浅谈土木工程结构的抗风研究发展现状

浅谈土木工程结构的抗风研究发展现状

王宇飞

摘要：本文介绍了结构抗风研究的发展现状，包括频域范围内的抗风分析和时域范围内的抗风分析，具体又包括风洞试验、现场测试以及数值风洞方法。文中指出了这些研究、分析结构抗风方法的优缺点并对未来的发展方向做了展望。

关键词：风荷载抗风高层建筑大跨结构风洞风工程频域时域

随着经济技术的发展与社会的进步以及生产生活的需要，高层、超高层建筑以及大跨空间结构形式越来越受到人们的青睐，显示出极具竞争力的发展前景。而随着新材料, 新工艺, 新技术, 新形式以及新的设计方法的应用使得这些结构

形式的体型更加复杂, 结构更加轻柔,从而使得其对于风荷载的作用也更加敏感。因此土木工程结构抗风研究变得日益重要化和迫切化。本文就目前结构抗风研究的发展现状进行简要介绍并分析各种方法的优缺点，提出对未来的展望。

一、频域范围内的抗风分析

1.风洞试验

风洞试验是开展结构抗风研究的重要基础。风与结构相互作用十分复杂,在理论上还不能建立完善的数学模型来描述实际问题。而现行荷载规范风荷载条文中，关于结构的风荷载计算规定和说明虽为建筑结构的风荷载计算提供了实用的方法，但由于规范所提供的体型系数没有具体考虑所处的周围环境、大气边界层等的影响，加上结构体型的不规则性等复杂因素，计算结果误差较大。

风洞主要是用来做缩尺模型试验的设备，物体在介质中运动时，若一个模型与全尺寸事物具有相同的雷诺数和马赫数，则模型上作用的力和力矩与实物上的力和力矩成一定比例。对于体形特殊、高度较大、周围地形复杂及周围建筑较多的高层建筑及大跨建筑，规范不能明确地提供体型系数并建议进行风洞试验。风洞可以采用模型来做试验，且随时可以使用，因而是一种方便、准确的研究结构抗风性能的方法。目前，风洞己成为专用的试验设备，其理论和试验技术日臻完善和成熟。

风洞试验有显著的优点:试验条件、试验过程可以人为地控制、改变和重复；在实验室范围内测试方便并且数据准确而且直观。

风洞试验也有缺点，如风洞本身造价昂贵、动力消耗巨大;从模型制作到试验完成的周期较长；试验都是针对特定的工程结构进行，结构模型利用率低;某些

工程经费不是很充裕、工期要求较短，限制了该试验方法在工程实践中的应用。

2.现场测试

现场实测指观测实际建筑物表面的风压分布，测量结构各个部分的位移、变形等。通过现场实测，可获得详细全面、可信度较高的数据资料，加深对结构抗风性能的认识，优化设计阶段所采用的试验模型或计算模型，为制定建筑荷载规范提供依据。此外，现场实测能够及时发现问题，以便采取相应的处理措施。前述各种风速谱都是基于大量翔实的观测资料，如Davenport 谱是在不同地点、不同条件下测得的90 多次强风记录基础上归纳出来的,大多数国家建筑荷载规范都采用此水平风速谱公式。我国工程界对超高层建筑上的风向、风速、风压测试工作非常重视,曾在深圳地王大厦、香港中国银行大厦等开展过连续观测。

然而，场实测也受到一些条件的限制：一是自然风变化不定，工作环境可能不安全；二是现场测试组织和安排比较复杂，耗时耗资大，实验成本高；三是实测数据的精度问题，及到传感器的质量、数据的采集与传递、信息的存贮与后处理等方面。此外，现场实测一般在工程建成并投入使用后才能开展，只能为今后同种类型的工程结构设计提供参考。因此通常只对重大科研项目开展现场测试。

3.计算风工程

计算风工程（C W E）又称为数值风洞方法，是利用计算流体力学（C FD）方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风荷载。这是近十几年来发展起来的一种结构风工程研究方法，并逐渐形成了一门新兴的结构风工程分支——计算风工程学（C W E）。与直接的风洞试验相比较，数值风洞具有模拟真实风环境的能力，可以构造与建筑物实际尺寸相当的计算模型，这样可以按实际的风环境进行仿真和模拟，避免了风洞试验只能进行缩尺试验的不足。

计算风工程（C W E）的核心内容是计算流体动力学（C FD ），计算流体动力学在风工程中的应用己经得到迅速发展。经过许多学者的努力，计算风工程领域己经取得了许多成就。但是，目前其研究还是属于比较困难的领域，由于建筑物或结构物总是在地表边界层内的流场中存在，成为风流动的障碍物，在这些障碍物的拐角处具有尖边，称为“钝体”。钝体周围的流场很复杂，它由撞击、分离、再附、环绕和漩涡等确定。“钝体”的影响还较难确定清楚。不过，近年来国外出现的一些有影响的商业软件，如FLU EN T，C FX ，PH O EN IC S 等，已可以形象而细致地再现许多复杂的流动现象。关于湍流的研究也取得一定的进展，一般认为现在用 C FD 技术得到的风压平均值较为可信。

目前，此类研究主要存在两方面的困难：一，相关研究领域的滞后。如湍流模型，虽有不少模型，但或多或少带有经验成分。用这些模型计算形体复杂的实际结构，计算量巨大，且结果的可信度会受到置疑。二，专业研究人员的匾乏。数值风洞技术是一门边缘学科，需要研究者精通流体力学和结构力学两个截然不同的领域。而目前国内的现状是，搞结构的人不懂流体力学，搞流体的人又不具有工程背景，因此真正从事数值风洞研究的人非常少。

二、时域抗风分析

目前工程上的结构抗风分析大多只在频域范围内进行，但对结构进行时域分析仍是有必要的。首先，频域法只能对结构进行线性分析，要较精确地进行非线性分析，只能借助于时域法；其次，时域法可使人更直接了解结构的特性，可不必在结构抗风分析中做结构的数学模型简化等大量工作，而直接计算出设计所需要的力和位移的最大值；第三，在缺乏实测或者试验资料的情况下，各种简化计算方法可以和精确的时域方法进行比较验证；第四，时域法可比频域法获得更多有关可能发生的疲劳问题信息。

三、结论

综上所述，虽然结构的抗风性能研究在数值风洞技术方面取得了较大进展，数值风洞的计算结果也相对比较准确，但是由于目前实际工程的工期和经费等方面面临很多实际问题，对每个实际工程都进行数值风洞的模拟研究和计算目前来讲比较难以实现，大部分形状不规则的建筑物的风荷载体型系数的确定还是借助于刚性模型的风洞试验来确定。时域法在结构抗风计算中有很多优点，尽管时域分析费时，但随着计算技术的不断发展，这个问题是可以克服的。而随着计算机技术的日益发展，人工模拟结构将得到极大的发展与应用，结构抗风分析的时域法也将得到更为广阔的发展空间。

参考文献

[1] 中华人民共和国标准. 建筑结构荷载规范（G

BJ50009-2001）.中国建筑工业出版社.1989.

[2] 王健,刘波,陈宏,韩友强,超高层钢结构的抗风分析综述,《钢结构》2004增刊.

[3] 薛慧莲.建筑风洞大气边界层模拟.建筑风洞鉴定资料.广东省建筑科研设计所.1986.