試論工程結構的風災破壞和抗風設計

張塞北

【摘要】常見的一種自然現象就是風，而風災造成的損失非常嚴重，工程結構的損壞和倒塌是風災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設計，因此工程結構領域中非常重視的一個研究課題主要是抗風設計。。本文主要是對工程結構的風災破壞和抗風設計進行了具體的研究。

【關鍵詞】工程結構 風災破壞 抗風設計

前言：自然災害中影響最大的一種主要是風災，其對國內外的經濟都會造成巨大的損失。工程結構的損害和倒塌是風災主要損失的形式，而且工程的安全性受到工程抗風設計的影響，所以工程結構中主要研究的課題就是抗風設計。當前國內外都十分重視風工程的研究，因此具體研究工程結構的風災破壞和抗風設計具有重要的現實意義。

1、工程結構中風的作用

1.1順風向效應

結構風工程中必須要考慮的效應主要是順風向效應，其作用在一般情況下是非常重要的。

1.2橫向和共振效應

在橫風力作用下，結構會受到空氣黏性和流速的影響，其會使結構尾部出現流體旋渦脫落的現象。結構的截面形狀和的雷諾數對這種現象的產生具有一定的影響，經過工程科學家的研究可知，不同形式的旋渦脫落和結構的風致振動會出現在不同的雷諾數的范圍內：

亞臨界范圍的周期性旋渦脫落震動主要是：Re<3×10⁵ ；

超臨界范圍的不規則隨機振動主要是：3×10⁵≤Re<3.5×10⁶；

跨臨界范圍的規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構的自振頻率相等時引起的。

1.3失去穩定的空氣動力

當風速與某一臨界值相等時，會無限加大結構的運動，從而使空氣動力失穩的現象得以產生。

1.3.1在風的作用下，自激振動機制是在結構振動反饋空氣力的作用下產生的，而危險的發散振動主要是在顫振和馳振相同的臨界狀態下產生的。

1.3.2有限振幅的隨機強迫振動，即抖振主要是在脈動風作用下產生的。

2、抗風設計的方法

如果風致振動是由自然風引起的，則首先要保證發生危險顫振和馳振的臨界風速和結構設計風速的安全性，從而為結構在各個階段的抗風穩定性提供保障，同時要在可以接受的范圍內限制渦激振動和抖振的最大振幅，從而可以避免產生結構疲勞的現象。如果最初設計的結構方案無法使抗風要求得以滿足，則要通過對設計修改等方法將抗風穩定性提高或者將風致振動的振幅減小。復雜性是結構不規則鈍體氣動的特性，所以當前描述風和結構相互作用的數學模型還無法建立，其只能利用半實驗或純實驗的方法解決相關問題。

3、工程抗風設計的主要內容

3.1近地風特性。風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速。地表無法對風造成影響的狀態主要是其達到梯度風高度以上，也就是離地200-500m以上，這時梯度風速是各處的風速。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。風速隨高度的變化規律、脈動風速的強度、空間相關性、風速的水平攻角和周期成分等都是抗風設計中要考慮的風的特性。

3.3結構的動力特性。結構動力特性的力學模型對其分析的正確性具有決定性的作用，而且在簡化結構的過程中要將結構的剛度和質量等效性繼續保持。可以利用有限元動力分析程序分析結構動力。一階振型是我國建筑結構規范中考慮的基本結構，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構的振型數量。在橋梁結構中，主梁最低階對稱和反對稱的豎向彎曲、側向彎曲和扭轉的6個模態是最為主要的。隨著科技的不斷發展，膜結構等多種新的結構形式逐漸出現，而且膜結構主要是在大型體育館中進行使用。但是這種結構具有很輕的自重，所以整個結構設計中的主要控制因素之一就是風振效應，而且學者們在理論上還在繼續討論這種結構的動力特性和風振問題。

3.4空氣的動力穩定性。顫振和馳振是結構空氣動力失穩的主要兩種形式，而只有在兩種驅動機制下才能發生顫振：1、古典耦合顫振會在近似流線型的扁平結構斷面中發生，其具有很高的臨界風速，這時結構的彎曲和扭轉頻率會被高速流動風引起的剛度效應所改變，從而使統一的顫振頻率在臨界風速下耦合形成，同時對結構的振動發散進行驅動；分離流的扭轉顫動一般在非流線型的結構斷面形成，負阻尼效應是在流動風對斷面的扭轉運動下產生的，當其與臨界風速相同時，振動發散是由空氣的負阻尼克服結構的正阻尼所導致的。

結構橫截面的外型對馳振的發展具有決定性的作用，一般考慮最多的兩種空氣動力穩定性的主要是大跨橋梁結構和柔度大的高聳結構。

結論：由此可見，工程結構的安全性是由工程結構的抗風設計來保證的，而為風工程和抗風設計提供保障的主要是工程數值仿真研究，當前人們對工程數值仿真方法的運用越來越重視，其發展前景是非常廣闊的。所以要將其研究力度不斷加大，從而將我國工程結構抗風設計的水平不斷提高，從而不斷加強工程的安全性。