1、试论工程结构的风灾破坏和抗风设计 【摘要】常见的一种自然现象就是风，而风灾造成的损失非常严重，工程结构的损坏和倒塌是风灾损失的重要形式之一。所以保证工程安全性的重要工作主要是合理和全面的计算工程的抗风设计，因此工程结构领域中非常重视的一个研究课题主要是抗风设计。本文主要是对工程结构的风灾破坏和抗风设计进行了具体的研究。 【关键词】工程结构 风灾破坏 抗风设计 前言：自然灾害中影响最大的一种主要是风灾，其对国内外的经济都会造成巨大的损失。工程结构的损害和倒塌是风灾主要损失的形式，而且工程的安全性受到工程抗风设计的影响，所以工程结构中主要研究的课题就是抗风设计。当前国内外都十分重视风工程的研究，因
2、此具 ?w 研究工程结构的风灾破坏和抗风设计具有重要的现实意义。 1、工程结构中风的作用 1.1 顺风向效应 结构风工程中必须要考虑的效应主要是顺风向效应，其作用在一般情况下是非常重要的。 1.2 横向和共振效应 在横风力作用下，结构会受到空气黏性和流速的影响，其会使结构尾部出现流体旋涡脱落的现象。结构的截面形状和的雷诺数对这种现象的产生具有一定的影响，经过工程科学家的研究可知，不同形式的旋涡脱落和结构的风致振动会出现在不同的雷诺数的范围内： 亚临界范围的周期性旋涡脱落震动主要是： Re ； 超临界范围的不规则随机振动主要是： 310 ； 跨临界范围的规则的周期振动主要是： Re3.510 。
3、 涡激共振是在旋涡脱落的频率与结构的自振频率相等时引 起的。 1.3 失去稳定的空气动力 当风速与某一临界值相等时，会无限加大结构的运动，从而使空气动力失稳的现象得以产生。 1.3.1 在风的作用下，自激振动机制是在结构振动反馈空气力的作用下产生的，而危险的发散振动主要是在颤振和驰振相同的临界状态下产生的。 1.3.2 有限振幅的随机强迫振动，即抖振主要是在脉动风作用下产生的。 2、抗风设计的方法 如果风致振动是由自然风引起的，则首先要保证发生危险颤振和驰振的临界风速和结构设计风速的安全性，从而为结构在各个 阶段的抗风稳定性提供保障，同时要在可以接受的范围内限制涡激振动和抖振的最大振幅，从而可
4、以避免产生结构疲劳的现象。如果最初设计的结构方案无法使抗风要求得以满足，则要通过对设计修改等方法将抗风稳定性提高或者将风致振动的振幅减小。复杂性是结构不规则钝体气动的特性，所以当前描述风和结构相互作用的数学模型还无法建立，其只能利用半实验或纯实验的方法解决相关问题。 3、工程抗风设计的主要内容 3.1 近地风特性。风速会受到不同场地地貌的影响。在地表摩擦力的作用下，随着离地高度的减小会降低接近地表的风速。 地表无法对风造成影响的状态主要是其达到梯度风高度以上，也就是离地 200-500m 以上，这时梯度风速是各处的风速。摩擦层主要是梯度高度以下的近地层面，而且地理位置、温度的变化和地形条件等都
5、会对其造成一定的影响。风速随高度的变化规律、脉动风速的强度、空间相关性、风速的水平攻角和周期成分等都是抗风设计中要考虑的风的特性。 3.3 结构的动力特性。结构动力特性的力学模型对其分析的正确性具有决定性的作用，而且在简化结构的过程中要将结构的刚度和质量等效性继续保持。可以利用有限元动力分析程序分析结构动力。一阶振型 是我国建筑结构规范中考虑的基本结构，而且其简化公式是存在的。小于等于 4是考虑的多层拉绳桅杆结构的振型数量。在桥梁结构中，主梁最低阶对称和反对称的竖向弯曲、侧向弯曲和扭转的 6个模态是最为主要的。随着科技的不断发展，膜结构等多种新的结构形式逐渐出现，而且膜结构主要是在大型体育馆中
6、进行使用。但是这种结构具有很轻的自重，所以整个结构设计中的主要控制因素之一就是风振效应，而且学者们在理论上还在继续讨论这种结构的动力特性和风振问题。 3.4 空气的动力稳定性。颤振和驰振是结构空气动力失稳的主要两种形式，而只有在 两种驱动机制下才能发生颤振： 1、古典耦合颤振会在近似流线型的扁平结构断面中发生，其具有很高的临界风速，这时结构的弯曲和扭转频率会被高速流动风引起的刚度效应所改变，从而使统一的颤振频率在临界风速下耦合形成，同时对结构的振动发散进行驱动；分离流的扭转颤动一般在非流线型的结构断面形成，负阻尼效应是在流动风对断面的扭转运动下产生的，当其与临界风速相同时，振动发散是由空气的负阻尼克服结构的正阻尼所导致的。 结构横截面的外型对驰振的发展具有决定性的作用，一般考虑最多的两种空气动力稳定性的主要是大跨桥梁结构和柔 度大的高耸结构。 结论：由此可见，工程结构的安全性是由工程结构的抗风设计来保证的，而为风工程和抗风设计提供保障的主要是工程数值仿真研究，当前人们对工程数值仿真方法的运用越来越重视，其发展前景是非常广阔的。所以要将其研究力度不断加大，从而将我国工程结构抗风设计的水平不断提高，从而不断加强工程的安全性。
