结构风工程研究的现状和展望
项海帆
(同济大学结构工程学院 上海,200092)α
摘要 结构风工程问题研究是风工程学科形成的起源。经过半个世纪的发展,已经奠定了结构风工程的理论基础,可以满足一般结构的抗风设计要求。21世纪结构长大化、高耸化以及外形复杂化的趋势使结构风工程研究面临新的挑战,需要对现行的理论和方法进行精细化的改进和发展,同时开展有效风振控制方法的研究,关键词:风工程;抗风设计;风致振动;结构振动控制
中图分类号:TU311.3
引 言
19404个月的塔科马悬索桥,在不到20m??s的八级大风作,震惊了桥梁工程界。在为调查这一事故而收集桥梁风毁的历史材料中,人们发现,自1818年起,至少已有11座悬索桥毁于暴风,而且从目击者的记载中可以明显地看到关于振动的描述。然而,遣憾的是在长达150年的时间中,工程师们只认识到风的静力作用。塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期,并以此为起点,经过近半个世纪的发展,形成了一门新的边缘学科——风工程学。
按照国际风工程协会的定义,风工程学科主要研究“大气边界层中的风与人类在地球表面的活动及其劳动成果之间的相互作用。具体地说,它包括三个方面的分支:即:
1.结构风工程:研究风和结构的相互作用,亦称结构风效应问题,特别是动力风效应,即风致振动问题。
2.车船风工程:研究除航空航天飞行器以外的运载工具如汽车、船舶在高速运行时所受到的空气动力作用(广义地可包括体育运动中的风工程问题,如自行车、滑雪、标枪、铁饼等)。
3.环境风工程:研究风引起的质量(气体、液体或固体)迁移(如污染、扩散、风沙、风雪等)问题。
在风工程学科中,结构风工程问题作为学科发展的起源,始终处于核心的地位,也是历届国际风工程会议中论文作者最多,规模最大的分组。此外,减轻灾害和保护环境又是人类面临的两大使命,因而结构风工程和环境风工程的研究就更具有重要的意义。
经过半个世纪的发展,结构风工程研究已取得了许多成果,奠定了理论基础,为结构的收稿日期:1997203208;修改稿收到日期:1997205221α
第3期项海帆:结构风工程研究的现状和展望25 9抗风设计提供了基本的参数和近似的风载和风振分析手段。应该说,从工程应用的观点看,对于一般的大跨、高耸结构,现有的理论和方法可以满足设计要求。下面分几个方面介绍结构风工程的现状,并对其发展前景作一展望。
1 近地紊流风特性研究
风特性研究是风工程的基础工作。过去,关于风的资料主要来源于各气象站约10米高风标上所安装的旋转杯式风速仪。这种由J1Robinson于1846年发明的风速仪至
今还在使用,但由于仪器的惯性大,它所测量的是有一定时距的平均风。近50年来,测风仪器有了巨大的进步,从较灵敏的螺旋桨式风速仪发展到激光、超声以及微波风速仪,可用来测量空气的微小瞬时运动。
空军基地用于监测高空风况的风速测量记录(用气球、飞机和高塔)糙度影响的、较稳定的梯度风数据。不同时期的地面粗糙度,造成统计上的困难和误差,传统的10米高度已逐步被梯度风高度(300～自A.G.Davenport,风的紊流特性及其有关参数已日,,这些数据所提供的规律是否适用于粗。此外,对于大跨高耸结构的紊流风响应分析,其空间相关性对响应十分敏感,而实测数据又很少,也影响了分析结果的可靠性。
2 钝体空气动力学研究
空气绕过钝体时的风场和绕过流线体时有明显的不同,这是因为存在分离流和剪切层的非定常振动。结构风工程要面对复杂的钝体空气动力学问题,还要考虑来流紊流所引起的迎风钝体表面的压力脉动以及结构风致振动。
对钝体空气动力学的研究始于1933年,Bailey在英国国家物理实验室(NPL)的风洞中率先进行了一座铁路车库的模型试验,并和现场实测的压力系数作了对比,发现了来流边界层的粗糙高度Z0和房屋高度h之比的重要影响。1958年M.Jens据此建议这一无量纲比值作为模型试验的相似常数,称为M.Jensen定律。60年代A.G.Davenport和B.J.Vick2
.C.S.Gartshore第一次ery发展了边界层风洞技术,进行了简单钝体的绕流试验。1973年I
系统地揭示了不同比例的矩形钝体在来流紊流风场中的气动现象。他发现:随着紊流的加强将减少边缘分离边界层的曲率半径,使分离流提早与物体再附,从而改变压力分布以及相应的升力曲线斜率,并且影响振动钝体的驰振现象。此后,B.E.Lee(1975)和W.H.Mel2bourne(1975)用流迹显示实验深入地研究了气流在钝体前缘的分离和再附的规律,进一步明确了紊流强度对流态的影响。
进入80年代以后,钝体空气动力学的研究逐渐和工程应用相结合。主要有以下几个方面:
(1)高层建筑的幕墙动压
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由于发生了玻璃幕墙的强风作用下的破坏,世界各国的风载规范试图列入有关幕墙峰值压力系数的条文。风洞试验显示:在建筑物的转角处,由于气流的分离出现明显的边缘不连续性,最大峰值负压系数可以从常数的-3～-4增大到-8,因而必须引起特别的注意。
(2)高层建筑的横风向响应
高层建筑作为钝体绕流将发生边缘处的旋涡脱落并激发横风向的振动。来流紊流也会对旋涡脱落过程产生重要影响,主要是改变气流的再附,从而影响响应的大小。与方形断
面的建筑相比,圆形断面或削角的方形断面建筑的横风向响应要小得多,同时驰振的稳定性也能得到改善。
(3)桥梁的涡振和抖振响应
形状较钝的桥梁断面会发生涡激振动。在紊流风场中,脉动风压引起的抖振力将激起桥面的随机振动响应。从流迹显示中可以观察到紊流度对流态(分离和再附),并改变跨度方向的相关性。
(4)大跨悬臂雨蓬
目前主要通过节,。
(CFD)也从70年代起由航空工程逐渐引入了,80年代起,为了研究紊流场中钝体的绕流,,如基于平均雷诺数的N2S方程的紊流模型(RANSmodel)和基于空间过滤的紊流模型(LES)。利用这些模型进行了二维和三维矩形断面的固定钝体和振动钝体的流场和压力场数值分析,取得了和实验较一致的结果。
综上所述,由于钝体空气动力学在理论上的困难,目前还处于较初始的阶段,研究对象还限于简单钝体。对于实际土木工程中复杂外形的振动钝体问题,目前主要依靠风洞试验来提供设计所需的风载和风振响应值。
3 结构的风致振动研究
结构的风致振动是一个空气弹性力学问题,以区别于研究固定物体绕流的空气动力学问题。在本世纪20年代,由于分析机翼的颤振破坏建立了空气弹性力学的新领域。T.Theodorson(1935)和H.G.Küssner(1936)发表了最初的关于机翼非定常气动力理论,提出了气动导数的概念。
3.1 颤振
当1940年发生塔科马悬索桥的风毁事故后,很自然地就想到了借用机翼颤振理论来解释桥梁的发散振动,同时仿照机翼的节段试验进行了桥梁的节段试验。F.Bleich(1948)和F.B.Farquharson(1949)是结构工程师研究风致振动的先驱者。A.Selberg(1961)和K.βKloppel(1963)通过系列试验建立了桥面断面颤振临界风速的实用计算公式和不同断面的修正系数,成为指导桥梁抗风设计的重要手段。
60年代,R.H.Scanlan发现对于大部分非流线形的桥梁断面,气动导数中的扭转阻尼
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第3期项海帆:结构风工程研究的现状和展望26 1项随风速的增加会改变符号,即出现负阻尼,并由此驱动扭转振动的发散。他提出了桥梁的扭转颤振机理以区别于机翼的古典耦合颤振,同时建立了在节段模型试验中识别气动导数的方法。R.H.Scanlan的桥梁颤振理论经过补充和完善,至今仍是桥梁最危险的风致振动——颤振分析的基石。
80年代起,由于Y.K.Lin在时域中分析了紊流对颤振稳定性的影响,提出紊流可能降低稳定性的论点。R.H.Scanlan进行了紊流风场中的气动导数识别,发现对于较钝的断面中,均匀流和紊流风场下的气动导数确有明显的差别。然而,由于紊流风场使风场的水平相关减弱,总的来看,紊流风场中的颤振临界风速仍要高于均匀风场,而且发散比较缓慢。因此,他认为在抗风
设计中可以把紊流看作是提高稳定性的有利因素加以忽略。大部分全桥气弹模型试验的结果也证实了这一点。
90年代初,https://www.doczj.com/doc/f110475730.html,rsen用计算流体力学手段解出了流线形桥梁断面(大海带桥)的气动导数,进而得出了颤振临界风速,并且和风洞试验的结果基本符合,“数值风洞”的重要一步。
3.2 紊流风响应(抖振)
,在房屋建筑中则称为顺风向和,评定舒适度以及计算疲劳可靠度的重要依据。
A.G.rt)首先在准定常气动理论和随机振动理论的基础上发展了一个分析方法,用于计算房屋建筑的紊流风响应。1975年J.D.Holmes建议引入Sears函数表示的气动导纳来考虑比较接近实际的非定常气动力。在将上述方法推广应用于分析桥梁抖振时,R.H.Scanlan(1977)提出应当同时考虑平均风产生的自激力的作用,因为用气动导数表示的气动阻尼将对抖振响应产生重要影响。1993年R.H.Scanlan总结了用频域方法进行颤抖振联合分析问题,指明了气动导数、气动导纳及其内在关系,同时强调指出水平相关系数的取值对抖振响应的重要性。
尽管R.H.Scanlan的颤抖振理论对于结构的抗风设计是一个十分有用的手段。但仍然有下列几个方面有待于进一步的精细化。
(1)基于线性叠加的频域分析方法是按振型逐个计算模态响应,然后再组合起来。对于更加柔性的大跨度非线性结构,需要发展时域分析的方法。在明石海峡大桥和大海带桥等的实例中已经指出了考虑各种非线性因素和多振型耦合进行时域分析的必要性。为此,需要把气动参数从频域转向时域,同时考虑按结构变形后的状态建立平衡方程进行非线性的迭代运算。
(2)已经知道颤振导数与结构的振动幅度有关。当柔性结构进入临界状态时,大振幅的发散振动对气动导数的影响是重要的。此外,气动导数的识别方法也需要改进,以提高其精度。
(3)为了进一步弄清紊流对气动参数的影响,需要改进风洞的边界层模拟技术。常用的被动模拟方式所得到的积分尺度,一般都低于实际大气边界层的情况,需要进一步发展主动紊流发生器的装置,以实现比较真实的边界层风洞模拟。
(4)对于较流线形的断面,缩尺模型的雷诺数效应可能使气动参数不真实,其气动等效
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性需要进一步证实。
(5)简单的塔形高耸结构的一维风振问题已研究得比较多。然而随着高层建筑的密集化和外形复杂化(如双塔楼式、弧形平面、门洞式立面等),需要考虑复杂钝体的气动特性和邻近建筑的气动弹性干扰效应。
3.3 拉索的风致振动
拉索的风致振动是大跨度斜拉桥常见的现象,因而日益受到
人们的关注。这种振动虽然是局部的,然而却会造成拉索的疲劳,缩短其使用寿命。
拉索风致振动的机理很多,现已认识到的有以下几种:
(1)单根拉索的涡激振动。由于拉索的基频较低,相应的涡振风速也小。一般观察到的都是三阶以上的涡激共振。
(2),从而激发起较强烈的尾流驰振。
(3)拉索的参数共振。,(4)。雨流顺拉索下泄形成一个较粗的水道,。风洞试验已证实了这一致振机制。
4 结构风振控制研究
与地震响应不同,风振响应在很大程度上取决于风对结构的相互作用,而且这一作用和结构的外形密切相关。当风振响应超过可接受的程度时,采用气动措施改变结构的外形(如切角,开透风槽,加风嘴等)或增设一些导流设施(如导流板、抑流板、稳定板等)以改变结构周围的流态往往是最积极主动而又经济合理的途径,应该优先加以考虑。
迄今为止,已通过风洞试验证实了许多气动措施的有效性。然而,其减振机理的空气动力学解释却是十分困难的课题,有待于今后研究解决。
各种被动的、主动的和半主动的机械措施对抑制风振也是有效的,可以作为第二层次的减振措施加以适当的应用。有时,为在施工阶段提高大跨度桥梁的颤振临界风速或减小主梁悬臂状态的抖振响应,可以设置临时的被动阻尼器(如TMD,TLD等)以避免采用其他妨碍通航的风缆措施。
拉索风振的控制有多种方式:
对于高阶小振幅的涡激振动,一般都采用在拉索两端安装阻尼橡胶垫圈的方式进行减振控制。然而,当拉索较粗大时,这种简易的措施就显得能力不足,采用类似于汽车避震器的油阻尼器是更为有效的方式。国外也有设置垂直于拉索方向抗风系缆,利用干扰效应来进行减振控制。
对于并排拉索同样可以设置横向系扣,利用前排不振的拉索来抑制后排发生尾流驰振的拉索。随着拉索吨位的增大,这种并排的拉索将被单根粗索所替代。
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第3期项海帆:结构风工程研究的现状和展望26 3对于拉索的雨振,通过在拉索表面上加平行的突出条纹的方式可以隐蔽水道,保持圆断面外形,从而破坏这种激振机制。此外,采用抗风系缆的方式也是有效的。
应当说,在风致振动及各种有效振动控制措施的空气动力学机理尚未完全弄清楚之前,风工程学科还只能算是一种半技术、半科学的知识。从感性的技术上升为理性的科学正是我们的科学研究任务。
5 结束语
21世纪结构工程长大化、高耸化以及外形复杂化的发展趋势使工程研究面临新的挑战。为了解决在复杂城市环境下大型复杂形体结构的风载和风振问题,需要对现行的理论和方法进行精细化的改进和发展。钝体空气动力学在理论上的困难使人们一
时还难以摆脱对风洞试验的依赖。要在结构风工程领域实现“数值风洞”的梦想,。从某种意义来说,结构风工程问题比航空空气动力学更为复杂和困难。、振动工程和工程力学界的同仁联合攻关,为21,使我国的结构工程学科全面赶上世界先进水平,。