試論工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)破壞和抗風(fēng)設(shè)計

張塞北

【摘要】常見的一種自然現(xiàn)象就是風(fēng)，而風(fēng)災(zāi)造成的損失非常嚴(yán)重，工程結(jié)構(gòu)的損壞和倒塌是風(fēng)災(zāi)損失的重要形式之一。所以保證工程安全性的重要工作主要是合理和全面的計算工程的抗風(fēng)設(shè)計，因此工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中非常重視的一個研究課題主要是抗風(fēng)設(shè)計。。本文主要是對工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)破壞和抗風(fēng)設(shè)計進(jìn)行了具體的研究。

【關(guān)鍵詞】工程結(jié)構(gòu) 風(fēng)災(zāi)破壞 抗風(fēng)設(shè)計

前言：自然災(zāi)害中影響最大的一種主要是風(fēng)災(zāi)，其對國內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)都會造成巨大的損失。工程結(jié)構(gòu)的損害和倒塌是風(fēng)災(zāi)主要損失的形式，而且工程的安全性受到工程抗風(fēng)設(shè)計的影響，所以工程結(jié)構(gòu)中主要研究的課題就是抗風(fēng)設(shè)計。當(dāng)前國內(nèi)外都十分重視風(fēng)工程的研究，因此具體研究工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)破壞和抗風(fēng)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

1、工程結(jié)構(gòu)中風(fēng)的作用

1.1順風(fēng)向效應(yīng)

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中必須要考慮的效應(yīng)主要是順風(fēng)向效應(yīng)，其作用在一般情況下是非常重要的。

1.2橫向和共振效應(yīng)

在橫風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)會受到空氣黏性和流速的影響，其會使結(jié)構(gòu)尾部出現(xiàn)流體旋渦脫落的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)的截面形狀和的雷諾數(shù)對這種現(xiàn)象的產(chǎn)生具有一定的影響，經(jīng)過工程科學(xué)家的研究可知，不同形式的旋渦脫落和結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動會出現(xiàn)在不同的雷諾數(shù)的范圍內(nèi)：

亞臨界范圍的周期性旋渦脫落震動主要是：Re<3×10⁵ ；

超臨界范圍的不規(guī)則隨機(jī)振動主要是：3×10⁵≤Re<3.5×10⁶；

跨臨界范圍的規(guī)則的周期振動主要是：Re≥3.5×10⁶。

渦激共振是在旋渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相等時引起的。

1.3失去穩(wěn)定的空氣動力

當(dāng)風(fēng)速與某一臨界值相等時，會無限加大結(jié)構(gòu)的運動，從而使空氣動力失穩(wěn)的現(xiàn)象得以產(chǎn)生。

1.3.1在風(fēng)的作用下，自激振動機(jī)制是在結(jié)構(gòu)振動反饋空氣力的作用下產(chǎn)生的，而危險的發(fā)散振動主要是在顫振和馳振相同的臨界狀態(tài)下產(chǎn)生的。

1.3.2有限振幅的隨機(jī)強(qiáng)迫振動，即抖振主要是在脈動風(fēng)作用下產(chǎn)生的。

2、抗風(fēng)設(shè)計的方法

如果風(fēng)致振動是由自然風(fēng)引起的，則首先要保證發(fā)生危險顫振和馳振的臨界風(fēng)速和結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速的安全性，從而為結(jié)構(gòu)在各個階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性提供保障，同時要在可以接受的范圍內(nèi)限制渦激振動和抖振的最大振幅，從而可以避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞的現(xiàn)象。如果最初設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案無法使抗風(fēng)要求得以滿足，則要通過對設(shè)計修改等方法將抗風(fēng)穩(wěn)定性提高或者將風(fēng)致振動的振幅減小。復(fù)雜性是結(jié)構(gòu)不規(guī)則鈍體氣動的特性，所以當(dāng)前描述風(fēng)和結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)學(xué)模型還無法建立，其只能利用半實驗或純實驗的方法解決相關(guān)問題。

3、工程抗風(fēng)設(shè)計的主要內(nèi)容

3.1近地風(fēng)特性。風(fēng)速會受到不同場地地貌的影響。在地表摩擦力的作用下，隨著離地高度的減小會降低接近地表的風(fēng)速。地表無法對風(fēng)造成影響的狀態(tài)主要是其達(dá)到梯度風(fēng)高度以上，也就是離地200-500m以上，這時梯度風(fēng)速是各處的風(fēng)速。摩擦層主要是梯度高度以下的近地層面，而且地理位置、溫度的變化和地形條件等都會對其造成一定的影響。風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律、脈動風(fēng)速的強(qiáng)度、空間相關(guān)性、風(fēng)速的水平攻角和周期成分等都是抗風(fēng)設(shè)計中要考慮的風(fēng)的特性。

3.3結(jié)構(gòu)的動力特性。結(jié)構(gòu)動力特性的力學(xué)模型對其分析的正確性具有決定性的作用，而且在簡化結(jié)構(gòu)的過程中要將結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量等效性繼續(xù)保持?？梢岳糜邢拊獎恿Ψ治龀绦蚍治鼋Y(jié)構(gòu)動力。一階振型是我國建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中考慮的基本結(jié)構(gòu)，而且其簡化公式是存在的。小于等于4是考慮的多層拉繩桅桿結(jié)構(gòu)的振型數(shù)量。在橋梁結(jié)構(gòu)中，主梁最低階對稱和反對稱的豎向彎曲、側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)的6個模態(tài)是最為主要的。隨著科技的不斷發(fā)展，膜結(jié)構(gòu)等多種新的結(jié)構(gòu)形式逐漸出現(xiàn)，而且膜結(jié)構(gòu)主要是在大型體育館中進(jìn)行使用。但是這種結(jié)構(gòu)具有很輕的自重，所以整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制因素之一就是風(fēng)振效應(yīng)，而且學(xué)者們在理論上還在繼續(xù)討論這種結(jié)構(gòu)的動力特性和風(fēng)振問題。

3.4空氣的動力穩(wěn)定性。顫振和馳振是結(jié)構(gòu)空氣動力失穩(wěn)的主要兩種形式，而只有在兩種驅(qū)動機(jī)制下才能發(fā)生顫振：1、古典耦合顫振會在近似流線型的扁平結(jié)構(gòu)斷面中發(fā)生，其具有很高的臨界風(fēng)速，這時結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率會被高速流動風(fēng)引起的剛度效應(yīng)所改變，從而使統(tǒng)一的顫振頻率在臨界風(fēng)速下耦合形成，同時對結(jié)構(gòu)的振動發(fā)散進(jìn)行驅(qū)動；分離流的扭轉(zhuǎn)顫動一般在非流線型的結(jié)構(gòu)斷面形成，負(fù)阻尼效應(yīng)是在流動風(fēng)對斷面的扭轉(zhuǎn)運動下產(chǎn)生的，當(dāng)其與臨界風(fēng)速相同時，振動發(fā)散是由空氣的負(fù)阻尼克服結(jié)構(gòu)的正阻尼所導(dǎo)致的。

結(jié)構(gòu)橫截面的外型對馳振的發(fā)展具有決定性的作用，一般考慮最多的兩種空氣動力穩(wěn)定性的主要是大跨橋梁結(jié)構(gòu)和柔度大的高聳結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：由此可見，工程結(jié)構(gòu)的安全性是由工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計來保證的，而為風(fēng)工程和抗風(fēng)設(shè)計提供保障的主要是工程數(shù)值仿真研究，當(dāng)前人們對工程數(shù)值仿真方法的運用越來越重視，其發(fā)展前景是非常廣闊的。所以要將其研究力度不斷加大，從而將我國工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的水平不斷提高，從而不斷加強(qiáng)工程的安全性。