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土木工程的结构抗风
风灾是自然灾害的主要灾种之一,其发生频繁,在全世界范围内造成了巨大的人员伤亡和经济损失。其中对结构工程师来说,如何使自己的结构能够抵抗可能出现的风灾,也是近年来结构设计的重点之一。近20年来,国内外建造了大量的重大工程建筑结构,在这些重大工程的设计中,强风作用下结构的风荷载往往决定着结构的安全性能,需要引起设计人员的高度重视。
风,即在外力作用下引起的气流流动。首先能够影响到建筑安全性的风大多都是近地风。那么近地的风有什么样的特点呢?在流体力学中我们知道,流体固壁对流体的剪切力使得流体速度接近于零,并且随着与固壁距离的增大这种剪力会减小。同理,地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力,从而使气流速度减慢,该阻力对气流的作用随高度的增加而减弱,当超过了某一高度之后,就可以忽略这种地面摩擦的影响,气流将沿等压线以梯度风速流动,称这一高度为大气边界层高度或边界层厚度,一般达到几百米以上。结构上需要考虑的风都处于大气边界层中。在边界层以上的大气称为自由大气,以梯度风速流动的起点高度称作梯度风高度,用z c表示,梯度风速用v zc表示,就可以得到以下一个定性的风速关系:
一般来说如果与流体力学相对应的话,大气边界层内近地层的气流是湍流。而在自由大气中的空气流动则是层流,基本上是沿着等压线以梯度速度流动(均匀流)。作为土木工程结构设计者,我们最关心的是处于大气边界层内部风的状况。
在对大气边界层内部风速变化的研究中,一般用对数律表示大气底层风速廓
线比较理想,其表达式为
式中,
——大气底层内z’高处的平均风速
——摩擦速度或流动剪切速度
——卡曼常数
——地面粗糙长度
——有效高度
这种方法是现阶段公认的较为理想的大气底层风速廓线描述方法。在此基础上,接下来对风对结构的作用进行描述。首先,我们能测得的是风的速度,而风对结构的作用则是采用风压或者风力进行表达,因此这里首先说到如何将风速转化成风压。因为大气边界层中我们认为气体不可压,因此根据伯努利方程
p + ρv2/2 +ρgh =常量
忽略体力作用的话,以w1表示单位面积上的静压力(k N/m²),可将上公式改写成
当v=0时,C1=w2为最大静压力,令为静压力则有
这就是在已知基本风速情况下的风压计算公式。接下来描述风在建筑上的压力分布。
在上课的时候老师就提到过在高风中窗户往外倒,的确,这是一个涉及到伯努利方程的问题,风速大,压力小。然而这只能解释侧面风,正面风其实风压还是很大的,如果是单向风的话,墙壁会承受很大的风压。一般地,处于风流场中的建筑物,其迎风面一般会受到压力作用,且由于建筑大多为都是直角直线型的结构,在背风面、侧面和屋面角部会产生一定的旋涡,从而引起吸力。而其屋面则更是会有很大的负压,历史上多次发生在风灾中著名建筑屋顶被掀的事情。下面对建筑物正面、侧面、屋面和背面的风流动作进一步解释。
对于建筑物的正面,气流对该表面有向下流动的趋势,而且绕两侧和顶面流动,根据查找资料,如果假设正面为矩形的话,用流体力学的流线分析,假设空气来流为对数律,则大约在建筑物的2/3高度处,气流与建筑碰撞后速度为零,产生一个正面的滞点。根据流线分析法,经过这点的流线是一条直线,由于流线不相交,我们可以认为该滞点也是一个辐射发散的中间点,在这点以上的部分流线向