风致振动简述
大桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例
⼤桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例2019-05-10摘要：⽂章通过对塔科马⼤桥的风振事故来探究风振的原理，来概述了风洞试验的发展，以及风振有效的防护措施。
关键词：⼤桥蛇形共振；桥梁抗风；风振动防范；塔科马⼤桥1 理论概述建造⼤桥的时候我们不仅仅要考虑⼤桥的承载能⼒，美观度以及经济性，此外我们建造的⼤桥，⼤跨度桥常常因为柔度⾮常⼤，⽽受风荷载影响很⼤，⼤桥在未知的风的作⽤下会产⽣⼗分巨⼤的变形以及振动。
随着桥梁跨度的增⼤，⾮线性因素也愈加明显，不确定的因素也就变得很⼤很⼤，这就给已经⾮常复杂的风-车-桥系统研究加⼤了难度。
在风速较⼤的地区⽐如芝加哥，修建跨江、跨海铁路⼤桥时，为了确保桥梁结构及列车运⾏安全，必须要综合考虑风和列车荷载对桥梁的动⼒作⽤。
在国内外关于车桥耦合振动及桥梁抗风研究的基础上，需要考虑⼤跨度桥梁的⼏何⾮线性因素。
我们有必要来探究下⼤桥共振的原因，我们说的⼤桥看成不是⼀个刚体并有⾃振，在车辆通过⼤桥的时候对⼤桥产⽣压⼒，⼤桥就会受⼒变形，若这个⼒与⼤桥⾃⾝的震动吻合就会产⽣共振，然⽽这个问题要控制在⼀个安全范围内才对⼤桥不⾄于造成破坏。
概括来讲，该问题属于⽓动弹性振动问题.美国的塔卡马⼤桥就是这样被垮的。
原因是桥垂直⽅位的结构上的板引起了桥发⽣⼀系列振动。
桥对风有相当⼤的阻⼒，因此风被桥遮挡，⾼强度的⽓流只能从结构板上⽅经过，最后压向了桥表⾯。
由于通过的⽓流由于连续的被曲折就加快了它流动的速度，由伯努利定律可知在竖直⽅向上结构板的上⽅及下⽅将产⽣明显的压降。
⽆所谓的是风⼀直从板正前⽅吹过来，它的原因是上下⽅产⽣的压⼒降低会导致相互的抵消。
⿇烦的事是若风⽅向随机且不停地产⽣变换，这将导致压⼒产⽣不断地波动变化。
产⽣的压⼒差若加在了整个桥⾯之上，⽽且因为能够挡住风的竖直⽅向的结构板后，将产⽣涡流并且不断的加强，将会最终导致桥⾯开始振动。
从理论上讲当桥⾯经受⼀定流速的⽓流吹动，就不可避免地会产⽣⾃激振动.除此之外⼀个因素是某个桥墩由于流体的涡振产⽣松动，这使得桥墩产⽣周期性的振动，使桥⾯产⽣低频振荡，车桥耦合振动的概率很⼩，由于车辆的激励频率要⾼好多.2 桥梁风致病害典型案例分析我们举⼀个⾮常有名的例⼦吧，就是著名的塔科马⼤桥由于风振产⽣的倒塌事故。
斜拉索风雨振的动力学行为研究
过实 验 ， 出上水 线 的运动 是 导致 风 雨 振 的主 要原 因。 得
国内 ， 文献 ［ ６ 通 过人 工雨线 拉 索模 型试 验 ， 究 了 ４— ］ 研 拉索 风雨激振 的机 制 。文 献 ［ ］ 过 现 场 实 测所 获得 ７通
力均 匀 ；
④ 不 计拉 索重力 对其 弦 向张力 的影 响 … ； ⑤ 只考 虑上 水线 对拉 索 振动 的影 响 ， 略 下水 线 忽
影响；
建立如 图 １ 示 的 ｏｙ 所 ｘｚ坐标 系 ， 索 长 度 为 Ｚ两 拉 ， 端点 水平及 垂直 方 向的距 离分 别 为 Ｌ 和 ：拉 索 与水 ， 平方 向 的夹 角为 Ｏ， 向角为 Ｊ， 流 风 速为 。拉 索 ｔ风 Ｂ来
ｌ ＝ １上 ２ Ｃｃｓ 十 Ｄｎ） ， Ｌ ￣ Ｃｓ￣ ’ ｕ （ ｏｂ ｐ ｉｂ
的长度 ， 图 ２所示 。当发 生风 雨振 时 ， 如 如不 考率 拉索
｛ 厶Ｖ Ｃｃｓ ＋ 十０）＋ ｆ Ｌ（ ｔｏ（ ｏ ｒ
：
（） ２
轴 向振动 时 ， ｙ为索 单 元在 Ｙ轴 偏 离 静平 衡 位 置 的位
整 的动力学特性 。利用伽辽金截断方法将连续偏微分方程转 化为常微分 方程 ， 借助 规范形理论得 到了系统 的平均方 程 ， 证 明了系统存在稳定的定常解 。运 用 Ｍａ ｅ ａｉ 程序对 系统进行 数值 分析 ， ｔ ｍ ｔａ ｈ ｃ 得到 了拉索 和水线 的运动相 图。数值模 拟
结果对理论研究的有效性进行 了验证。最后讨论 了拉 索线性 阻尼系数 、 水线与拉索 间的粘附 系数 、 水线单位 长度 质量等
结构动力学-1
大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所
结构动力学 Dynamics of Structures
Tacoma Narrows Bridge
风致振动破坏 大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所 结构动力学 Dynamics of Structures
2004年9月－2005年9月：墨西
哥湾多次飓风便造成约190座海洋平 台严重破坏和损伤。
结构动力学 Dynamics of Structures
典型动力荷载的特性和来源
简谐荷载
复杂荷载
冲击荷载
长持续时间的荷载
大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所
结构动力学 Dynamics of Structures
动力问题的基本特性：
F F
惯性力 （a)静荷载 (b)动力荷载
荷载、反应不随时间变化 反应具有单一的解
荷载、反应随时间变化 全部时间历程上的一系列解
弯矩、剪力及挠曲形状直接
依赖于外荷载，与外力相平衡
位移与加速度有联系，加速度产
生惯性力 弯矩、剪力需平衡外力和惯性力
* 缓慢变化的荷载，其惯性力与外荷比很小，分析时仍视作静荷载。
大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所
结构动力学 Dynamics of Structures
惯性力P(t)与加速度成正比，但方向相反。
m
P(t )
m
(t ) v
(t ) 0 P(t ) mv
抵抗质量加速 度的惯性力
P(t )
(t ) mv
形式上的平衡方程，实质上的运动方程
大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所
结构动力学 Dynamics of Structures
§1-6 结构动力分析的一般过程
斜拉桥风致抖振时域分析
斜拉桥风致抖振时域分析摘要：随着交通事业的快速发展，在我国中西部地区需要建设大量的斜拉桥等大跨度柔性桥梁用于跨越沟谷。
该地区是我国风灾发生较高的区域之一，风环境复杂多变，除了对斜拉桥进行静风稳定的验算，同时也有必要研究脉动风对斜拉桥影响。
本文将通过时域方法分析斜拉桥的抖振。
关键词：斜拉桥脉动风抖振时域分析中图分类号：u4 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）05-0178-021.引言我国的中西部山区面积广大，地形复杂，具有山高谷深，风环境复杂等特点，这就需要建设大跨径桥梁以跨越山谷、河流等。
其中斜拉桥是跨越能力比较强的柔性桥型之一。
旧塔科马桥的风毁事故引起人们对桥梁风致振动的关注，其中风对斜拉桥等大跨度桥梁的影响不容忽视。
频域分析、全桥模型风洞试验方法和时域分析方法是现在分析桥梁抖振的主要方法，其中桥梁有限元模型时域分析是比较常用的方法。
2.时域方法的主要步骤桥梁结构抖振时域分析主要包括三个方面：一是空间脉动风场的有效模拟；二是时域风荷载模型的处理；三是非线性时程分析。
2.1.脉动风的模拟1）主梁模型的选择。
在大跨径桥梁全桥的结构分析中，常采用平面和空间杆系结构，塔和墩简化为通过其中心线的两节点两单元，而斜拉索等杆系简化为两节点杆单元。
在三维空间分析中，由于主梁作为横向尺寸较大的实体结构，其纵向还有斜拉索、纵梁等不同构件连接。
都使得不能只用一个空间梁单元进行描述。
大跨径桥梁主梁主要有三种不同的计算模型：三梁式、双梁式以及鱼骨式。
2）风场模拟方法的选择。
抖振响应时域分析，首先依据目标功率谱函数数值模拟空间脉动风场。
对于平稳随机过程，比较常用的方法有谐波合成法与线性滤波法。
谐波合成法计算量较大，但是精度较高，一般常采用这种方法。
2.2.抖振风荷载2.3.非线性时程分析结构几何非线性处理方法。
现代大跨径桥梁的柔性特征十分明显，特别是悬索桥和斜拉桥，对其进行动力分析时必须要考虑几何非线性，才能得到精确的计算结果。
刍议大跨径悬索桥抗风问题及风振措施
刍议大跨径悬索桥抗风问题及风振措施摘要：随着现代桥梁技术的不断提升，大跨径悬索桥的应用越来越多，跨径记录也被不断打破。
悬索桥相对于其他结构形式的桥梁而言，其更容易受到风力的影响，尤其是对于大跨径悬索桥而言，风力作用下引起的各种振动对于桥梁的稳定性会造成极大的影响。
因此，如何提升抗风问题成为了大跨径悬索桥在设计时的重点问题。
文章对悬索桥进行了详细的风振分析，并在此基础上对如何提升大跨径悬索桥抗风能力展开了讨论。
关键词：悬索桥，风振，桥梁稳定性前言在所有桥梁结构中，悬索桥的跨越能力是最突出的，在跨江、跨海、跨山谷等方面有重要的应用。
这种桥梁结构主要依赖于缆索支撑体系，因此其非线性特性非常明显。
正是由于这种特性，因此其在风力荷载的作用下动力响应问题也相较于其他结构桥梁更加明显。
在早期的悬索桥设计中，由于对风载作用的考虑不够全面，因此设计出来的桥梁安全性存在明显的缺陷，引发了众多安全事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡。
因此，当前悬索桥设计时尤其是大跨径悬索桥设计的过程中，相关人员非常重视桥梁的抗风问题。
文章以悬索桥风振类型出发，对桥梁自身的结构特征风载响应特征进行了归纳，并在此基础上提出了若干风振减弱措施，强化大跨径悬索桥的抗风设计方法和内容。
1.悬索桥风振分析从结构上来看，悬索桥是一种柔性结构，在风力荷载的情况下，其受力情况和振动方式具有多变性。
在经过了长期的实验探究后，人们对这种柔性结构的振动现象有了较深刻的认识。
并根据各种振动的特性制定了具有针对性的控制措施，具体如下：1.1 抖振抖振的本质是一种结构性强迫振动，其引起的原因是脉动风。
这种振动引起的原因可以概括为两种：（1）风本身的不规则性使得气流的方向和速度较为紊乱，这种紊乱的气流直接作用在桥梁结构上，引起的强迫性振动。
（2）在桥梁周围存在山体、建筑等，气流流经这些遮挡物时产生了紊乱的气流，这些气流简介作用在桥梁结构上，引起强迫性振动。
从振动的幅度上来看，由于抖振的起因是紊乱的气流，其方向是多变的，不会有明显的方向性，因此引起的桥梁振动幅度较小，一般不会直接给桥梁造成非常严重的结构性破坏，但是可能使得桥梁的部分结构变形，影响桥梁上通行人员的舒适度。
浅谈桥梁结构的风振控制
等 ） 设 耗 能装 置 。 在 小 幅振 动 时 ， 装 这些 耗 能 元 件 或 耗 能 装 置 具 有 足 够 的 初 始 刚 度 ， 于 弹 性 状 态 ， 构 仍 具 有 足够 的 侧 向 刚 度 以 满 足 使 用 要 处 结 求 。 当 出 现 大 幅 振 动 时 ， 着 结 构 侧 向变 形 的增 大 ， 能 元 件 或 耗 能 装 随 耗 置率先进入非弹性状态 ， 产生较大阻尼 ， 大量 消耗输 入结构的地震或风 振能量。 结 构 主 动 控 制 是 在 结 构 受 到 外 部 激 励 而发 生振 动 的 过 程 中 ，利 用 外部能源瞬时施加控制力或瞬时改变结构 的动力特性 ，以迅速衰减和 控制结构振动反应 的一种减振控制技术 。结构 主动 控制需要实时测量 结构 反应或环境干扰 ，采用现代控制理论 的主动控 制算法在精确的结 构模 型上运算和决 策最优控制力 ，最后作动器在很 大的外 部能量输入 下实 现最优 控制力 。在结 构反应观测基础上实现 的主动控制 成为反馈 控制 ， 而结 构环境 干扰 观测基础 上实现 的主动控制则称为前馈控制 。 结 构半 主动控 制是在主动控制的基础上提 出的 ，是一种 以参 数控 制 为 主 的结 构 控制 技 术 。 是 根 据 控 制 系 统 的输 入 输 出 要 求 ， 用 控 制 它 利 机构来 实时调节结构 内部 的参数 ， 使结构参数处于最优状态 。 结构半主 动控制 的原 理与结构 主动控制的基本相 同，只是实施控制力 的作 动器 需要少量 的能量调节 以便使 其主动地甚至可 以说是巧妙地利 用结构振 动的往 复相对 变形或相对速 度 ， 尽可能地实现主动最优控制力 。因此 ， 半 主 动控 制 作 动器 通 常是 被 动 的 刚 度 或 阻 尼 装 置 与 机 械 式 主 动 调 节 器 复合 的控 制 系 统 。 混合控制 是主动控制 和被动控制的联合应用 ，使其协调起来 共同 工 作 。 种 控 制 系统 充 分 利 用 了被 动 控 制 与 主 动 控 制 各 自的 优 点 ， 既 这 它 可以通过被 动控制 系统 大量耗散振动能量 ，又可 以利用 主动控 制系统 来保证控制效果 ， 比单纯 的主动控制能节省大量 的能量 ， 因此有着 良好 的工 程 应 用 价 值 。 把经验 和直觉推理 、综 合判断等人类生物技能应用于一 般 普 遍 兴 建 和 高效 能 建 桥 材 料 的广 泛 应 用 ，现 代 桥 梁 的 结 构形 态 逐 渐 向 大跨 、 、 方 向 发 展 。 虽 然 这 对 于 美 观及 经 济 轻 柔 性 方 面 是 有 益 的 ， 是 却 给 结 构 设 计 、 工 甚 至 运 营 提 出 了更 高 更 严 格 但 施 的要求。大跨 度桥梁作 为生命 线工程 的重要组 成部分 ， 在政治 、 经济 领 域 占据着重要 的地位 ， 于它们 的安全性应给予格外的重视。现代桥 梁 对 结构趋 于轻 、 的特点给结 构本 身抗风抗震性 能提出了考验。随着大跨 柔 度柔性 桥梁的出现 ， 风荷载往往成 为结 构上的支配性 荷载。 是空气从 风 气压大的地方 向气压小 的地方 流动 而形成 的。风在行进 中遇到结构 ， 就 形成风压力 ， 使结构产生振 动和变形 。桥梁受 风力 的作用后 ， 结构物振 动 与 风 场 间产 生 的互 制 现象 一 空 气 弹 力 效 应 所 引 起 的 气 动 力 不 稳 定 现 象机率 大为增加 ， 风、 强 弱风都有可 能使之 整体或局 部产 生损坏 。 如 ， 例 １４ ９ ０年 １ １月 ７日， 美国华盛顿 州建成 才 ４个月 的老 塔科马（ａｏ ） Ｔ ｃｍａ 悬 索桥（ 主跨 ８ ３ ） ５ ｍ仅在 ８级大风 作用下就发生强烈 的风致振动而破坏 的 严 重事故 。 该事件促使 了桥梁工程界对结构风致振动 的研究 ， 由此发 并 展了一 门新 的学科一桥梁风工程学 。 近几年来 ， 随着我 国大跨度桥梁 的 建设 ， 桥梁风 害也 时有发生 ， 西九江长江公铁两 用钢 拱桥 吊杆 的涡激 江 共振； 上海杨浦大桥斜拉索 的涡振和雨振损坏套索 等。由此可见 ， 通过 对 大跨度桥梁 的抗风 问题进行 理论研究 ，采取有效 的措施把风对桥梁 的 危 害控 制 在 容 许 范 围 内 ， 有 十分 重 要 的理 论 价 值 和 实 际 意 义 。 具 ２桥 梁 结 构 的 风 致 振 动 ． 桥 梁 结 构 风 致 振 动 可 分 为 两 大 类 ： 类 为 限 幅振 动 ， 要 包 括 抖 振 一 主 和涡激振 ； 另一类为发散性振动 ， 主要包括驰振和颤振 。 桥梁 的抖振是指桥梁结构 在紊流场作用下 的随机 性强迫振动 。根 据 现有研究成果 ， 抖振虽然并不像 颤振那样引起灾难性 的失稳破坏 ， 但 是 过大的抖振 响应 在桥梁施 工期间可 能危及施工人 员和机械 的安全 ， 在 成 桥 运 营 阶段 则 会 带 来 结 构 刚度 问 题 而 影 响 行 人 和 车 辆 的 舒 适 性 以 及 引起交变应力缩短构件 的疲劳寿命 。 气流绕过物体时 ， 在物体两侧 会形成不对称脱落 的漩 涡 ， 从而形成 交 替作用在物体上 的横风 向的涡激力或力矩 ，结构在 这种类似简谐力 的作用下 ， 就会发生横风 向或扭转 的涡激振动 ， 并且在漩 涡脱落频率与 结 构的 自振频率一致时将发生涡激共振 。 对桥梁结构而言 ， 除透风率大 于 ５ ％的桁架主梁可以不考虑涡激振动外 ，一般均需 对主梁整体 的涡 ０ 激振动 。 此外 ， 大跨度系杆拱桥的 吊杆 、 斜拉桥 的斜拉索 、 悬索桥和斜拉 桥 在 施 工 阶段 的独 塔 等 也 易 于 发 生 涡激 振 动 。 浸没在气流 中的弹性体本 身会发生变形或振 动 ，这种变形或振动 相 当于气体边界条件 的改变 ， 而引起气流力 的变化 ， 从 气流力的变化又
斜拉索风雨振研究现状和尚待解决的问题
下 新
涡
能不均一 ，造成索尾流的卡门涡有多个频率 ，当风速远高于卡门涡致
…
… …
振动 的发生 风速 时 ，不 同频 率 的涡 互 相耦 合 ，每 ３～５个 周 期 可 能 形 １１１１ ６ 带水线斜拉索的 ｃＦＤ模拟
成一个 加强 的涡 ，这个加 强 的涡的频 率与索 的 自振频率 接近 或相 同 ，引 发高风 速涡致 振动 ¨ 。 （３）轴向流理论 。索的尾流区域有与索轴线方 向一致的轴 向流（Ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ），轴向流与索组合 ，使得索
况 ，以及这些参数对索气动稳定性 的影响等 ，尚没有完整 的试验结果 。造成水线参数难 以测试 的试验原
因是 ：对于回流式风洞，不适合进行模拟降雨的试验 ，目前为止进行的模拟降雨试验多在直流风洞 出口的
射流 区进行 ，流场 品质不容 易保证 和控制 ；水线 的形成 需要 索具 有一 定 的长 度 ，部分 直流 风洞 的断面 尺寸
１ 研 究 方 法
１．１ 现 场观 测 １９８４年位 于 日本名古 屋 的名 港西 大桥 上 的斜 拉索发 生 了风雨振 动 ，当时 的石川 岛播 磨重 工 柴株式 会
收 稿 日期 ：２０１０—０５—０５ 作者简介 ：刘庆宽 ，男 ，１９７１年 出生 ，博 士 ，教授。主要研究 方向为桥梁与结构 的风荷载 、风致振动与控制。发表论文 ４５篇 。 基金项 目：国家 自然科学基金项 目（５０８７８ｌ３５／Ｅ０８０８Ｏ２）；河 北省 自然 科学基金项 目（Ｅ２００８０００４４２）；河北省科 技支撑计 划
斜 拉索 的振动会 引起 索端部 接头部 分产 生疲 劳 破坏 ，破 坏 索 的防腐系统，严重的还会引起索 的失效。同时，索的振动会 引起 索 内部钢丝 之 间的相 对 错 动 和摩 擦 ，损 坏 钢丝 表 面的 防腐 材 料 ， 使得腐 蚀后 的钢丝 疲劳 强度 降低 。另外 ，减振 用 的阻 尼装 置也 经 常被 索 的大 幅振 动所破 坏 ，如 杨 浦 大桥 的部 分 拉 索锚 具破 坏 ］、 南京 长江二桥 的部分 油 阻尼器损 坏 ，日本 的寸 、／ ＩＪ、ｙ （Ｓｕｎ ｂｒｉｄｇｅ）桥 发生 的风雨振 造成许 多 阻尼减 振器破 坏 ，其 中一根 锚 固 在桥 台附近地 面 的索 的振 动敲 打钢梁 的翼 缘部 分 ，造成 了该 部 分 结构 的严 重破坏 （图 １和 图 ２） ，这 引起 了设 计 人员 和研 究 者 的 图 Ｉ Ｓｕｎｂｒｉｄｇｅ桥索振造成的钢梁破坏 注意 。在 近 ２０多年 中 ，为 了明确风 雨振 的发 生 机 理 ，研 制 抗 风 雨振 的气 动措 施 或其 它方 法 ，研 究人 员 分 别通 过现场 观测 、风洞试 验 、理 论分 析和数 值流 体计算 等方 法对该 问题进 行 了研究 。
风振对桥梁工程损害及防治
风振对桥梁工程损害及防治摘要：风对桥梁的作用是一种十分复杂的现象，随着桥梁跨径的不断增加，风振现象也越来越受到工程界的关注。
本文针对抖振、涡激共振、风雨振等风致振动对大跨度桥梁的结构安全形成不可忽视的影响，探讨了大跨度桥梁抗风设计原则与风致振动的控制,提出了改善桥梁结构和增加机械阻尼等方法.关键词:大跨度桥梁;风致振动;抗风设计1引言1940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的主跨853m的塔科马悬索桥在风速不到20m／s的8级大风袭击下发生了当时还难以理解的强烈振动，奇妙的风竟使桥面扭曲翻腾．而且振幅愈来愈大。
直至使桥面倾翻到45度，最终导致桥粱的折断坠入峡谷之中。
这次事故后引起了国际桥梁工程界和空气动力界的极大关切,并开展了大量的理论探索和风洞实验研究。
我国自70年代起斜拉桥蓬勃发展,跨度日益增大,1999年10月，主跨1385m的江阴长江公路大桥的建成通车，使我国成为世界上能自主设计和建造千米级悬索桥的第六个国家。
中国改革开放以来已经建成了百余座缆索承重桥梁,其中包括10座悬索桥和近20座跨度超过400m的斜拉桥.与此同步，斜拉桥和吊桥的风致振动理论与实验研究也结合工程实际迅速发展,并取得了一些有价值的研究成果。
2桥梁结构风致振动理论风灾是自然灾害中发生最频繁的一种,桥梁的风害事故屡见不鲜。
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约。
当风绕过一般为非流线型作用截面的桥梁结构时，会产生旋涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力.当桥梁结构的刚度较大时,结构保持静止不动，这种空气力的作用只相当于静力作用。
当桥梁结构的刚度较小时，结构振动受到激发，这时空气力的作用不仅具有静力作用，而且具有动力作用。
2.1 风的静力作用静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。
在顺风平均风的作用下,结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向,其中横桥向水平风力最为危险，是主要的计算对象.它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。
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主要内容
风工程学简述
风洞试验 风对建筑物的破坏
风荷载概述
风振不适感的控制
风工程学概述
国外从1879年塔科马桥风毁以后开始风工程研
究，至今只有60多年，我国研究不到20年。
风工程研究近年在国内外发展很快，已形成一 门新兴学科，国际风工程学会和中国风工程学会 分别于上世纪 60 年代和 80 年代成立。
风荷载概述
风压基本特点:
1、紊乱性和随机性 2、迎风面压力，背风面吸力
3、风压的不确定性
风荷载概述
风荷载概述
风荷载概述
风荷载概述
风压对高楼的危害 1.隔墙开裂,甚至主体结构破坏 2.疲劳,失稳破坏
3.装饰物和玻璃幕墙破坏
4.摆动使居住者感到不适不安
风振不适感的控制
随着房屋高度增加，在强风作用下，高 楼(高层钢结构)所产生的振动，使人不舒适， 所以高楼的抗风设计，不仅要满足强度、变形 和倾覆稳定方面的要求，而且还要使高楼在顺 风向振动、横风向振动和扭转振动控制在不使 居住者产生不适感的容许限度内。
1.合理的建筑体形 a.流线形平面（圆形或椭圆、平面切角) b.截锥状体形(减小风荷载和增加抗推刚度) c.不大的高宽比
d.透空层
e.并联高的控制
透空层
风振不适感的控制
并联高楼群
风振不适感的控制
截锥状体形
风振不适感的控制
风振不适感的控制
2.设置阻尼装置
风振不适感的控制
世界上首先提出舒适感与房屋顶层加速度
关系的是加拿大的达文波特教授，国内的研究 很少。 目前的计算建筑物顶层加速度的经验公式。
通过风洞试验进行确认。
风振不适感的控制
衡量不适感的尺度 1、人体对运动的承受
1970年，美国波士顿一座高楼在0.98KN/m²风
1 压下，并且 ，人却感到不适。 h 700
风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引
起高层建筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承 重桥梁、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，
产生动力荷载，甚至引起破坏。
风致振动减振措施依据： 1、结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚 度（或柔度）、阻尼和质量特性。 2、不同的外形将引起不同的风致动力荷载。 3、结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。 4、结构的阻尼越高，其风致振动的响应也就越小。
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
风荷载概述
风荷载概述
结构风工程研究对象和内容广泛。
从结构方面来看，涉及到低矮建筑、大跨度建
筑结构、高层建筑、高耸结构、桥梁、海洋工程结 构等； 从研究内容来看，涉及到风对结构的静力作用、 风致振动响应、风振控制等.
不同的研究内容在不同的结构上往往又有不同
界层范围内的平均风剖面、紊流和自然流动，即要
求模拟风速随高度的变化。
当风洞尺寸达到宽度为2～4米、高为2～3米，
长为5～30米时一般可以满足要求。
风对构筑物的破坏
风对构筑物的作用从自然风所包含的成分
看包括平均风作用和脉动风作用，从结构的响
应来看包括静态响应和风致振动响应。
平均风既可引起结构的静态响应，又可引 起结构的横风向振动响应。 脉动风引起的响应则包括了结构的准静态 响应、顺风向和横风向的随机振动响应。
当这些响应的综合结果超过了结构的承受
能力时，结构将发生破坏。
风对构筑物的破坏
被飓风卡特里娜严重损坏的新奥尔良多层建筑
风对构筑物的破坏
窗户被飓 风卡特里 娜严重损 坏的新奥 尔良凯悦 酒店
风对构筑物的破坏
台风约克 造成的香 港湾仔数 幢大厦玻 璃幕墙损 坏情况
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
减振效果：高层钢结构变形和加速度控制成为 控制指标，在强度已满足条件下，采用加大构件截 面来满足，则不经济，而采用布置阻尼装置，增加
结构阻尼的方法有效且经济。
应用实例: 哥伦比亚大厦
世贸中心大厦等
的体现。
风荷载概述
当风以一定速度吹向建筑物时，建筑物将对
其产生阻塞和扰动作用，从而改变该建筑物周围 风的流动特性。 反过来，风的这种流动特性改变引起的空气 动力效应将对结构产生作用。
由于自然风的紊流特性，因此风对结构的这
种作用包含了静力作用和动力作用两个方面，使
结构产生相应的静力和动力响应。
风荷载概述
风工程学概述
近年来我国已建造并将继续建造大量的大 型风敏感结构。 这些结构包括大跨桥梁、超高层建筑和高
耸结构以及大跨空间结构等。
风荷载是控制这些大型结构安全性和使用 性设计的主要因素。
风工程学概述
风工程研究方法 大气边界层风洞试验
——最直接最有效
风洞数值模拟
——费用低、效率高
风洞试验
风洞模型试验是实验研究中的一项重要手段，它 与构筑物足尺实例是相辅相成的两个方面. 当结构物未建成或无条件进行实测时，模型风洞
风振不适感的控制
而加速度
4 A a 2 T
2
所以A(振幅)和T(自振周期)是表征加速 度的重要指标。
风振不适感的控制
2、人体风振反应的分级
a、按振幅和周期分级 A、无感觉 E、无法承受 b 、按加速度分级 B、有感觉
C、令人烦躁 D、令人非常烦躁
A、B、C、D、E
风振不适感的控制
减少风振加速度的途径
实验则是进行研究的唯一手段。
通过对各种特殊体型的高层、超高层建筑及建筑 群的风洞试验研究，可为设计提合理的参数，使拟建 的建筑物安全可靠，经济合理。
国内风工程研究主要集中在高等院校，如同济大学、湖南大学、西
南交通大学和汕头大学等，国内风工程研究在国际上的影响正在增大。
风洞试验
风洞试验
风洞试验
建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边
说明用 来控制侧移，并不能概括人体对运动 h 的反应和耐受程度。
风振不适感的控制
研究表明：人体感觉器官不能觉察所在位置的 绝对位移和速度，只能感受到它们的相对变化。 线性加速度是由人内耳中的耳石察觉到的，局 部加速度则是耳内的半规官感觉的。 所以，加速度（线性加速度和角加速度）是衡 量人体对高楼风振感受的最好尺度。