建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)基本理論研究

史明祥

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

0 引言

風(fēng)是一種自然現(xiàn)象，是相對(duì)于靜止的地面由于大氣溫度不均勻分布產(chǎn)生的一種運(yùn)動(dòng)。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，常被提到的有臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)以及熱帶氣旋。

中國(guó)在全世界范圍之內(nèi)屬于風(fēng)災(zāi)發(fā)生頻繁的國(guó)度之一，經(jīng)常風(fēng)起東南沿海地帶，逐漸向內(nèi)地發(fā)展延伸，已發(fā)生的風(fēng)災(zāi)對(duì)于人民的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的損失，通過(guò)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析［1］，發(fā)現(xiàn)北太平洋的臺(tái)風(fēng)數(shù)量和能量急劇增長(zhǎng)，會(huì)增加臺(tái)風(fēng)發(fā)生的次數(shù)以及強(qiáng)度，其給我們的啟示要加強(qiáng)抗風(fēng)理論的研究，特別是建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)理論研究。

1 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載對(duì)于建筑物的影響

1.1 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載對(duì)于建筑產(chǎn)生振動(dòng)原因分析

1)一個(gè)地區(qū)的風(fēng)向是一定的，在外界條件不發(fā)生變化時(shí)，是不會(huì)發(fā)生較大變化的，這種風(fēng)結(jié)構(gòu)包括平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，其中脈動(dòng)風(fēng)的發(fā)生主要體現(xiàn)在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向振動(dòng)，這種振動(dòng)要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中特別考慮。

2)建筑結(jié)構(gòu)背后存在的漩渦也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，方向與風(fēng)向垂直，尤其建筑結(jié)構(gòu)背后附屬建筑煙囪、高層建筑等細(xì)長(zhǎng)柱體結(jié)構(gòu)。

3)受其他建筑物尾流影響而產(chǎn)生的振動(dòng)。

4)由空氣負(fù)阻尼引起橫向失穩(wěn)式振動(dòng)［2］。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載后果分析

1)結(jié)構(gòu)物或者建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生過(guò)大的撓度或變形，使得外墻、外裝修材料發(fā)生損壞;

2)風(fēng)荷載對(duì)建筑物產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使得建筑受到疲勞破壞，嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能;

3)氣動(dòng)力會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性的影響逐漸增大;

4)風(fēng)荷載動(dòng)力的不斷增大，導(dǎo)致受力增大，影響人類(lèi)的居住舒適度。

2 抗風(fēng)基本理論

2.1 基本概念

建筑結(jié)構(gòu)面直接承受風(fēng)荷載作用，其可能產(chǎn)生的結(jié)果效應(yīng)，是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要考慮的因素之一，根據(jù)風(fēng)壓荷載作用面積進(jìn)行分類(lèi)，具體可以將風(fēng)荷載效應(yīng)分為以下幾類(lèi):

1)順風(fēng)向效應(yīng);

2)橫風(fēng)向效應(yīng)及共振效應(yīng);3)空氣動(dòng)力失穩(wěn)。

2.1.1 風(fēng)速分壓的影響

不可壓縮的流體指的是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中密度不發(fā)生變化或者是變化很小的流體，理論分析時(shí)將低速運(yùn)動(dòng)的空氣可作為不可壓縮的流體看待，其滿(mǎn)足的伯努利方程是:

其中，w為單位面積上的風(fēng)壓力;ρ為低速運(yùn)動(dòng)的空氣密度;v為自由氣流的風(fēng)速。

2.1.2 基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓

基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓一般需要滿(mǎn)足6個(gè)條件，分別是標(biāo)準(zhǔn)高度的規(guī)定(以10 m為標(biāo)準(zhǔn)高度);地貌的規(guī)定(空曠平坦地貌);平均風(fēng)速的時(shí)距(10 min作為取值標(biāo)準(zhǔn));最大風(fēng)速的樣本(年最大風(fēng)速);最大風(fēng)速的重現(xiàn)期(取大于年平均值很多的某個(gè)值來(lái)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì));最大風(fēng)速的線性(極值Ⅰ型分布曲線描述)。

2.1.3 風(fēng)剖面和風(fēng)壓高度變化系數(shù)

現(xiàn)實(shí)生活中，不同高度下的風(fēng)速是不同的，必須掌握不同高度下風(fēng)速才能準(zhǔn)確衡量風(fēng)荷載的大小，才能設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足建筑需求，平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律，稱(chēng)為平均風(fēng)速梯度，即風(fēng)剖面。風(fēng)壓高度變化系數(shù)即是通過(guò)風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律和不同地面的粗糙程度確定的風(fēng)壓高度變化率。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)理論基礎(chǔ)

在建筑結(jié)構(gòu)正常使用階段，各種荷載作用下，產(chǎn)生的變化也在不斷的發(fā)生變化，可能在不同的時(shí)間段產(chǎn)生的同一類(lèi)荷載的波形也是不同的，我們稱(chēng)這種荷載為隨機(jī)荷載。隨機(jī)荷載確定后，可以得知不同時(shí)間段的荷載波形是不同的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不能根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的風(fēng)荷載進(jìn)行全部預(yù)測(cè)做抗風(fēng)設(shè)計(jì)，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的損害情況，不能保證結(jié)構(gòu)的絕對(duì)安全，因此隨機(jī)荷載下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)該采用統(tǒng)計(jì)學(xué)或者是概率論的方式進(jìn)行分析。

2.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析計(jì)算和風(fēng)荷載公式

對(duì)于不同振型的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載影響會(huì)有對(duì)應(yīng)的等效荷載響應(yīng)，一般按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)算，高層建筑以及高聳結(jié)構(gòu)屬于懸臂結(jié)構(gòu)類(lèi)型，抗風(fēng)分析中按照第1振型進(jìn)行計(jì)算。但是實(shí)際中抗風(fēng)分析中單單考慮一種振型得到的結(jié)果是片面的，一般取主要考慮因素的時(shí)候，才按照單一振型進(jìn)行分析。

還有全動(dòng)力計(jì)算方法，該類(lèi)計(jì)算方法主要是針對(duì)風(fēng)或者是脈動(dòng)風(fēng)作為主要輸入因素，按照隨機(jī)振動(dòng)理論直接進(jìn)行計(jì)算求出響應(yīng)方法，是一種較為常用的方法，根據(jù)工程實(shí)際需求，由隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行求解相應(yīng)的參數(shù)。

若是不考慮風(fēng)振，則風(fēng)中只包含平均風(fēng)，考慮的主要因素是瞬時(shí)風(fēng)速以及風(fēng)壓對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)的增值影響作用，可以利用等效荷載響應(yīng)方法進(jìn)行求解。

此外，在風(fēng)速達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，風(fēng)荷載運(yùn)動(dòng)會(huì)被無(wú)限放大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意風(fēng)速臨界值的界定，以免實(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)生空氣動(dòng)力失穩(wěn)。

2.4 荷載效應(yīng)組合

不同荷載條件下的結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的差異可以用分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行區(qū)分，其中永久荷載和可變荷載分別乘以不同的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算荷載，當(dāng)結(jié)構(gòu)上施加兩種及以上的荷載時(shí)，要選取標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)椴煌奢d在同一時(shí)刻達(dá)到荷載的最大值，這種發(fā)生的概率偏小，取其標(biāo)準(zhǔn)值比較合理，通過(guò)荷載系數(shù)可以得出結(jié)果荷載的設(shè)計(jì)值。

2.5 風(fēng)荷載作用下的受力變形特點(diǎn)

低層建筑結(jié)構(gòu)，通常取其重力作為豎向荷載的設(shè)計(jì)控制值(非地震區(qū)域)，但是建筑層數(shù)的不斷增大，水平荷載不斷增大，逐漸在荷載設(shè)計(jì)中占據(jù)主導(dǎo)，會(huì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，起決定性作用。高層建筑結(jié)構(gòu)的高與寬的比值較大，軸向變形對(duì)于結(jié)構(gòu)的總側(cè)移變化產(chǎn)生較大的影響，會(huì)使得整個(gè)框架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體彎曲變形。

3 風(fēng)荷載作用下荷載效應(yīng)的分析

當(dāng)混凝土受到拉力和壓力同時(shí)作用時(shí)，會(huì)隨著荷載產(chǎn)生不同的應(yīng)力，而且不同荷載產(chǎn)生的應(yīng)力也是不同的，差異較大，彈性變形和塑性變形同時(shí)存在，隨著荷載作用的不斷增大，也會(huì)使得結(jié)構(gòu)達(dá)到其強(qiáng)度極限值，應(yīng)力開(kāi)始下降，產(chǎn)生裂縫，這個(gè)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的線性變化，比較復(fù)雜。

在實(shí)際工程中，針對(duì)不同的應(yīng)力變化有不同的應(yīng)對(duì)之策，從實(shí)際發(fā)生的裂縫方向出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，通過(guò)理論以及計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，以及可能出現(xiàn)的結(jié)果，便于更加合理的制定策略，一些常用的分析方法有:試驗(yàn)分析法;非線性分析方法;塑性極限分析方法;線彈性分析方法以及塑性?xún)?nèi)力重分布分析方法。

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)，水平荷載的作用較為主要，一般的計(jì)算荷載效應(yīng)的方法有反彎點(diǎn)法、D值法，隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，普遍被大眾認(rèn)同的計(jì)算方法是有限元法，即矩陣位移法，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的有機(jī)結(jié)合。