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(jì)算工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，因此工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中非常重視的一個(gè)研究課題主要是抗風(fēng)設(shè)計(jì)。。本文主要是對(duì)工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)破壞和抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(jì)

前言：自然災(zāi)害中影響最大的一種主要是風(fēng)災(zāi)，其對(duì)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)都會(huì)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(jì)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(jì)。當(dāng)前國(guó)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(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)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(huì)受到空氣黏性和流速的影響，其會(huì)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(duì)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(dòng)會(huì)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(dòng)主要是：Re<3×10⁵ ；

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

跨臨界范圍的規(guī)則的周期振動(dòng)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(shí)引起的。

1.3失去穩(wěn)定的空氣動(dòng)力

當(dāng)風(fēng)速與某一臨界值相等時(shí)，會(huì)無(wú)限加大結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而使空氣動(dòng)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(dòng)機(jī)制是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)反饋空氣力的作用下產(chǎn)生的，而危險(xiǎn)的發(fā)散振動(dòng)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(dòng)，即抖振主要是在脈動(dòng)風(fēng)作用下產(chǎn)生的。

2、抗風(fēng)設(shè)計(jì)的方法

如果風(fēng)致振動(dòng)是由自然風(fēng)引起的，則首先要保證發(fā)生危險(xiǎn)顫振和馳振的臨界風(fēng)速和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速的安全性，從而為結(jié)構(gòu)在各個(gè)階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性提供保障，同時(shí)要在可以接受的范圍內(nèi)限制渦激振動(dòng)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(jì)的結(jié)構(gòu)方案無(wú)法使抗風(fēng)要求得以滿足，則要通過對(duì)設(shè)計(jì)修改等方法將抗風(fēng)穩(wěn)定性提高或者將風(fēng)致振動(dòng)的振幅減小。復(fù)雜性是結(jié)構(gòu)不規(guī)則鈍體氣動(dòng)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(wú)法建立，其只能利用半實(shí)驗(yàn)或純實(shí)驗(yàn)的方法解決相關(guān)問題。

3、工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

3.1近地風(fēng)特性。風(fēng)速會(huì)受到不同場(chǎng)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(huì)降低接近地表的風(fēng)速。地表無(wú)法對(duì)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(shí)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(huì)對(duì)其造成一定的影響。風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律、脈動(dòng)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(jì)中要考慮的風(fēng)的特性。

3.3結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的力學(xué)模型對(duì)其分析的正確性具有決定性的作用，而且在簡(jiǎn)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?jiǎng)恿Ψ治龀绦蚍治鼋Y(jié)構(gòu)動(dòng)力。一階振型是我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中考慮的基本結(jié)構(gòu)，而且其簡(jiǎn)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(duì)稱和反對(duì)稱的豎向彎曲、側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)的6個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要控制因素之一就是風(fēng)振效應(yīng)，而且學(xué)者們?cè)诶碚撋线€在繼續(xù)討論這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和風(fēng)振問題。

3.4空氣的動(dòng)力穩(wěn)定性。顫振和馳振是結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力失穩(wěn)的主要兩種形式，而只有在兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)制下才能發(fā)生顫振：1、古典耦合顫振會(huì)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(shí)結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率會(huì)被高速流動(dòng)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)散進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；分離流的扭轉(zhuǎn)顫動(dòng)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(dòng)風(fēng)對(duì)斷面的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的，當(dāng)其與臨界風(fēng)速相同時(shí)，振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(jì)來(lái)保證的，而為風(fēng)工程和抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供保障的主要是工程數(shù)值仿真研究，當(dāng)前人們對(duì)工程數(shù)值仿真方法的運(yùn)用越來(lái)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(guó)工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的水平不斷提高，從而不斷加強(qiáng)工程的安全性。