风灾害及防风减灾对策

1、风灾害与防风减灾对策风的基本概念与类型风是大气层中空气的运动。由于地球表面不同地区的大气层所吸收的太阳 能量不同，造成了各地空气温度的差异，从而产生气压差。气压差驱动空气从 气压高的地方向气压低的地方流动，这就形成了风。自然界中产生荧害的常见风包括热带气旋、季风和龙卷风等。热带气旋热带气旋是发生在热带海洋上的大气漩涡，是热带低压、热带风暴、台风 或飓风的总称。热带气旋中心附近的平均最大风力小于8级的风称为热带低 压；热带气旋中心附近的平均最大风力为89级的风称为热带风暴；热带气 旋中心附近的平均最大风力为1011级的风称为强热带风暴；热带气旋中心 附近的平均最大风力为12级或12级以上的风称为

2、台风或飓风。事实上，几乎世界上位于大洋西岸的所有国家和地区，无不受热带海洋气 旋的影响，只不过在不同的地区人们给它的名称不同罢了。在西北太平洋和南 海一带的称台风，在大西洋、加勒比海、墨西哥湾以及东太平洋等地区的称飓 风，在印度洋和孟加拉湾的称热带风暴，在澳大利亚的则称热带气旋。我国从1959年起开始采用对台风编号的方法。凡是东经150。以西、赤道 以北的太平洋和南海地区范围内有台风形成或侵入，就按照它出现的先后，依 次进行编号。例如，1999年发生的第一次台风，编为9901,第二次台风，编 为9902依此类推。这种对台风编号的办法，目前已被许多国家和地区的 气象台采用。有的国家考虑到国际上台

3、风英文名称沿用已久的习惯，除了编号 以外,还同时标明该次台风的英文名称。我国于2000年开始也采用该台风命 名方式。热带气旋的形成随地区不同而异，它主要是由太阳辐射在洋面所产生的大168第5章风灾害与防风减灾对策量热能转变为动能（风能和海浪能）而产生。海洋水面受日照影响，往往在离 赤道10。纬度地区生成热而湿的水汽向上升起，形成庞大的水汽柱。热低压区 和稳定的高压区气压之差产生空气流动，由于平衡产生相互补充的力使之成螺 旋状流动，气压高低相差越大，旋转流动的速度越快。旋转流动的中心即热带 旋风中心，习惯上称为“眼在“眼”的范围内相对平衡，无风也无云层。 “眼”的直径一般小于10 km,有时可以

4、大于50 km,紧紧环绕在其周围的圆 环形风带为强烈的暴风，并在旋转中向前水平移动。台风也是一个大而强的空气旋涡.平均直径为600 1 000 km,从台风中 心向外依次是台风眼、眼壁；再向外边是由几十公里至几百公里宽、几百公里 至几千公里长的螺旋云带。螺旋云带伴随着大风、阵雨呈逆时针方向旋向中心 区，越靠近中心，空气旋转速度越大，并突然转为上升运动。因此，距中心 10100 km范围内形成由一个强对流云团组成的约几十公里厚的云墙、眼壁, 这里发生着摧毁性的暴风骤雨；再向中心，风速和雨势骤然减小，到达台风眼 时，这里气压最低，湿度最高，天气晴朗，与周围的天气比较，相对安静。图 5 -1所示为一

5、次台风的气象云图。图5-1台风气象云图全世界每年平均有80100次台风（我们这里将其它地区的热带气旋也称 为台风）发生，其中绝大部分发生在太平洋和大西洋上。经统计发现，西太平 洋台风发生主要集中在四个地区：菲律宾群岛以东和琉球群岛附近海面，这一带是西北太平洋上台风发 生最多的地区，全年几乎都会有台风发生；关岛以东的马里亚纳群岛附近；马绍尔群岛附近海面上（台风多集中在该群岛的西北部和北部）；5. 1风的基本概念与类型169我国南海的中北部海面。台风在海上移动，会掀起巨浪,狂风暴雨接踵而来，对航行的船只造成严 重的威胁。当台风登陆时，狂风暴雨会给人们的生命和财产造成巨大的损失， 尤其对农业、建筑物

6、的影响更大。但是，台风也并非全给人类带来不幸，除了 其“罪恶”的一面外，也有为人类造福的时候。对某些地区来说，如果没有 台风，这些地区庄稼的生长、农业的丰收就不堪设想。西北太平洋的台风、西 印度群岛的飓风和印度洋上的热带风暴，几乎占全球强热带气旋总数的60% , 给肥沃的土地上带来了丰沛的雨水，形成适宜的气候。1.2 季风季风是由内陆和海洋空气温差引起的风，这种风冬季由内陆吹向海洋，夏 季由海洋吹向内陆。它是由于陆地上四季气温的变化要比海洋大所引起的，是 大气层中出现最为频繁的风。季风形成的原因，主要是海陆间热力环流的季节 变化。夏季大陆增热比海洋剧烈，气压随高度变化慢于海洋上空，所以到一定

7、高度，就产生从大陆指向海洋的水平气压梯度，海洋上形成高压，大陆上形成 低压，空气从海洋疝向大陆，形成了与高空方向相反气流，旃成了夏季的季风 环流。冬季大陆迅速冷却，海洋上温度电陆地要高些，因此大陆为高压，海洋 上为低压，低层气流由大陆流向海惮，高层气流由海洋流向大陆，形成冬季的 季风环流。*现代人们对季风的认识有了进步，至少有三点是公认的，即：季风是大范 围地区的盛行风向随季节改变的现象，里强调“大范围”是因为小范围风 向受地形影响很大；随着风向变换，控制气团的性质也产生转变，例如冬季风 来时感到空气寒冷干燥，夏季风来时空气温暖潮湿；随着盛行风向的变换，将 带来明显的天气气候变化。5. 1.3

8、龙卷风龙卷风（如图5-2）是一个猛烈旋转着的圆形空气柱，它的上端与雷雨云 相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向 前移动。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷”；出现在陆 上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷”。据统计，每个陆 地国家都出现过龙卷风，其中美国是发生龙卷风最多的国家。加拿大、墨西 哥、英国、意大利、澳大利亚、新西兰、日本和印度等国，发生龙卷风的机会 也很多我国龙卷风主要发生在华南和华东地区，它还经常出现在南海的西沙群岛 上。龙卷风的范围小，直径平均为200 300 m,直径最小的不过几十米，只170第5童 风灾害与防风减灾对策

9、图5-2龙卷风有极少数直径大的才达到1 000 m以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟 到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均15 m/s,最快的可达 70 m/s；移动路径的长度大多在10 km左右，短的只有几十米，长的可达几百 千米以上。它造成破坏的地面宽度，一般只有12 km。一般情况，风速在50150 m/s,极端情况下，可达到300 m/8或超过声 速。超声速的风能，可产生无穷的威力。尤其可怕的是龙卷风内部的低气压。 这种低气压可以低到40 kPa,甚至20 kPa,而一个标准大气压是101. 3 kPa。 所以，在龙卷风扫过的地方，犹如一个特殊的吸泵一样，往往把它所触及的水

10、 和沙尘、树木等吸卷而起，形成高大的柱体，这就是过去人们所说的“龙倒 挂”或“龙吸水”。当龙卷风把陆地上某种有颜色的物质或其它物质及海里的 鱼类卷到高空，移到某地再随暴雨降到地面，就形成“鱼雨”、“血雨”、“谷 雨”、“钱雨” 了。当龙卷风扫过建筑物顶部或车辆时，由于它的内部气压极低，使建筑物或 车辆内外形成强烈的气压差，顷刻间就会使建筑物或交通车辆发生“爆炸”。 如果龙卷风的爆炸作用和巨大风力共同施展威力，那么它们所产生的破坏和损 失将是极端严重的。1715.2风灾害此外，还有其它一些类型的风，比如，雷暴风是由水蒸气在高空的冷凝所 引起的，其瞬时风速一般为5490 km/h,风速极大时甚至可

11、达144 km/h,其 发生时还伴有闪电、雷鸣和阵雨。焚风也称为热燥风，是由于下沉运动使空气 温度升高、湿度降低的风，常出现在山脉的背风面。布拉风是常常发生于陡峭 斜坡隔开的高地与平地之间的风。5.2在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之最。根据国外资料的统 计，风灾损失占总的自然灾害损失的一半左右，随着生产和建设的发展，风灾 损失和其它灾害损失一样，每年递增。表5-1列出了 20世纪部分特大风灾害 情况。表5-1 20世纪特大风灾情况时间/ 年份地 点风类型受灾情况1900美国加尔维斯顿岛飓风6 000多人遇难1906中国香港地区台风1万多人丧生，被毁房屋和船只价值2 000 万美元1

12、918日本东京强烈台风死亡13. 9万人,.20万间房屋倒塌1935-美国佛罗里达飓风279人死亡1937中国香港地区台风死亡1.1万人，数十万人受伤1957美国得克萨斯飓风数座城市被毁，数千人死亡1959日本名古屋超级台风2 000多人失踪，经济损失达20亿美元1963加勒比海飓风5 000多人死亡，10万人无家可归1970孟加拉国热带风暴30万人死亡，100万人无家可归1974美国12大州龙卷风315人丧生，财产损失超过5亿美元1985加拿大、美国龙卷风死亡200余人，直接经济损失3亿美元1988美洲大陆加勒比飓风32万公顷农田被毁，数百人死亡1989中国海南岛台风105人死亡，1156人

13、受伤，40多万间房屋倒塌，直接经济损失高达27 48亿元1991苏加拉湾热带风暴13万余人丧生，数百万人无家可归续表时间/ 年份地 点风类型受灾情况1991中国海南岛台风受灾人口达50多万，32人死亡，直接经济损失6. 3亿多元1992美国佛罗里达飓风经济损失300多亿美元1994中国浙江台风40多个县市受灾，受灾人口 1 392.9万， 直接经济损失高达177.6亿元1998印度内陆地区热带风暴死亡1 000多人,直接经济损失4亿美元2005美国新奥尔良飓风死亡1 200多人，造成经济损失1 000多亿美元172第5童风灾害与防风减灾对策从表5-1中可以了解到，在所有这些灾害中，由台风、飓风

14、和龙卷风所 引起的损失占了绝大部分。2. 1台风灾害9417号台风袭击浙江温州1994年8月21日晚，9417号台风在浙江省温州市登陆，于22日上午离 开浙江进入江西境内，转为热带低气压。9417号台风登陆时中心最大风力在 12级以上，温州沿海受12级以上风力袭击的时间长达10小时，伴有大雨和 大潮，给浙江东南沿海地区造成了极大的灾害，经济损失严重。9417号台风 受灾人口达1 100万人，死亡1 100多人，大批民房倒塌或受损，许多农田被 海水淹没，直接经济损失超过10。亿元。温州电厂两台12.5 kW机组被迫停止 发电，厂内煤码头两台卸煤机被台风吹倒，5座220 kV输电铁塔倒塌，35 k

15、V 及以下的线路和杆架损坏严重，造成温州地区很长时间停电停水。洞头百米高 的电视塔被风吹倒，温州市中心公安大楼的80 m高的通讯铁塔也被风刮倒。 此外，台风使温州地区附近的18条干线公路被洪水淹没，5座桥梁被冲垮, 温州机场飞机跑道被淹，机场被迫关闭10多天。9417号台风对温州市的低层 民房破坏尤为严重，共损坏房屋691 300间，其中倒塌210 247间。2001年“纳莉”台风对中国台湾的影响2001年9月16日晚，“纳莉”台风在中国台湾北部登陆，于17日经过台 中逐渐转为热带低压。“纳莉”台风风力强劲，台风中心最大风速145 km/h, 瞬间达180 km/h。由于“纳莉”台风行进缓慢，

16、带来持续的降雨，中国台北阳明山累积雨1735.2风灾害量突破1 000 mm,台湾北部平地雨量创下1930年以来历史最高纪录。台北市 等北部县市变成一片水乡泽国，成千上万的民众逃离家园（图5-3）。在“纳 莉”的重创下，台湾岛内交通完全瘫痪。由于出现严重积水，台北县市的交 通大动脉捷运（即地铁）白天全线停运，岛内全部列车停驶，贯通台湾南 北的两条高速公路多个路段被迫暂时关闭，岛内航班全部取消，前往岛外的多 个航班也延迟或取消。为了防止由于台风原因而造成的股市和汇市动荡，台湾 股市、汇市连续两天休市。图5-3 “纳莉”台风袭击中国台湾据统计，全台湾共有74人死亡，2人失踪，208人受伤；约有近百

17、万户停电、 超过52万户停水、36万户停话、700多座移动电话基地台停摆，数万辆泡水车待 修；超市、商店、饭店、金融机构等服务业更因营业处所积水而损失惨重；农业损 失金额逾新台币11亿元，北部工业区也成水乡泽国，损失逾百亿元。2.2飓风灾害1963年飓风洗劫加勒比海1963年10月3日到9日，生成于大西洋西部的“弗洛拉”飓风，以每小 时将近100 km的速度席卷了加勒比海海域，飓风在加勒比海海角及岛屿上空 怒吼，肆无忌惮地洗劫着这里的土地。雨水、洪水、暴风以历史上罕见的威力 蹂瞒着海地、古巴、多巴哥等这些加勒比海海域的国家。咖啡、水稻和香蕉等 作物被全部毁掉。短短的6天，海地的2/5领土变成废

18、墟，瓦砾堆随处可见, 约有15万人的房屋被毁，死亡5 000余人，近10万人被迫流浪街头，无家可 归。此次劫难中，美国在古巴的关塔那摩海湾的舰队基地，也惨遭破坏，所有 的营房全部被摧毁，风暴所引起的洪水冲垮了军事基地的一切设施，淹没了整 个关塔那摩海湾。174第5章 风灾害与防风减灾对策1999年底飓风对西欧的影响1999年12月26日早上，从英吉利海峡吹来的飓风袭击了西欧国家，风 速高达63.9 m/s,法国受灾情况最为严重。法国有70%的地区停电，44人死 亡，有两亿多棵树被连根拔起，巴黎凡尔赛宫屋顶被掀开，巴黎圣母院的一个 塔顶被刮掉。据估计，至少需要4 5亿法郎才能修复这些被毁坏的文化

19、古迹。 飓风过后的巴黎，其重建工作需要3年才能完成。在这次飓风中，德国、瑞 士、比利时、西班牙、奥地利和意大利等国也遭受了不同程度的人员伤亡和财 产损失。其中，德国有12人死亡，许多公路、铁路沿线的大树横七竖八倒在 路上，交通被迫中断；瑞士有11人死亡，飓风掀掉了许多房屋的屋顶，刮倒 了电线杆和广告牌。5. 2.3龙卷风灾害全世界每年遭受龙卷风袭击的次数超过1 000次，美国更是世界上龙卷风 最多发的国家，平均每年发生几百起之多。密西西比河流域以西的广大平原， 更因其龙卷风频发而被称为龙卷风胡同。其龙卷风次数较多的重要原因是著名 的墨西哥暖流给美国南部输送了大量暖湿气流，给龙卷风的形成创造了条

20、件。1985年5月底，强烈的211号龙卷风袭击了加拿大南部的安大略省和美国北 部的俄亥俄州、宾夕法尼亚州和纽约州。据不完全统计，加拿大的安大略省有88 人死亡，伤残1 000多人；美国仅俄亥俄州的奈尔斯，一个2.5万人的小城市，遭 受的经济损失就达到了 400万美元；被龙卷风扫荡的重灾区宾夕法尼亚州死亡人数 高达66人，伤残1 000多人，直接经济损失高达3亿多美元。龙卷风的影响范围虽有一定的限度，但其毁灭性的破坏力也给人们造成一 定的恐惧心理。因此，在龙卷风多发地区作城市规划或小区规划时，应充分考 虑龙卷风的影响，以期达到理想的经济效益和社会效益。5.2.4 一些结构物的风灾害.高层建筑19

21、26年的一次大风使得美国一座叫迈雅-凯泽(Meyer - Kiser)的10多层 大楼的钢框架发生塑性变形，造成围护结构严重破坏，大楼在风暴中严重摇晃 (如图5-4)。1971年9月竣工的美国波士顿约翰汉考克大楼(John Hancock Building),高60层，241m,自1972年夏天至1973年的1月，由于大风的作 用，大约有16块窗玻璃破碎，49块严重损坏，100块开裂，后来不得不调换 了所有的10 348块玻璃，价值700万美元以上，超过了原玻璃的价值，同时， 还采取了其它措施，增加了造价。该建筑的使用不仅耽误了三年半，而且造价 从预算的7 500万美元上升到了 15 800万

22、美元。另外，纽约一罐55层的塔楼1755.2风灾害建筑，在东北大风作用下建筑物产生摆动，使人不能在顶部几层的写字台上进 行书写，建筑物的风运动使人体产生了不舒适感。图5-4 变形的迈雅-凯泽(Meyer-Kiser)大楼.高耸结构高耸结构主要涉及一些桅杆和电视塔，其中桅杆结构更容易遭受风灾害。 桅杆结构具有经济实用和美观的特点，但它的刚度小，在风载下便产生较大幅 度的振动，从而容易导致桅杆的疲劳或破坏，且结构安全可靠度较差。近50 年来，世界范围内发生了数十起桅杆倒塌事故。例如，1955年11,月，捷克一 桅杆在风速达30 m/8时因失稳而破坏；1963年，英国约克郡(Endey Morr)高

23、 386 m的钢管电视桅杆被风吹倒；1985年，前联邦德国贝尔斯坦(Bielstein) 一 座高298 m的无线电视桅杆受风倒塌；1988年，美国密苏里州(Missouri)一座 高610 m的电视桅杆受阵风倒塌，造成3人死亡。.桥梁结构因风而遭毁坏的桥梁工程可追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥 首先因风的作用而遭到毁坏。1940年，美国华盛顿州塔科马(Tacoma)海峡建 造的塔科马悬索桥，主跨853 m,建好不到4个月，就在一场风速不到20 m/s176第5章 风灾害与防风减灾对策的灾害下，产生上下和来回扭曲振动而倒塌（图5-5）。图5-5塔科马悬索桥的扭转破坏自1

24、818年至1940年,.据统计相断有11座桥因风的作用而受到不同程度 的破坏。近年来，随着大跨度桥梁的建设，桥梁的风灾害也时有发生。如我国 广东南海公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒，砸坏主梁。风对结构的作用由于高层建筑和高耸结构的主要特点是高度较高和水平方向的刚度较小, 因此水平风荷载会引起较大的结构反应。自然界的风可分为异常风和良态风。 对很少出现的风，例如龙卷风，称为异常风，不属异常风的则称为良态风。我 们主要讨论良态风作用下的结构抗风分析内容。风对结构物的作用具有如下特点：作用于建筑物上的风包含有平均风和脉动风，其中脉动风要引起结构 物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑；

25、风对建筑物的作用与建筑物的外形直接有关。如结构物背后的旋涡引 起结构物的横风向（与风向垂直）的振动，对烟囱、高层建筑等一些自立式细 长柱体结构物，都不可忽视这种形式的振动；风对建筑物的作用受周围环境影响较大，位于建筑群中的建筑有时会 出现更不利的风力作用，即由别的建筑物尾流中的气流引起的振动； 风力作用在建筑物上分布很不均匀，在角区和立面内收区域会产生较 大的风力；相对于地震来说，风力作用持续时间较长，往往达到几十分钟甚至几防风减灾对策171个小时：，因此，由于风对结构的作用，会产生以下结果：使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；风力使结构开裂或留下较大的残余变形，对塔桅、烟囱等高耸结构还

26、 存在被风吹倒和吹坏的实例；使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外装修材料 的损坏；由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力；由于过大的振动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。5.4防风减灾对策4. 1合理的建筑体型.流线形平面采用圆形或椭圆形等流线形平面的楼房，有利于减少作用于结构上的风荷 载。圆柱形楼房，垂直于风向的表面积最小，表面风压比矩形棱柱体楼房要小 得多，例如，法国巴黎的法兰西大厦是一幢采用椭圆形平面的高楼，其风荷载 数值比矩形平面高楼约减少27%。因此，有些规范规定，圆柱形高楼的风荷 载，可以比同

27、一尺度矩形棱柱体高楼的常用值减少20%40%。结构的风振加 速度自然也随之减小。采用三角形或矩形平面的高楼，转角处设计成圆角或切角，可以减少转角 处的风压集中。例如，日本东京的新宿住友大厦（图5-6a）和中国香港的新鸿 基中心（图5 -6b）就是采用这种手法。（a）日本东京新宿住友大厦（b）中国香港新鸿基中心图5-6减小风压的平面切角处理178第5章风灾害与防风减灾对策.截锥状体形高楼若采用上小下大的截锥状体形，由于顶部尺寸变小，减少了楼房上部 较大数值的风荷载，并减小了风荷载引起的倾覆力矩。此外，由于外柱倾斜, 抗推刚度增大，在水平荷载作用下将产生反向水平分力，能使高楼侧移值减少 10%50

28、%。从而使风振时的振幅和加速度得以较大幅度地减小。计算分析结果指出，一幢40层的高楼，当采用立面的倾斜度为8%的角 锥体时，其侧移值将比采用棱柱体时约可减少50%。.不大的高宽比房屋高宽比是衡量一幢高楼抗侧刚度和侧移控制的一个主要指标。美国纽约的110层世界贸易中心大厦，高412 m,主体结构采用刚度很大 的钢框筒，为了控制大风作用下的侧移和加速度，除各层楼板处安装粘弹性阻 尼减震器之外，房屋的高宽比为H/B =412/63. 5 =6. 51,即控制在6左右。我 国沿海台风区的风压值高于纽约，为使高楼的风振加速度控制在允许范围以 内，房屋的高宽比应该再适当减小一些。.透空层高楼在风力作用下，

29、迎风面产生正压力，背风面产生负压力，使高楼受到 很大的水平荷载。如果利用高楼的设备层（图 5-7）或者结合大楼“中庭”采光的需要，在高楼 中部局部开洞或形成透空层，那么，在迎风面堆 积的气流，就可以从洞口或透空层排出，减小了 压力差,也就减少了因风速变化而引起的高楼振 动加速度。.并联高楼群图5-7减小风振的透空层目前建造的高楼，都是一座座独立的悬臂式 结构。如果在某一新开发区，把拟建的多幢高楼, 在顶部采用大跨度立体桁架（用作高架楼房）联为 一体，在结构上形成多跨刚架（图5-8）,就可以 大大减小高楼顶部的侧移，也就大大减少了高楼 顶部的风振加速度。据粗算，若就单跨刚架而论, 在水平力作用下

30、，其顶点侧移值仅为独立悬臂结 构的1/4左右。此种“并联高楼群”方案在城市规划方面也是可取的。这种建筑方式构 成了 “空中城市”，使部分建筑由地面移向高空，增大了城市空间和绿化面 积，城市交通也得到分流，减少了地面交通量。1795.4防风减灾对策图5-8设想的空中城市的并联高楼群4.2控制装置，由于科技的进步，高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向 发展。结构的刚度和阻尼不断地下降，结构在风载荷作用下的摆动也在加大。 这样，就会直接影响到高层建筑和高耸结构的正常使用，使得结构刚度和舒适 度的要求越来越难满足，甚至有时威胁到建筑物的安全。传统的结构抗风对策是通过增强结构自身刚度和抗侧力

31、能力来抵抗风荷载 作用的，这是一种消极、不经济的方法。近30多年来发展起来的结构振动控 制技术开辟了结构抗风设计的新途径。结构振动控制技术就是在结构上附设控 制构件和控制装置，在结构振动时通过被动或主动地施加控制力来减小或抑制 结构的动力反应，以满足结构的安全性、使用性和舒适度的要求。结构振动控 制是传统抗风对策的突破与发展，是结构抗风的新方法和新途径。自从20世纪70年代初提出工程结构控制概念以来，结构振动控制理论、 方法及其实践越来越受到重视。从控制方式上结构振动控制可分为：被动控 制、主动控制、半主动控制和混合控制。其中，被动控制无需外部能源的输 入，其控制力是控制装置他结构一起运动而被

32、动产生的；主动控制是有外加能 源的控制，其控制力是控制装置按最优控制规律，由外加能源主动施加的；半 主动控制一般为有少量外加能源的控制,其控制力虽也由控制装置随结构一起 运动而被动产生，但在控制过程中控制机构能由外加能源主动调整本身参数,180第5章风灾害与防风减灾对策从而起到调节控制力的作用；而混合控制是主动控制和被动控制有机结合的控 制方案。一般来说，主动控制的效果最好，但由于高层建筑和高耸结构本身体 型巨大，主动控制所需外加能源很大，实际操作起来比较困难。半主动控制系 统结合了被动控制的可靠性和主动控制的适应性，通过一定的控制律可以接近 主动控制的效果，是一种极具前途的控制方法，也是目前

33、国际控制领域研究的 重点。.针对不同的振动控制技术，科研工作者们开发了多种形式的风振控制装 置，如AMD、TMD、TLD等，这些控制装置的研制和应用证明了风振控制的 可靠性。.主动控制技术主动控制装置通常由传感器、计算机、驱动设备三部分组成。传感器用来 监测外部激励或结构响应,计算机根据选择的控制算法处理监测的信息及计算 所需的控制力，驱动设备根据计算机的指令产生需要的控制力。土木工程结构 由于其独特性，不能直接运用经典的最佳控制方法。对于控制方式尤其是控制 装置而言，现应用于土木工程结构中的主动控制系统有：主动调谐质量阻尼器 （AMD）,主动拉索控制装置和主动挡风板。世界上第一个在实际工程结

34、构中安装AMD的建筑位于日本东京，是一幢 11层的钢框架结构。由于它相对较柔 （长12m,宽4 m,高33 m）,在顶部安 装了 AMD系统以减小它的振动幅值。 利用两个AMD系统来控制结构的响 应。建成后，进行了强迫振动试验， 并获得了宝贵的地震及强台风观测资 料。试验、地震响应数值分析及风振 观测均表明控制效果很好。1998年我国兴建的南京电视塔高 340 m（图5 -9）,在设计风荷载的作用 下，不能满足舒适度的要求，通过安 装AMD装置使得观光平台的加速度反 应得到控制。实际的结果表明，AMD 装置有效地减小了电视塔的风振反应， 基本上满足了观光游客对舒适度的 要求。图5-9南京电视塔

35、对于土木工程结构来说，主动控 制还处于开始试用阶段，特别是其经1815.4防风减灾对策济因素和可靠性有待于接受更多的实践检验。但随着科技的进步、试验手段的 更新，尤其是研究人员的广泛增加，相信会不断挖掘其优势、克服其不足，使 主动控制在结构工程中的应用得到进一步发展。.被动控制技术主动控制效果较好，但需要从外部输入能量，像高耸结构这样的庞然大物 用能量控制是十分不易的，加上主动控制装置十分复杂，需要经常维护，经济 上增添了额外的负担。同时计算方法和控制机构的灵敏度所带来的“时迟” 效应，使它不可能与状态向量同步实现，必然要滞后于结构反应即存在“时 迟”的影响，尽管采取了 “校正”的办法，也未能

36、很好地解决这个问题。另 外，控制机构的可靠性还存在一些问题，往往使控制效果打了折扣。相比之 下，无论从经济上还是技术上来看，主动控制用于实际工程目前还存在较大困 难（美国、日本等国在个别工程中已将主动控制技术应用于实际工程），而被动 控制装置诸如TMD、阻尼器等，用于实际工程经验已趋于成熟。理论研究和 实际经验已经相互证实：对不同的结构, 相应的参数取值，往往可以使其控制 效果与采用相应的主动控制效果等效。 因此，目前采用被动控制作为主要手 段是有效而且可行的。被动控制中具有代表性的装置有： 阻尼器、被动拉索、被动调频质量阻 尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD） 等。其中阻尼器按照耗能方式

37、的不同， 又主要分为粘弹性阻尼器、粘滞阻尼 器、金属阻尼器和摩擦阻尼器四种。如果能选择适当的被动控制装置及其图5 - 10 哥伦比亚西尔斯（seafirst）大厦1982年，西雅图的哥伦比亚西尔 斯（seafirst）大厦（图5 -10）中安装了 260个粘弹性阻尼器以抵抗风振。它 们沿着主对角构件布置在建筑物的核 心位置，如图5 -11所示。经计算布 置在结构中的粘弹性阻尼器增加了主 振型的阻尼比，在频遇暴风时，阻尼 比从0.8%增加到6.4%,在设计风荷 载作用下增加到3. 2%。实测结果表明 粘弹性阻尼器能够有效地抑制结构的 风振反应。182第5章 风灾害与防风减灾对策图5-11粘弹性阻

38、尼器的布置美国纽约的原世界贸易中心大厦、西蒂柯布中心大楼、波士顿的汉考克大 楼、匹兹堡的哥伦比亚中心大厦以及澳大利亚的一些高楼，均采用安装阻尼器 的办法来减小高楼的风振加速度。原纽约世界贸易中心大厦，是在与外柱毗连的各层楼盖桁架梁的下弦末端 处，安装粘弹性阻尼装置。当高楼在大风下发生振动时，减震器就发挥作用, 把振动能转变为热能，通过外柱扩散于四周，从而减小该高楼的振动加速度。 美国纽约高279 m的西蒂柯布大楼，在238 m高度处安装了一个4 000 kN的调 频质量阻尼器。波士顿的60层汉考克大楼，在第58层的东西两端，各安装一 台3 000 kN的调频质量阻尼器。这两幢高楼都是当大风时振

39、动加速度达到 0.003 8(约为0.03 m/)时，阻尼器自动开启，高楼的振动加速度随之降低， 40%50%。.混合控制技术混合控制就是主动控制和被动控制的结合。由于具备多种控制装置参与作 用，混合控制能摆脱一些对主动控制和被动控制的限定，这样就能实现更好的 控制效果。尽管它相对于完全主动结构更复杂，但是其效果比一个完全主动控 制结构更可靠。现在，有越来越多的高层建筑和高耸结构采用混合控制来抑制 动力反应。现在混合控制的研究与应用主要集中在这两个方面：混合质量阻尼 器系统和混合基础隔震系统。对于风振控制主要是混合质量阻尼器系统 (HMD)OHMD是现在应用最普遍的工程控制装置，其构成原理是：

40、联合了一个 TMD和一个主动控制驱动器，其降低结构反应的能力主要依靠TMD的运动时 的惯性力，主动控制驱动器所产生的作用力主要是增加HMD的作用效率，以 及通过增加强度来改变结构的动力参数。研究结果表明，达到同样的控制效 果，一个HMD装置所需要的能量远小于一个完全主动控制装置1835.4防风减灾对策世界上第一个安装混合质量控制系统的建筑是位于日本东京清水公司技术 研究所的7层建筑。平时装置保持控制力为零的状态，当强风或地震作用下的 响应超过一定水平时，驱动装置自动启动。通过几次强迫振动试验和风振观测 表明，控制效果是令人满意的。另外，还可以利用若干个HMD来减小建筑物 不同方向的振动许多研究

41、者为HMD的发展做了很大的贡献，很多更新颖、 使用期更长的装置被开发。如塔尼达（Tanida）设计出了一种拱形的HMD装置， 应用于日本东京的彩虹悬索桥塔（134 m,1994年），有效地降低了结构的动力 反应。这个混合质量阻尼器相对于第一振型的质量比是0.14%,而一个被动 TMD要达到相同的控制效果，其相对于第一振型的质量比是1%,很显然，相 对于被动控制装置，HMD具有很大的优势。4.半主动控制技术半主动控制第一次提出是在20世纪20年代，而在土木工程领域的研究始 于20世纪80年代，半主动控制系统结合了主动控制系统与被动控制系统的优 点，既具有被动控制的可靠性又具有主动控制系统的强适应

42、性，通过一定的控 制律可以达到主动控制的效果，而且构造简单，所需能量小，不会使结构系统 发生不稳定。半主动控制系统根据结构的响应和（或）外激励的反馈信息实时地调整结 构参数，使结构的响应减小到最优态。该系统概括起来可以分为三类：主动变 刚度（AVS）控制系统，主动变阻尼（AVD）控制系统和主动变刚度阻尼（AVSD） 控制系统。对于一般结构，承载力验算是第一位，变形验算是第二位；高楼结构特别 是高楼钢结构，因为比较柔，在不少情况下，构件截面首先是取决于满足结构 侧移限值的需要，承载力的验算往往降为第二位，而且高楼结构还要满足风振 时人体容易度的要求。然而，采用加大构件截面、提高结构抗推刚度的办法

43、来 降低结构风振加速度，以满足上述要求，收效甚微，而且经济性也差。实践证 明，采用上述的控制装置来减少风振加速度，十分经济有效。5.4.3反向变形高楼在风荷载作用下基本上是按照结构基本振型的形态向一侧弯曲，顶点 侧移最大。因而结构在风的动力作用下产生振动时，顶点的振幅和加速度也将 是最大的。如果在高楼中设置一些竖向预应力钢丝束，当高楼在风力作用下向 一侧弯曲时，传感器启动千斤顶控制器，对布置在高楼弯曲受拉一侧的钢筋束 施加拉力，从而产生一个反向力矩“2。与风力弯矩叠加后，使高楼结构下 半部的弯矩值大大减少，并使结构的侧向变形由单弯型变成多弯型（图5 - 12）。风荷载作用下结构顶点的侧移值减少

44、了，结构顶点的振动幅值和振动加184第5章 风灾害与防风成灾龙策速度自然也就随之减少。千斤顶控制器传感器钢筋束三二二 一 -M图5-12竖向预应力的反变形作用5.5结构抗风设计5. 5. 1 风荷载标准值当计算垂直于建筑物表面上的风荷载标准值时，应按下式计算： wk(5-1)式中：叫风荷载标准值，kN/m2 ；凡风荷载体型系数；k风压高度变化系数；初0基本风压，kN/m2 ；凡一计算主要承重结构时取高度z处的风振系数自；计算围护结构时 则取高度为z处的阵风系数凡,。5. 5.2基本风压的确定基本风压是对所在地区平均风强度的一个基本度量。我国GB 500092001建 筑结构荷载规范中，全国基本

45、风压分布图中给出的基本风压外是用各地 区空旷地面上离地10 m高、重现期为50年的10 min平均最大风速q计算得 到的。基本风压值4/1 600,但不得小于0.3 kN/m?。对于高层建筑、高 耸结构以及对风荷载比较敏感的其它结构，基本风压应适当提高，并应由有关 的结构设计规范具体规定。由于近地风的风速随高度而变化，离地面越近，受边界的影响也越大。因 此，为了有一个统一的标准，我国规范规定统一观察风速的标准高度为1。m。5.5结构抗风设计同时，由于风速本身随高度的变化还受到地貌粗糙程度的影响，因此还规定统 一以空旷平坦的地面作为标准。至于不同高度不同地貌对风压值的影响，可通 过其它系数的调整

46、来修正。平均风速的数值与统计时距的取值有关。根据大量风速实测记录的统计分 析，认为在10 min至1 h的时距内，平均风速基本上是一个稳定值。因此规定 取10 min作为平均风速的观察时距。我国规范规定取一年中的最大平均风速作为一个数理统计的样本。在工程 中，不能直接选取各年最大平均风速的平均值进行设计，而应该取大于平均值 的某一风速作为设计的依据，从概率的角度分析，在间隔一定的时间之后，会 出现大于某一风速的年最大平均风速（称为设计风速），我们称这个间隔期为 重现期。我国规范规定基本风速的重现期为50年。重现期为7的基本风速，在任一年中只超越该风速一次的概率为1/2例 如，若重现期为50年，

47、则意味着超越概率为1/T= 1/50 =0. 02。因此，不超 过该基本风速的概率（或保证率）为：(5-2)可以看出，重现期50年的保证率为p=l-1/50 =98%。5.3风压高度变化系数由于基本风压值是由空旷平坦地面上10 m高处的风速统计而得到的，地 面粗糙程度及风速随高度变化的影响还未考虑c对于建筑结构上各高度处的风 压，还需建立一个风压高度变化系数平均风速沿高度的变化规律常称为平均风速梯度或风剖面，它是风的重要 特性之一。由宇地表与风气流摩擦的结果，使接近地表的风速随高度的减小而 降低。只有离地面300 500 m以上的地方，风才不受地表的影响，并在气压 梯度的作用下自然流动，从而达

48、到所谓的梯度速度。其高度即为梯度风高度, 梯度风以下的近地面层程为摩擦层。根据实测结果的分析，达温玻特（Davenport）等提出，摩擦层平均风速度 沿着高度的变化规律可用指数函数来表示：(5-3)式中：z, v,任意点的高度及此高度处的平均风速;孙，耳标准高度（10 m）及该处的平均风速； a与地面粗糙程度有关的系数。为了工程设计的方便，我国规范将地貌按地面粗糙程度分为四类:186第5章 风灾害与防风减灾对策A类指近海海面河海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。具体各种情

49、况下的风压高度变化系数见GB 500092001建筑结构荷载 规范。5. 5.4风载体型系数以上所讨论的仅仅是某一极小面积上的风压力，实际上结构受风面积都较 大，而且体型各不相同。建筑物迎风面、两侧面和背风面压力不同，且同一面 上压力分布也不均匀。各个面上各点的压力不仅同来流的速度和方向有关，而 且与建筑物的形状、高度、长度和宽度有关。(5-4)对各种建筑物表面风压力的大小和分布的研究，主要通过实验来确定。通 常采用量纲为一的风压系数来表示其压力分布：0. 5poW式中:表面压力；大气边界层外缘气流的压力、密度和速度。目前测量风载体型系数的途径主要是将建筑物做成小尺寸模型，置于风洞 中测定模型

50、表面的压力分布。由于风洞的气流可以改变，模型也可以转动方 位，因此可以得到不同的风速、不同风向条件下结构表面的分布，所得到的是 某次强风作用下的结果。由于近地风的随机性和紊乱性，在风洞中很难真实地模拟实际的风场，因 此风洞试验结果与实际可能会有一定的出入。为此，从20世纪50年代开始, 现场风压实测得到了广泛的重视。但现场实测又只能得到已建结构物表面的风 压分布，对于拟建的特殊形状的建筑物表面风压的分布，还需要通过风洞试验 解决。对于通常形状的建筑物而言，表面摩擦应力同压力相比较小，所以对建筑 物表面压力加权即可认为等同作用力。将各个面按测压孔位置划分成若干块， 将各测点的Cp值的相应面积进行

51、加权平均，得到的就是我国建筑结构荷载 规范中所使用的风载体型系数：(5-5)2 cp4式中：AA第i个测点所对应的面积；4建筑物某个面的总面积。1875.5结构抗风设计各种形状截面结构物的风载体型系数可见我国建筑结构荷载规范。5.5顺风向风振、风振系数及阵风系数对于基本自振周期大于0.25 s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结 构，以及对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑风压脉 动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自 振周期应按结构动力学计算。对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于 30 m,高宽比大于15且可忽略

52、扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型的 影响，结构的风荷载可按公式（5-1）通过风振系数来计算，结构在z高度处的 风振系数昆可按下式计算：(5-6)Mx式中：脉动增大系数；一脉动影响系数；内一振型系数，应根据结构动力计算确定。对于外形、质量、刚度沿 高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层 建筑，振型系数也可根据相对高度z/”确定；也一风压高度变化系数。以上各参数及计算围护结构风荷载时的阵风系数的选取，请参阅我国建 筑结构荷载规范。5.6横风向风振.结构尾流旋涡干扰的基本机理由于作用在风流场建筑物上的气流是一种钝体绕流，因此当气流绕过建筑 物并在建筑物后重新汇合之时，就会形成

53、旋转方向相反的交替脱落的两列漩 涡，即卡门（Karman）涡流。如果旋涡的脱落呈对称稳定状态，那么就不会引 起横风向的力；如果旋涡的脱落呈无规则状态或周期性的不对称脱落，那么这 种非对称脱落的旋涡就会在横风向产生对建筑物结构的干扰力。这就是通常所 说的结构的尾流旋涡干扰（如图5-13）。(5-7)对于圆形截面的细高结构来说，其背风向的旋涡脱落与来流的雷诺数 （Reynolds number）有密切的关系。这里的雷诺数是一个量纲为一的量，记为 Re,它表示作用于流体的惯性力与粘性力之比。即：V188第5章风灾害与防风减灾对策图5-13 旋涡脱落示意图式中： =-运动粘度；PV动力粘度；p流体密度

54、；。一流体的特征速度；I建筑物的特征长度。由圆形截面结构的阻力系数与雷诺数的关系可以将雷诺数分为三个临界范 围，即亚临界范围(300 Re 3 x IO)、超临界范围(3 x 10$ Re 3.5如果雷诺数很小，如小于1/1 000,则惯性力与粘性力相比可以忽略，这 就意味着是高粘性的流动。如果雷诺数很大，如大于1 000,则意味着粘性力 的影响很小，空气常常就是属于这种情况。由于空气的运动粘度一般为乙,= 1.45 x 10-5 m2/s,所以对于风流场中的建筑物来说，其雷诺数Re = 69 000M。 这里。为风速，。为结构截面直径。当流过圆形截面结构的气流的雷诺数在亚临界和跨临界范围时，

55、尾流的旋 涡会产生周期性的不对称脱落，其频率为：%=窄(5-8)式中：v风速；D圆形截面结构的直径；Sr一与结构截面几何形状和雷诺数有关的参数，称为斯特劳哈尔数 (Strouhal number),对于在亚临界和跨临界范围内的圆形截面结 构，Sr =0.2。当流过圆形截面结构的气流的雷诺数载超临界范围时，尾流的旋涡产生凌 乱和不规则的脱落。而对于矩形截面的结构而言，由于矩形截面的棱角引起来 流附面层的分离，来流在分离区的性质对于雷诺数是独立的。因此，其旋涡脱 落规律与雷诺数基本无关。它也表现为凌乱和不规则的脱落，并将引起结构的5.5结构抗风设计189横向干扰力。2.圆形截面和矩形截面结构的尾流

56、旋涡干扰对圆形截面的结构，应根据雷诺数的不同情况进行横风向风振(旋涡脱 落)的校核和计算。当圆形截面结构的雷诺数位于亚临界范围时，应控制结构顶部风速为不 超过临界风速%,仁和。可按下列公式确定:D(5-9)(5-10)V = T, Sr2 OOOyHa)o式中：Tx结构基本自振周期；Sr斯特劳哈尔数(Strouhal number),对圆截面结构取0.2； 人风荷载分项系数，取L4；结构顶部风压高度变化系数；a)0基本风压，kN/m2 ；p空气密度，kg/m3o当结构顶部风速超过时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临 界风速不小于15 m/s。这时产生的尾流脱落干扰对结构的作用可以忽略。当

57、圆形截面结构的雷诺数处于跨临界范围时，由于尾流旋涡的脱落呈现周 期性的不对称脱落，其脱落频率凡可由公式(5-8)计算，因此可认为它对结 构横风向产生一种周期性的干扰力，具体可表示为；(5-11)PL(t) = pv2B , /xLsin(2ira/)式中：B结构物的外径；人均方根升力系数，对圆形截面为0.25；v结构上作用的平均风速；p空气密度。在这种情况下，当旋涡脱落频率几.在高度处于与结构的某个频率作接近 时，结构会产生大振幅的所谓旋涡脱落共振。跨临界强风共振引起在Z高处振 型/的等效风荷载可由下列公式确定：3 川=| Ay | Q1Sqik +*Xq2 山，Sq2K + + YqCQii

58、KTgGK +7qMcSq|k + 7q2,Q2K + + 外11 cSquK，(5-17)TgGK +*XqMcSqIK + +)QnSQcK式中：yc一永久荷载的分项系数；yQi第i个可变荷载的分项系数；SCK按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；Sq*按可变荷载标准值Q,k计算的荷载效应值；力可变荷载的组合系数，对于风荷载取为0.6,对于其它荷载 取 0.7。对于一般排架、框架结构，可采用传统方法，按下列组合值中的最不利值 确定：192第5章 风灾害与防风减灾对策TggkTggk + Xquc（，= 1，2,，九）（518）TgCK + A（ YqiQIK + y（）2Q2K + + TQnQnK ）式中：W可变荷载的组合系数，取0.85。荷载分项系数，应按下列规定采用：:永久荷载的分项系数：当组合中不考虑所有可变荷载时，取L4；当其效应对结构不利时，取L2；当其效应对结构有利时，取1.0。可变荷载的分项系数：一般情况下取L4；对楼面结构，当活荷载标准值不小于4 kN/m之时，取1.3。验算倾