等空氣動(dòng)力現(xiàn)象。引起結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)迫振動(dòng)的兩個(gè)主要原因是：尾部激勵(lì)(旋渦脫落)引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)；橫風(fēng)向風(fēng)紊流(側(cè)向脈動(dòng)風(fēng))引起結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)。除此之外當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心不重合時(shí)，結(jié)構(gòu)順風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)動(dòng)力風(fēng)荷載也能引起結(jié)構(gòu)上的橫風(fēng)向振動(dòng)。風(fēng)紊流引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)一般影響不大，計(jì)算分析方法與順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算分析雷同。當(dāng)然對(duì)于柔性橋梁、大型屋

4、蓋這類結(jié)構(gòu)需要考慮橫風(fēng)向（豎向）脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)。在工程中絕大部分結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)的主要原因是尾部激勵(lì)。1．圓形截面細(xì)高結(jié)構(gòu)的旋渦干擾風(fēng)振響應(yīng)對(duì)于圓形截面結(jié)構(gòu)的尾部激勵(lì)和來流的雷諾數(shù)密切相關(guān)，因此我們必須先判斷結(jié)構(gòu)旋渦干擾的形式。根據(jù)超臨界和跨臨界范圍雷諾數(shù)的界限為3.5×106,得到相應(yīng)的風(fēng)速界限：VL=3.5×106/69000B=50.72/B式中，B為圓截面的直徑。高層結(jié)構(gòu)B一般大于20m，因此界限風(fēng)速為2.54m/s，顯然結(jié)構(gòu)的絕大部分大于此值，所以橫風(fēng)向作用主要是跨臨界范圍的周期性干擾力。實(shí)驗(yàn)表明，在這種情況下，當(dāng)旋渦脫落頻率在高度某處與結(jié)構(gòu)的某個(gè)頻率接近時(shí)，結(jié)

5、構(gòu)將會(huì)突然產(chǎn)生大振幅的共振鎖定現(xiàn)象，形成共振鎖定區(qū)。其相關(guān)計(jì)算如下：共振臨界風(fēng)速：VC=5B/TVC≥50.72/B旋渦脫落頻率鎖定區(qū)的確定下界H1H1=10上界H2H2=102.旋渦隨機(jī)脫落干擾橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)當(dāng)作用在圓截面結(jié)構(gòu)來流的雷諾數(shù)在超臨界范圍時(shí)，或當(dāng)非圓截面結(jié)構(gòu)在來流發(fā)生附面層分離時(shí)，旋渦都會(huì)發(fā)生隨機(jī)性脫落。對(duì)于圓形截面柱體結(jié)構(gòu)，由于其響應(yīng)比跨臨界小很多，通常忽略不計(jì)。對(duì)于非圓截面的建筑物，特別是窄、高、柔的高層結(jié)構(gòu)，橫風(fēng)向旋渦隨機(jī)脫落干擾響應(yīng)可能超過順風(fēng)向響應(yīng)。其規(guī)律更為復(fù)雜，國外的風(fēng)荷載規(guī)范逐漸趨向于也按隨機(jī)振動(dòng)的理論建立計(jì)算模型，目前，對(duì)重要的柔性結(jié)構(gòu)，應(yīng)

6、在風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。附：建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中關(guān)于橫風(fēng)向風(fēng)振的規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009—2001Loadcodeforthedesignofbuildingstructures7.6橫風(fēng)向風(fēng)振7.6.1當(dāng)建筑物受到風(fēng)力作用時(shí)，不但順風(fēng)向可能發(fā)生風(fēng)振，而且在一定條件下，也能發(fā)生橫風(fēng)向的風(fēng)振。橫風(fēng)向風(fēng)振都是由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力形成，其性質(zhì)遠(yuǎn)比順風(fēng)向更為復(fù)雜，其中包括旋渦脫落Vortexshedding、馳振Galloping、顫振Flutter、擾振Buffeting等空氣動(dòng)力現(xiàn)象。對(duì)圓截面柱體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生旋渦脫落時(shí)，若脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相符，將出現(xiàn)共振。大量

7、試驗(yàn)表明，旋渦脫落頻率fs與風(fēng)速υ成正比，與截面的直徑D成反比。同時(shí)，雷諾數(shù)Re=vυ/D(v為空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，約為1.45×10-5m2/s)和斯脫羅哈數(shù)St=υf/Ds在識(shí)別其振動(dòng)規(guī)律方面有重要意義。當(dāng)風(fēng)速較低，即Re≤3×105時(shí)，一旦fs與結(jié)構(gòu)自振頻率相符，即發(fā)生亞臨界的微風(fēng)共振，對(duì)圓截面柱體，St≈0.2；當(dāng)風(fēng)速增大而處于超臨界范圍，即3×105≤Re<3.5×106時(shí)，旋渦脫落沒有明顯的周期，結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)也呈隨機(jī)性；當(dāng)風(fēng)更大，Re≥3.5×106，即進(jìn)入跨臨界范圍，重新出現(xiàn)規(guī)則的周期性旋渦脫落，一旦與結(jié)構(gòu)自振頻