关于风荷载的一些初步知识。.doc

横向风振及形成原因
1.关于风荷载的一些初步知识。

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
和扭风力矩，如图6-7。在一般情况下，不对称 气流产生的风力矩一
般不大，工程设计时可不考虑，但 对有较大不对称或较大偏心的结
构，应考虑风力矩的影响。

2.结构抗风计算的几个重要概念
结构的风力和风效应
3.横向风振的产生及其对建筑物的影响
横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、
弛振、颤振、扰振等空气动力现象。根据研究可发现横风向风振与结
构截面形状和雷诺数Re有关，可得：

惯性力=单位面积上的压力 v2/2 · 面积
F
粘性力=粘性应力· 面积F =（粘性系数 ·速度梯度dv/dy）·面
积
F。
横向风振的产生(圆截面柱体结构)
沿上风面AB速度逐渐增大（v ），B点压力达到最小值;

P
L

截面
风速 B PM
P
D

 结构上的风力
顺风向力→PD 、 横风向力→ PL 、扭力矩→ P
M

 结构的风效应
~
由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应


vBlvlvFlvFvRe690002粘性力惯性力雷诺数
sm251045.1,-空气动力粘性系数

一、结构的风力和风效应
沿下风面BC速度逐渐降低（ v ↓），压力重新增大。
气流在BC中间某点S处速度停滞（ v =0），生成旋涡，并在外流的
影响下以一定周期脱落（脱落频率fs）---Karman 涡街当气流旋涡
脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构发生共振，即发生横
向风振 。

结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动。
@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，必须予以高度重视。
空气动力失稳（驰振、颤振）
结构在顺风向和横风向风力甚至风扭力矩作用下，
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。如果结构阻尼力小于这些 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，在风工程中，通常称为弛振（弯 或扭受力）或颤
振（弯扭耦合受力）。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。

横风向风荷载是一与顺风向风荷载同时存在的风荷载。 对圆截面柱体
结构，当发生旋涡脱落时，若脱落频率与结 构自振频率相符，将发生共振现
象。大量试验表明，旋涡
脱落频率f s与风速v成正比，与截面的直径D成反比。试验
表明，涡流脱落
振动特征可以由雷诺数Re的大小分三个临

界范围，雷诺数为：
式中
v
—空气运动粘性系数，约为1.45×10-5m2/s。

由此可得
Re 69000vD
当结构沿高度截面缩小时（倾斜度不大于0.02）,可近

似取2/3结构高度处的风速和直径。
4.横风向风引起的共振问题探究
 圆筒式结构三个临界范围为：
跨临界范围：Re 3.5  10^6 强风共振引起周期脱落振动
超临界范围：3.010^5  Re  3.5  10^6 呈随机性不规则振动
亚临界范围：3.010^2  Re  3.0  10^5 微风共振,基本恢复到周期脱
落振动
周期振动可以引起共振（涡流脱落频率接近自振频
率）从而产生大振幅振动。由于雷诺数与风速v有关，亚临
界范围即使共振，由于风速较小，也不致产生严重的破 坏。当风速增大而
处于超临界范围时，旋涡脱落没有明显 的周期，结构的横向振动也呈随机
性。所以当风速在亚临 界或超临界范围内时，一般情况下，工程上只需采
取适当 构造措施即可，即使发生微风共振，结构可能对正常使用 有些影响，
但不至于破坏，设计时只要控制结构顶部风速 即可。当风速更大，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，由于风速甚大或已到设计值，因而振幅极大，可 产
生比静力大几十倍的效应，国内外都发生过很多这类的 损坏的事例，所以
对此必须予以注意。
4.结构横向风力和风效应计算

PL=L(v＾2/2)B
L -横风向风力系数，与雷诺数R
e有关

跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横向风作用力
PL(z,t)= (v＾2(z)/2)B(z) Lsinst
风旋涡脱落圆频率 s=2fs= 2St v(z)/B(z)
St-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2
横风向风作用力频率（ fs ）与结构横向自振基本频率（ f1）接近时，结
构横向产生共振反应
锁住（look-in）区域
风旋涡脱落频率fs保持常数（=结构横向自振频率f1）的风速区域
跨临界范围（确定性振动）
锁住区域: PL(z)sin1t
其它区域： PL(z)sins(z)t
亚临界范围（确定性振动） PL(z)sins(z)t
超临界范围（随机振动） PL(z)f (t)
共振临界风速由下式计算

式中
St
—斯脱罗哈数，由下式计算
对圆柱型截面，根据试验确定其斯脱罗哈数为0.2，
式变为

此临界风速在结构上如能发生，才能产生共振，结构
顶点风速
v
H

最大，因而vc必须小于
v
H

结构横风向风效应
对圆形截面的结构,应根据雷诺数Re的不同情况进行横向风振(旋涡
脱落)的校核。
当Re  3.0  105 时（亚临界的微风共振）
应控制结构顶部风速vH不超过临界风速vcr，即vHvcr。

f
1—结构基本自振频率；

St—斯脱罗哈数，St =fsD/v ，圆截面结构取St
=0.2；

w—风荷载分项系数，取
w =1.4；


H—结构顶部风压高度变化系数；

w
0—基本风压(kN/m2)；

—空气密度(kg/m3)。
当结构顶部风速超过vcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临

St
Df
vcr1=



02000wvHw
H

界风速vcr15m/s。
当Re 3.5  106 且结构顶部风速vHvcr 时（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
跨临界强风共振引起在 z 高处振型 j 的等效风荷载wczj：
wczj = ︱j ︱v
2crzj/12800 j (kN/m2)

j—计算系数，是对振型情况下考虑与共振分布有关的折算系数，
按规范表7.6.2确定；
zj—在z高处结构的j振型系数；
 j —第j振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取 j =0.05。
因此圆柱型结构产生横向涡流脱落共振而需加以验算

的条件由下列公式确定：

与临界风速 vc 对应的高度
H
称为共振区起点高

度，在该高度以上一般

为共振区，都作用着计算的临界风速
如图所示。
共振起点高度H1
可由风速剖面为指数曲线推出，即

顶点风速为：
由上式求出 v，得到 H1 的另一表达式为：

横风向共振时运动方程为：
上式按结构动力学求解为：
如取则相应的横风向共振等效风荷载
由于考虑的是共振，因而可与不同振型发生共振关系，
一些国外规范建议对一般结构可验算1～4个振型，但一般第 一、第二振
型共振影响最为严重。
当验算横风向共振效应 S （内力、变形等）时，应与顺风 向相应的
荷载效应 组S 合，此时顺风向风荷载可不考虑高度变化，即

组合公式为：
称为横风向第j振型参与系数
5.防风措施介绍及其优点分析
随着科学技术的发展和经济实力的提高，轻质高强的建材被广泛应
用于高层建筑和高耸结构中，随之而来的是，结构的刚度和阻尼相对
减小，结构在风荷载和地震作用下的各种响应增大，直接影响了高层
建筑和高耸结构的正常使用。采用传统的提高结构自身强度，刚度和
延性的设计方法既不经济，又达不到预期效果。为此在这里介绍一种
简单经济，易于实施等优点的悬吊质量摆减振方法，作为一种新型的
结构振动被动控制方法，已成功的应用于实际结构中。
质量摆减振原理分析
，
试验装置如图所示

可得试验数据如下：
由于目前的科学发展水平还没有达到可以解决流体运动的所有问题，
所以关于对横向风荷载的研究还有很长的路要走。