横风向风力性质

1、横风向风力的性质一.作用在结构上的风力类型。作用在结构上的风力一般可表示为顺风向风力、横风向风力和风扭力矩，如下图结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动：.顺风向弯剪振动或弯扭耦合振动.横风向风力下涡流脱落振动.空气动力失稳（弛振、颤振）其中，后两项与横风向风力有关，对于后两项给出详细说明：横风向风力下涡流脱落振动：当风吹向结构，可在结构周围产生旋涡，当旋涡脱落不对称时，可在横风向 产生横风向风力，所以横风向振动在任意风力情况下都能发生涡激振动现象。 在 抗风计算时，除了必须注意第一类振动外，还必须同时考虑第二类振动现象。 特 别是，当旋涡脱落频率接近结构某一自振频率时， 可产生共

2、振现象，即使在考虑 阻尼存在的情况下，仍将产生比横向风力大十倍甚至几十倍的效应， 必须给予高 度重视。空气动力失稳:结构在顺风向和横风向风力甚至风扭力矩的作用下，当有微小风力攻角时, 在某种截面形式下，这些风力可以产生负号阻尼效应的力。 如果结构阻尼小于这 些力，则结构将处在总体负阻尼效应中，振动将不能随着时间增长而逐渐衰减， 却反而不断增长，从而导致结构破坏。这时的起点风速称为临界风速，这种振动 犹如压杆失稳一样，但受到的不是轴心压力，而是风力，所以常称为空气动力失 稳，空气动力失稳在工程上视为是必须避免发生的一类振动现象。二.结构横风向的风振响应当建筑物受到风力作用时，不但顺风向可能发生风

3、振，而且在一定条件下， 也能发生横风向的风振。横风向风振都是由不稳定的空气动力形成，其性质远比顺风向更为复杂，其中包括旋涡脱落Vortexshedding、驰振Galloping、颤振Flutter、 扰振Buffeting等空气动力现象。引起结构横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）引起结构横风向振动。除此之外当结 构质心与刚心不重合时，结构顺风向与扭转动力风荷载也能引起结构上的横风向 振动。风紊流引起的结构横风向振动一般影响不大，计算分析方法与顺风向动力响应的计算分析雷同。当然对于柔性桥梁、大型屋盖这类结构需要考虑横风向（竖 向）

4、脉动风的动力效应。在工程中绝大部分结构横风向振动的主要原因是尾部激 励。1 .圆形截面细高结构的旋涡干扰风振响应对于圆形截面结构的尾部激励和来流的雷诺数密切相关，因此我们必须先判 断结构旋涡干扰的形式。根据超临界和跨临界范围雷诺数的界限为3.5 M06,得到相应的风速界限：Vl=3.5 X106/69000B=50.72/B式中，B为圆截面的直径高层结构B 一般大于20m因此界限风速为2.54m/s,显然结构的绝大部分大于此值，所以横风向作用主要是跨临界范围的周期性干扰力。结构横风向风力分布结构横风向风力分布实验表明，在这种情况下，当旋涡脱落频率在高度某处与结构的某个频率接 近时，结构将会突然

5、产生大振幅的共振锁定现象，形成共振锁定区。其相关 计算如下：共振临界风速：-VC=5B/TV - C而0.72/B旋涡脱落频率锁定区的确定下界H1H1=10上界H2H2=10J #* t7pO结构横风向共振现象及锁住区域2.旋涡随机脱落干扰横风向风振响应当作用在圆截面结构来流的雷诺数在超临界范围时，或当非圆截面结构在来流发生附面层分离时，旋涡都会发生随机性脱落。对于圆形截面柱体结构，由于 其响应比跨临界小很多，通常忽略不计。对于非圆截面的建筑物，特别是窄、高、 柔的高层结构，横风向旋涡随机脱落干扰响应可能超过顺风向响应。其规律更为 复杂，国外的风荷载规范逐渐趋向于也按随机振动的理论建立计算模型

6、，目前， 对重要的柔性结构，应在风洞试验的基础上进行设计。附：建筑结构荷载规范中关于横风向风振的规定建筑结构荷载规范 GB 50009 2001Load code for the design of building structures7.6横风向风振当建筑物受到风力作用时，不但顺风向可能发生风振，而且在一定条件下， 也能发生横风向的风振。横风向风振都是由不稳定的空气动力形成， 其性质远比 顺风向更为复杂，其中包括旋涡脱落Vortexshedding、驰振Galloping、颤振Flutter、 扰振Buffeting等空气动力现象。对圆截面柱体结构，当发生旋涡脱落时，若脱落频率与结构自振频

7、率相符，将出现共振。大量试验表明，旋涡脱落频率fs与风速u成正比，与截面的直径D成 反比。同时，雷诺数Re=vi/D（v为空气运动粘性系数，约为1.45X10-5m2/s）和斯 脱罗哈数St= uf/D s在识别其振动规律方面有重要意义。当风速较低，即Re&3X105时，一旦fs与结构自振频率相符，即发生亚临界的 微风共振，对圆截面柱体，St-0.2;当风速增大而处于超临界范围，即3X105 Re3.5X106时，旋涡脱落没有明显的周期，结构的横向振动也呈随机性；当风 更大,Re26.5X106,即进入跨临界范围，重新出现规则的周期性旋涡脱落，一旦 与结构自振频率接近，结构将发生强风共振。一般

8、情况下，当风速在亚临界或超临界范围内时，只要采取适当构造措施，不 会对结构产生严重影响，即使发生微风共振，结构可能对正常使用有些影响，但 也不至于破坏，设计时，只要按规范公式（7.5.1-2）的要求控制结构顶部风速即可。 当风速进入跨临界范围内时，结构有可能出现严重的振动，甚至于破坏，国内 外都曾发生过很多这类的损坏和破坏的事例，对此必须引起注意。对跨临界的强风共振，设计时必须按不同振型对结构予以验算，规范公式 （7.5.2-1）中的计算系数入j是对j振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数， 若临界风速起始点在结构底部，整个高度为共振区，它的效应为最严重，系数值 最大；若临界风速起始点在结构顶部，不发生共振，也不必验算横风向的风振荷 载。根据国外资料和我们的计算研究， 认为一般考虑前4个振型就足够了，但以 前两个振型的共振为最常见。公式中的临界风速u cr计算时，应注意对不同振型是不同的在风荷载作用下，同时发生的顺风向和横风向风振，其结构效应应予以矢 量