風(fēng)對(duì)建筑物的相互作用及其風(fēng)效應(yīng)

1建筑物結(jié)構(gòu)反應(yīng)風(fēng)。地球?qū)拥目諝饬鲃?dòng)。風(fēng)作用在建筑物上有可能在建筑物中產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。對(duì)建筑物來(lái)講,盡管風(fēng)的作用沒有地震那么強(qiáng)烈,但由于風(fēng)的作用極為頻繁,實(shí)際上因風(fēng)對(duì)建筑物產(chǎn)生的災(zāi)害比地震災(zāi)害大得多。2結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)荷載作用機(jī)理對(duì)于風(fēng)場(chǎng)中的建筑物,風(fēng)對(duì)建筑物的作用力總體上可分為:在建筑物的迎風(fēng)面產(chǎn)生壓力(氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力),包括靜壓力和動(dòng)壓力;在橫風(fēng)向產(chǎn)生橫風(fēng)向干擾力(氣體流動(dòng)產(chǎn)生的升力);空氣流經(jīng)建筑物后產(chǎn)生的渦流干擾力(包括背風(fēng)向的吸力)。這些風(fēng)荷載隨著風(fēng)的速度、風(fēng)的方向、風(fēng)本身的結(jié)構(gòu)及作用的建筑物的體型、面積、高度、作用的位置和時(shí)間不停地變化,而建筑物在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)的分布狀況,這種相互作用使風(fēng)荷載更加復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō),風(fēng)對(duì)建筑物的作用有以下特點(diǎn):(1)風(fēng)對(duì)建筑物的作用力包含靜力部分和動(dòng)力部分,且分布不均勻,隨作用的位置不同而變化;(2)風(fēng)對(duì)建筑物的作用與建筑物的幾何外形有直接關(guān)系,主要指建筑物的體型和截面的幾何外形;(3)風(fēng)對(duì)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(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的分布影響很大;(4)與地震相比較,風(fēng)力作用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),有時(shí)甚至幾個(gè)小時(shí),同時(shí)作用也頻繁。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),其風(fēng)效應(yīng)包括:結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)靜力反應(yīng)、脈動(dòng)風(fēng)振反應(yīng)、旋渦干擾風(fēng)振反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)反應(yīng)。(1)結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)靜力效應(yīng):由于平均風(fēng)變化緩慢周期很大,可等效為靜態(tài)作用來(lái)處理,用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法分析,也就是在計(jì)算出風(fēng)荷載后來(lái)分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形等,必要時(shí)分析其穩(wěn)定性。(2)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng):是在平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)共同作用下產(chǎn)生的。它與結(jié)構(gòu)的基本自振周期有關(guān),結(jié)構(gòu)越柔,基本周期越長(zhǎng),順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)就越大。(3)結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)的風(fēng)振響應(yīng):引起結(jié)構(gòu)橫風(fēng)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))引起的結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)振動(dòng)。對(duì)于圓形截面柱體結(jié)構(gòu),由于其響應(yīng)比跨臨界共振響應(yīng)小得多,通常忽略不計(jì)。對(duì)于非圓形截面的建筑物,特別是窄、高、柔的高層建筑,橫風(fēng)向旋渦隨機(jī)脫落干擾響應(yīng)可能超過(guò)順風(fēng)向響應(yīng),因此必須引起重視。(4)對(duì)于圓柱體細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)很小,通常忽略不計(jì)。但對(duì)于片狀結(jié)構(gòu),矩形高層結(jié)構(gòu),其風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)相當(dāng)大。引起這種響應(yīng)的原因有:a.結(jié)構(gòu)橫截面質(zhì)心與剛心不重合,因而會(huì)引起結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向、橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的耦聯(lián),這時(shí)順風(fēng)向與橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載都能引起結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。b.結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與空氣動(dòng)力中心不重合,這時(shí)順風(fēng)向與橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載都能對(duì)截面質(zhì)心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。c.風(fēng)紊流引起的脈動(dòng)風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)周邊的不均勻分布形成隨機(jī)脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)。d.旋渦的隨機(jī)發(fā)放使結(jié)構(gòu)背面和側(cè)面的風(fēng)壓不對(duì)稱干擾而引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。(5)動(dòng)力風(fēng)荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又反作用于風(fēng),從而使結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力隨著結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度的改變而改變,這種與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的動(dòng)力風(fēng)荷載引起的振動(dòng)被稱為自激振動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下其自激振動(dòng)與結(jié)構(gòu)的阻尼力之和可能為負(fù)值,從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振幅越來(lái)越大,直至使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。這種破壞現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力失穩(wěn)?？諝鈩?dòng)力失穩(wěn)主要有兩種:由彎曲或扭轉(zhuǎn)單獨(dú)為主產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為馳振;彎扭耦合產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為顫振。3結(jié)構(gòu)的特性不同總結(jié)前面對(duì)于風(fēng)作用的理論和分析,同地震作用進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要水平作用-風(fēng)和地震,它們既有區(qū)別又有聯(lián)系。結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)特性(剛度、質(zhì)量、周期、振型、阻尼比等)對(duì)二者有重要影響;雖然都會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng),但是二者的振動(dòng)特性是不同的(持時(shí)、卓越周期、振動(dòng)效果等);從計(jì)算的角度,由于地震烈度區(qū)域和場(chǎng)地的劃分,使得地震作用得以確定,然而風(fēng)作用的脈動(dòng)風(fēng)部分卻必須采用隨機(jī)理論進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于風(fēng)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(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)的主要側(cè)向荷載之一,在非地震區(qū)和沿海地帶,風(fēng)荷載又常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載。隨著高強(qiáng)輕質(zhì)材料的發(fā)展,高層建筑也朝輕質(zhì)、高柔、小阻尼方向發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的超高層建筑越來(lái)越多。這些高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占十分重要的地位。根據(jù)風(fēng)對(duì)建筑物造成的破壞來(lái)分析,抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求必須保證結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中不出現(xiàn)破壞等現(xiàn)象,主要涉及以下幾個(gè)方面:(1)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在風(fēng)荷載和其他荷載的共同作用下內(nèi)力必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求,確保建筑物在風(fēng)力作用下不會(huì)產(chǎn)生倒塌、開裂和殘余變形等破壞現(xiàn)象,以保證結(jié)構(gòu)的安全。(2)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足剛度設(shè)計(jì)要求,也就是說(shuō)要使結(jié)構(gòu)的位移或者相對(duì)位移滿足有關(guān)的規(guī)范要求,以防止建筑物在風(fēng)力的作用下引起隔墻開裂、建筑裝飾和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因位移過(guò)大而損壞。根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形響應(yīng)主要作以下兩方面的限制:限制結(jié)構(gòu)的頂端水平位移u與總高度H的比值(u/H),目的是控制結(jié)構(gòu)的總變形量;限制相鄰兩層樓蓋間的相對(duì)水平位移Δu與層高h(yuǎn)的比值(Δu/h),目的是防止填充墻、裝飾構(gòu)件的損壞。(3)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足舒適度設(shè)計(jì)要求,以防止居住者在風(fēng)力作用下引起的擺動(dòng)造成的不舒適。影響人體感覺不舒適的主要因素有振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。一般采用限制結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的方法來(lái)滿足舒適度的設(shè)計(jì)要求。(4)為防止風(fēng)力對(duì)外墻、玻璃、女兒墻及其他裝飾構(gòu)件的局部損壞,也必須對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。(5)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足疲勞破壞設(shè)計(jì)要求。風(fēng)振引起高層建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞是高周疲勞累積損傷的結(jié)果。根據(jù)以上思路,高層建筑的抗風(fēng)計(jì)算主要包括以下幾方面的內(nèi)容:(1)風(fēng)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(guò)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行確定與反映,也可通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行比對(duì)校核。(2)順風(fēng)向響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù);它是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算必須考慮的效應(yīng)。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(jié)構(gòu),可按照規(guī)范提供的公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)多振型的分析須依賴于計(jì)算手段的提高與完善。(3)橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng);高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)主要來(lái)自于旋渦脫落。大量的風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果都表明對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō),橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)常常大于順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)。對(duì)于渦激振動(dòng)引起的高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振反應(yīng),目前還沒有成熟的解析解法,風(fēng)工程界常用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算高層建筑頂部的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)。(4)扭轉(zhuǎn)風(fēng)振響應(yīng);高層建筑的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振,主要是由于質(zhì)心與剛心的偏心、質(zhì)心與形心的偏心以及風(fēng)紊流與尾流引起的脈動(dòng)風(fēng)壓合力在截面上作用的位置的變化而引起的。(5)風(fēng)荷載作用下的舒適度分析;在風(fēng)力作用下,高層結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。在振動(dòng)到達(dá)某一限值時(shí),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(dòng)效應(yīng)分析,稱為舒適度分析。研究表明,舒適度與結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振幅、頻率均有關(guān),兩者到達(dá)某一關(guān)系時(shí)形成居住者的不舒適感。彎曲振動(dòng)時(shí),起決定作用的是所考慮點(diǎn)的最大加速度值;扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí),起影響作用的是扭轉(zhuǎn)角速度。故舒適度應(yīng)通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)參數(shù)的控制予以滿足,國(guó)外的一些規(guī)范對(duì)以上參數(shù)有相應(yīng)的限值規(guī)定,我國(guó)規(guī)范對(duì)此尚未有明確的要求。5結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)構(gòu)設(shè)