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横风向风振:结构台风灾害与抗风设计

时间:2023-09-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:横风向风振的定义见2.5节。在风速较低时,旋涡脱落在建筑物两侧同时发生,产生顺风向风振,不会产生横风向风振。横风向风振冲击力在建筑物左右轮流产生,其频率刚好是顺风向风振冲击力的一半。当Re≥3.5×106且结构顶部风速vH的1.2倍大于vcr时,可发生跨临界的强风共振,此时应考虑横风向风振的等效风荷载。

横风向风振:结构台风灾害与抗风设计

横风向风振的定义见2.5节。

对于出现如下情形之一,建筑高度超过150 m、建筑高宽比大于5、圆形截面构筑物高度超过30 m且高宽比大于4的高层建筑以及细长圆形截面构筑物,其横风向风振作用效应明显,应考虑横风向风振的影响。

2.7.1.1  卡门涡街

当建筑物上有来流作用时,会在建筑物两侧背后产生旋涡,而且旋涡交替出现。如图2.7.1-1a,来流绕过圆柱体,沿上风面AB速度逐渐加大,到B点风压力最低,下风面的风速逐渐降低,风压力又开始增大。由于边界层的气流在建筑物表面产生摩擦,消耗部分能量。因此气流在BC段某一点S产生速度停滞,产生旋涡,点S的旋涡在外流的影响下,以一定频率产生周期性脱落,如图2.7.1-1b,这种现象叫卡门涡街。卡门涡街会导致建筑物表面风压呈周期性变化。建筑物表面产生周期性变化的力,与风向垂直,发生的原因叫旋涡激振。因此旋涡激振是由于旋涡的出现而产生强迫振动,一旦振动增强,在振动控制下,又会产生新的涡流,表现出自激振动特征。旋涡脱落现象可以用斯托罗哈数St,一个无量纲参数表示。

式中:fs——旋涡脱落频率;

   v——平均风速;

   D——圆柱截面直径。

图2.7.1-1 圆柱体旋涡

矩形平面高层建筑,旋涡脱落又是另外一种情况,见图2.7.1-2。在风速较低时,旋涡脱落在建筑物两侧同时发生,产生顺风向风振,不会产生横风向风振。在风速较高时,旋涡脱落依次在建筑物两侧发生,产生顺风向风振的同时会产生横风向风振,对建筑物产生顺风向风振冲击力和横风向风振冲击力。横风向风振冲击力在建筑物左右轮流产生,其频率刚好是顺风向风振冲击力的一半。

图2.7.1-2 矩形平面高层建筑旋涡

2.7.1.2  雷诺

流体力学中,对流体质点起主要作用的是两种力,惯性力和黏性力。惯性力是空气流动时自身质量产生的惯性力,大小为单位面积上的压力(ρv2/2)乘以面积,惯性力在结构中引起附加应力。黏性力是流体经过物体时习惯性黏在物体表面,反映流体抵抗剪切变形的能力,黏性力的大小用黏性系数μ表示,黏性应力为黏性系数μ乘以速度梯度du/dy或者是剪切角γ的时间变化速率。黏性力等于黏性应力乘以面积。

科学家雷诺提出惯性力与黏性力的比作为参数的动力相似定律,叫雷诺数Re。雷诺数相同时,流体的动力特征相似。雷诺数也是衡量平滑流动的层流向混乱无规则的湍流转换的尺度。雷诺数的定义为:

式中:ρ——空气密度(kg/m3);

   v——计算高度处速度(m/s);

   μ——空气黏性系数[(kg/(m·s)]。(www.xing528.com)

   D——结构截面的直径(m),当结构的截面沿高度缩小时(倾斜度不大于0.02),可近似取2/3 结构高度处的直径;

   x——运动黏性系数(m2/s),x=μ/ρ。

根据雷诺数的定义,当雷诺数很小时,惯性力与黏性力的比小于1/1000,惯性力很小,黏性力很大,意味着高黏性特征。当雷诺数很大时,惯性力与黏性力的比大于1/1000,惯性力很大,黏性力很小,空气流动属于这种情况,意味着惯性力起主要作用。

旋涡脱落的频率或者斯托罗哈数St与雷诺数Re有关,当3.0×102 ≤Re<3.0×105时,旋涡周期性脱落明显,周期接近于常数,St≈0.2;当3.0×105≤Re<3.5×106时,旋涡脱落随机性明显,St为离散状态;当Re ≥3.5×106时,旋涡又重新出现周期性脱落现象,周期接近于常数,St≈0.27~0.3。当旋涡脱落的频率fs与结构横向自振频率接近时,产生共振,也就是横向风振。

建筑结构荷载规范:GB 50009—2012》要求,对圆形截面的结构,应按下列规定对不同雷诺数Re 的情况进行横风向风振(旋涡脱落)的校核:

(1)当Re<3×105且结构顶部风速vH大于vcr时,可发生亚临界的微风共振。此时,可在构造上采取防振措施,或控制结构的临界风速vcr不小于15 m/s。

(2)当Re≥3.5×106且结构顶部风速vH的1.2倍大于vcr时,可发生跨临界的强风共振,此时应考虑横风向风振的等效风荷载。

(3)当3×105≤Re <3.5×106时,则发生超临界范围的风振,可不做处理。

(4)空气运动黏性系数为1.45×10-5 m2/s,雷诺数Re可写成下列公式:

式中:v——计算所用风速,可取临界风速值vcr(m/s);

   D——结构截面的直径(m),当结构的截面沿高度缩小时(倾斜度不大于0.02),可近似取2/3结构高度处的直径。

(5)临界风速vcr和结构顶部风速vH可按下列公式确定:

式中:Ti——结构第i振型的自振周期,验算亚临界微风共振时取基本自振周期T1

   St——斯托罗哈数,对圆截面结构取0.2;

   μH——结构顶部风压高度变化系数;

   w0——基本风压(kPa);

   ρ——空气密度(kg/m3)。

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