顺风向结构风致响应一般计算方法
顺风向结构风致响应公式推导
0 引言
近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。本文主要讨论顺
风向的结构风致响应。顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport在20世纪60年代提出并不断发展完善的。依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。图0-1（A）表示了时域内的平均响应r、背景响应Br和共振响应Rr，图0-1（B）表示了频域内的背景均方响应2Br、前三阶共振均方响应21Rr、22Rr和23Rr。下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
图0-1 平均、背景和共振响应 1 单自由度结构顺风向风振响应
结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
一般单自由度结构可视为点状结构，计算模型可假定为质量为m的质点支承在刚度系数为k的弹簧上，同时与弹簧平行的方向有阻尼系数为c的黏滞阻尼。位移u的运动方程为：
totFkuucum... （1.1）
式中，totF为作用在结构上的顺风向荷载。荷载totF的表达式为：
2.)(21uvUACFDtot （1.2）
式中，DC为空气阻力系数；A是垂直平均风方向的结构受荷载面积。顺风向荷载取决于风与结构的相对速度，即与结构振动的速度.u有关系。因为，一般情况下平均风速U比纵向湍流的速度v要大得多，所以有如下近似：
.22.22)(uUUvUuvU （1.3）
全部的风荷载可分为三部分：平均风荷载qF、由湍流产生的脉动荷载tF及气动阻尼所产生的荷载aF：
atqtotFFFF （1.4）
221UACFDq （1.5）
vUACFDt （1.6）
..ucuUACFaDt （1.7）
UACcDa （1.8）
气动阻尼常数ac与结构自身阻尼c相加可得合租尼0c： ccca0 （1.9）
所以有平均风位移响应：
221UACkkFDq （1.10）
结构位移的自谱)(nS表达式为：
)(|)(|)(2nSnHnSF （1.11）
式中，)(nH为结构的频率响应函数；)(nSF为函数自谱。
风荷载自谱可由下式确定：
)(4)()()(222nSUFnSUACnSuquAF （1.12）
因此，位移u的方差可通过对式（1.11）中的自谱积分求得：
dnnSnHkUkFdnnSuuuq0222222202)(|)(|4)( （1.13）
再将湍流强度UIuu代入上式，并利用式（1.10），可得：
dnnSnHkIuuu0222)(|)(|2 （1.14）
所以，总的风致响应：
dnnSnHkIuuu0222)(|)(|2
顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。
一、平均风响应
在顺风向，平均风致响应可通过平均风荷载与影响函数得到
iiiHdzzzizpzr),()()(0 （1）
式（1）中：
)(zr表示在结构z高度处的某一响应均值
)(izp表示作用于结构高度iz处的线平均风力
),(izzi表示在iz高度处作用一单位力在z高度处产生的某一响应值，也称影响函数，包括位移、剪力和弯矩影响函数等，其任意高度z的表达式如下：
0z-z 0-0z1z 01)()(),(iiii*）时，取；当时，取（当弯矩或）时，取；当时，取剪力（当或阶位移第zzzzzzzzjKzzzziiijijji（2）
式（2)中，)()(ijjzz和表示某高度处的第j阶阵型坐标，*jK代表第j阶广义刚度。在竖向悬臂结构中，一般考虑第一阶阵型的影响。在（2)中，最为关心的是顶部（z=H)位移、底部（z=0)剪力与弯矩的影响函数。
二、脉动风响应
一竖向悬臂结构，在与风垂直的迎风表面xz上，1M点和2M点的坐标分别为),,''zxzx）和（（，准定常假定成立，作用于迎风面上这两点的脉动风压分别为),,(),,(''tzxwtzxw和，其表达式为
(b) ),()()(),,((a) ),()()(),,(''2''1tzzMCtzxwtzzMCtzxwDD
由强风观察结果分析得出，式（a)和式（b)中的流脉动风速),),('tztz（和大体上服从正态分布规律，脉动风速的均值0)(E，并且由前述脉动风的记录可近似作为平稳各态历经的随机过程。
1、运动方程
工程中受风敏感的高层建筑或高耸结构，属竖向一维悬臂结构，这类结构沿竖向的质量和刚度分布可以不均匀，随高度发生变化，现将其抽象为一维悬臂的无限自由度体系。
由随机振动的振型分解方法，任意高度z处的水平位移),(tzyd可表示为
11)()(),(),(jjjjdjdzqztzytzy （3）
式中 ),(tzydj——第j振型的动位移；
)(zj——第j振型z高度处的坐标；
)(zqj——第j振型的广义坐标。
假设振型)(zj对质量分布和刚度分布正交，阻尼项采用瑞雷阻尼，可得第j振型的运动方程：
)()()2()()2(2)(2tFtqntqntqjijjjji （4） 式中，HBjjjzdxdzztzxwMtF00*)()(),,(1)( （5）
式中 ),,(tzxw——脉动风压；
zB——建筑物z高度处的迎风面宽度；
H——建筑物总高；
*jM——建筑物第j振型的广义质量，其表达式如下：HjjdzzzmM02*)()( （6）
式中，)(zm为建筑物z高度处单位长度的分布质量。
2、位移响应根方差
由维纳-辛钦关系式，第j振型和第k阶振型广义力互谱密度)(nSkjFF由其互相关函数),,,,(''zzxxRkjFF得到：
detFtFdezzxxRnSnikjniFFFFkjkj22'')()(),,,,()( （7）
由式（5）和（7）可进一步写作
dzdxdzdxnzzxxSzzMMdzdxdzdxMMdetzxwtzxwzzdeMdzdxztzxwMdxdzztzxwnSwkHHBBjjjjjnikHHBBjnijHBkjHBjFFzzzzzzkj'''''0000**''**2'''00002*00'''''*00),,,,()()(1]),,(),,([)()(])(),,()(),,([)()()'()()'()()(•
（8）
式（8）中，),,,,(''nzzxxSw为21,MM两点脉动风压互谱密度，为
detzxwtzxwdezzxxRnzzxxSniniww2''2'''']),,(),,(),,,,(),,,,( （9）
式（9）中，),,,,(''zzxxRw为21,MM两点脉动风压互相关函数。
由式（a)和（b)，可写出： ),,,,()()()()(),,()()(),,()()(),,,,('''2122'''21''nzzxxSzzMCMCdetzxzMCtzxzMCnzzxxSDDniDDw （10）
引入脉动风相干函数的平方根),,(21nMMRxz后，
)(),,()()(),,(),,(),,(),,(),,,,(2121''21''nSnMMRnSnSnMMRnzxSnzxSnMMRnzzxxSxzxzxz （11）
将式（10）连同式（11）带入式（8）中，可得：
dzdxdzdxnMMRnSzzMCMCzzMMnSxzDDkHHBBjjjFFzzkj''21'212'0000**),,()()()()()()()(1)()()'(（12）
忽略交叉项后，式（12)写为
)()()()(),,())(()()()()()(2*2212''212''00002*2212)()'(nJMnSMCMCdzdxdzdxnMMRHzzzzMnSMCMCnSjHDDxzkHHBBjjHDDFzzj
（13）
式（13）中，)()(21MCMCDD和分别为21MM和的平均压力系数，)()(,)()('-H'--H-HzzHzz，这里，-H为来流在建筑物顶部高度的平均风速。
按阵型分解随机振动理论，结构水平动位移响应的功率谱密度),(nzSy为
(14) )()()H(-)()(),(kk11nSininHzznzSkjFFjmjmjjy
圆形线状结构风致响应的分析方法_王钦华
圆形线状结构风致响应的分析方法
王钦华1,2,顾 明1
(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.汕头大学土木工程系,广东汕头515063)
摘要:获得不同风向、风速下结构的风致响应是进行风致疲劳寿命可靠性分析的基础。考虑顺风向脉动力、横风向
脉动力以及由结构振动引起的自激力,对不同风向角不同风速下圆形线状结构风振响应进行估算。根据ESDU(En-
gineeringSciencesDataUnit)工程科学数据库的资料,在对结构进行风振响应估算的过程中,一定程度上记入雷诺
数效应、结构表面粗糙度等重要因素对结构风力及风致振动响应的影响。最后,计算了一实际钢质圆形截面天线的
风振响应,并与该天线的气动弹性模型风洞试验结果进行了比较。结果表明计算得到的结果与气动弹性模型试验
结果吻合较好。
关键词:圆形线状结构;风致响应;抖振;涡激共振
中图分类号:TU312.1 文献标识码:A 文章编号:1004-4523(2010)02-0151-07
引 言
研究不同风向、风速下结构风致响应是进行风
致疲劳寿命可靠性分析的基础。但由于问题的复杂
性,建立考虑雷诺数、结构表面粗糙度等因素以及全
部风向和风速下结构的风致响应的计算方法以及风
致疲劳寿命估算方法是很困难的。Holmes考虑了风
速风向联合作用[1],对钢质杆状结构进行风振疲劳
寿命分析,提出了考虑顺风向振动但不考虑横风向
振动的风振疲劳寿命分析的理论模型。Repetto和
Solari在文献[2]中,考虑了风速风向联合作用以及
平均风速的影响,对圆形线状结构的顺风向一阶响
应进行分析,在此基础上在频域和时域内分别分析
结构的风振疲劳寿命。文献[2]的作者在文献[3]中
进一步考虑了风速风向联合分布以及涡激共振的影
响,研究了结构横风向振动及对结构风振疲劳寿命
的影响。文献[4]在平滑流和紊流风场中,分别对表
面光滑、粗糙的圆柱体刚体节段模型进行风洞试验,
基于试验结果给出了质量-阻尼参数和雷诺数对圆
高耸烟囱风致响应精细化计算方法
高耸烟囱风致响应精细化计算方法
孙梦然;刘仰昭;戴靠山;丁志斌;尹业先
【期刊名称】《土木与环境工程学报（中英文）》
【年(卷),期】2024(46)2
【摘 要】高耸烟囱的风致响应可分为顺风向响应和横风向响应,其中顺风向响应以大气脉动风引起的抖振响应为主,横风向响应以Karman旋涡脱落引起的涡激振动为主,准确地预测和评估这两种风致响应对其抗风设计和结构安全性至关重要。在Tamura提出的二维平面尾流振子模型的基础上进一步推导,将该模型成功运用在三维结构上,提出可用于实际工程结构的有限元迭代计算方法,为高耸烟囱类结构横风向涡振响应的计算提供了新的方法。此外,基于结构的固有模态坐标,建立了适用于高耸烟囱耦合抖振响应分析的有限元CQC频域计算方法,并将频域计算结果与时域计算结果对比。结果表明:有限元迭代计算方法可以有效地计算三维烟囱的涡振响应,烟囱抖振响应频域计算和时域计算结果吻合良好。
【总页数】12页(P117-128)
【作 者】孙梦然;刘仰昭;戴靠山;丁志斌;尹业先
【作者单位】四川大学建筑与环境学院;四川大学深地科学与工程教育部重点实验室;四川大学破坏力学与防灾减灾四川省重点实验室;山东电力建设第三工程公司
【正文语种】中 文
【中图分类】TU311.3
【相关文献】 1.基于风时程模拟的高耸结构风致响应有限元分析2.高耸烟囱在高温作用下的风振响应分析3.高耸烟囱风致振动的TPIMS减振数值分析4.高耸钢筋混凝土烟囱风致易损性研究5.高耸烟囱结构竖向地震响应的模型试验研究及分析
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不同风速谱激励下的风力发电机塔架风致响应及风振系数研究
Vn219Nn21
Feb2,
2021水利与建筑工程学报
Jovrnai of Water Resources and Architectural Engineering第
3卷第
（期
9 0 9 1年
2月
DOS
：3. 9799/（. issx. 1672 - 1145.2221.21.227
不同风速谱激励下的风力发电机塔架
风致响应及风振系数研究
楚晨晖
3陈少林
6
（
1.无锡环境科学与工程研究中心，江苏无锡
93000；
2.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京
911100）
摘要：为研究不同风速谱激励下,风力发电机塔架的风致响应，建立某兆瓦级风力发电机一体化有限
元模型，基于经典随机振动理论对其进行风荷载作用下随机振动分析。得到了几种典型风速谱激励下
风力发电机塔架位移响应功率谱密度。分析了不同风速谱激励对风力发电机风致脉动响应影响。根据
Davenport峰因子取值法，讨论了不同保证率下的峰因子对风振系数的影响关系。主要结论有:不同风
速谱激励下,风力发电机第
1、
4、
5振型被激发;风机塔架作为典型的高耸结构，其风致响应以一阶振型
为主振型;基于
Simiu谱激励下，风力发电机塔架
PSD曲线峰值最大，计算得到的风振系数最大;对于峰
因子取值，当风压时距
T = 640 s,我国规范考虑一定跨越概率建议取值为
“=2.50;由
Dave/port近似公
式计算得到的峰因子为“
=3.25,由此计算得到的风振系数相对安全。
关键词：风力发电机塔架;风速谱;风振响应;风振系数
中图分类号：
O324；
TU279.7 文献标识码：
A 文章编号：
372—
134（2021）01—
0039—
07
Wind Vibration Response and Wind Vibration Coefficieni of Wind
丁诃小皿
Undrr Different Wind Speed Spectrom Excitation
CHU Che-Xul
高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征
第23卷第7期 Vol.23 No.7 工 程 力 学 2006年 7 月 July 2006 ENGINEERING MECHANICS 93
——————————————— 收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14 基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50321003)；教育部“高等学校骨干教师资助计划”联合资助 作者简介：*顾明(1957)，男，江苏兴化人，教授，博导，长江学者，主要从事结构抗风研究(E-mail: Minggu@)； 叶丰(1977)，男，江西上饶人，博士生，主要从事结构抗风研究。 文章编号：1000-4750(2006)07-0093-06 高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征 *顾 明，叶 丰 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092) 摘 要：详细讨论了高层建筑风致振动和等效静力风荷载的计算方法及其特征。将结构风致响应分解为平均响应、动力响应的背景分量和共振分量，给出了相应的计算公式；还给出了背景和共振等效静力风荷载的计算公式，提出了等效静力风荷载组合的一种简便方法，并讨论了计算背景分量的QML法和LRC法的差异。最后，以一典型高层建筑为算例，讨论了高层建筑风致响应和等效静力风荷载的主要特征。 关键词：高层建筑；风致响应；等效静力风荷载；背景分量；共振分量 中图分类号：TU312+.1; V211.74 文献标识码：A CHARACTERISTICS OF WIND INDUCED RESPONSES AND EQUIVALENT STATIC WIND LOADS OF TALL BUILDINGS *GU Ming, YE Feng (State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Computational methods and representative characteristics of wind induced responses and equivalent static wind loads of tall buildings are discussed in detail. The responses and equivalent static wind loads are both divided into mean, background and resonant components, and the formulas for these components are given correspondingly. The difference between QML and LRC approaches for background component is then discussed. A simple and convenient method for total equivalent static wind loads is proposed. Finally, a typical tall building is taken as an example to demonstrate the main characteristics of the responses and equivalent static wind loads of tall buildings. Key words: tall building; wind induced response; equivalent static wind load; background component; resonant component 高层建筑和高耸结构抗风研究是结构工程领域中当前的热点。很多文献[1,2]讨论了结构风荷载模型以及结构风致运动方程，并根据随机振动理论给出了运动方程的解。为了向设计人员提供合理并且使用方便的等效静力风荷载，研究人员也提出了很多方法[3~7]。本文总结了其中有代表性的方法，重点分析了计算背景等效静力风荷载的两种方法的特点。基于数值算例讨论了几种总等效静力风荷载的组合方法，给出了一般高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特点。 1 高层建筑风致响应 1.1 平均响应 任一方向上的平均风致响应可以通过平均风荷载和影响函数得到： hhzihFzrHd);()()(∫=0ααα (1) 其中，)(zrα表示在结构z高度处α方向上的某种响94 工 程 力 学
高层建筑结构顺风向的风力计算
高层建筑结构顺风向的风力计算：李文 １０９
文章编号：１６７２—７４７９（２０１４）０２—０１０９—０４
高层建筑结构顺风向的风力计算
李 文
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉４３００６３）
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｌｏｒｄ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｓｔｏｒｅｙｅｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ＬＩ Ｗｅｎ
摘要 高层建筑结构可以简化成竖直伸臂式结构。采用规范计算法和脉动风的上界力计算法以 及平均风的压力计算法等计算结构上的风力，对计算方法做了详细说明和例题计算，可以计算出结构顺
风向的风力上限值和设计用值。 关键词 高层建筑上界力 加固 中图分类号：ＴＵ９７３ 文献标识码：Ｂ
高层建筑结构可简化成竖直伸臂式结构，风荷载和
地震荷载一样为高层建筑结构的主要荷载。风力计算
方法有按规范计算的方法（规范法）、反应谱法、平均风 压力计算法，脉动风上界力计算方法等。对加固已建成 的高层建筑结构，如刚度不知，由于结构的频率、周期、
振型是估算，计算精度难以确定。采用规范法、平均风
压力计算法和脉动风上界力法，将计算结果进行比较， 取用较合理的数据进行设计，是一种可行的办法。
１按规范计算
计算主要承重结构时，顺风向风力计算式为 ］
Ｗｋ＝０牡ｓ ｏ
收稿日期：２０１４—０２—１９ 作者简介：李文（１９８１一），男，２００８年毕业于武汉大学，工程师。 式中 是风压荷载标准值（ｋＮ／ｍ ），卢：为高度 处的风振系数， 为风荷载体型系数， 为风压高度
变化系数， 。为基本风压（ｋＮ／ｍ ）
２按脉动风上界力法计算
如图１所示，ｍ为集中质量， ， ， 为质点序号（ ，
， ＝１，２… ）。刚度分布任意。由风反应谱定义可
知，在顺风向脉动风荷载作用下，截面ｉ一（ｉ＋１）的剪力 反应为¨
Ｑ ＋・＝［∑ＯＬ∑（ ）］ＤＩｇ （１）
式中，ｍ为各层质量，１．Ｚ为振型位移，ＤＩＶ 为风拟
3-第二章 风振系数计算
9 第2章 风振系数计算
2.1 引言
在随机脉动风压的作用下，高耸结构会产生随机振动，除了顺风向的风振响应外，结构还会产生横风向的风振响应。但在通常情况下，对于非圆截面，顺风向风振响应占据主要地位，对于一般的塔架结构，可以忽略横风向共振的作用[13]。因此，本章主要研究输电塔结构在随机风荷载作用下的顺风向风振系数的计算。
作用于结构物上的脉动风荷载对结构产生的动力响应与结构物本身的动力特性有关。当结构物刚性很强时，由脉动风所引起的结构物风振惯性力并不明显，可以略去，但需要考虑由脉动风所引起的瞬时阵风荷载；当结构物刚性较弱即为柔性结构时，除静力风荷载()z外，还应计及风振惯性力的大小，即风振动力荷载。如果风振动力荷载用(,)dzt表示，则柔性结构物的总风荷载(,)Wzt表达如下[4]：
(,)()(,)dWztzzt （2－1）
工程计算中，常采用集中风荷载的表达式，则式（2－1）改写为
()()()cdPzPzPz （2－2a）
或
icidiPPP （2－2b）
式中，()Pz，iP —— 顺风向z高度处第i点的总风荷载（kN）；
()cPz，ciP —— 顺风向z高度处i点总静力风荷载（kN）；
()dPz，diP——顺风向z高度处i点风振动力荷载（kN），其中()()ddzPzzA，或()()didiiPzzA。在这里，()ziAA为z高度（第i点）处相关的迎风面竖向投影面积（m2）。
本章下面将讨论风振动力荷载的计算原理和表达式，以及可在实际输电塔设计中应用的风振系数的计算方法。
10 2.2 顺风向风振系数的计算方法
风荷载是输电塔结构的各类荷载中起主要作用的荷载，由静、动两部分风荷载组成，动力风荷载即脉动风是一种随机动力干扰，引起结构的振动。为了便于工程的实际应用，我国的《建筑结构荷载规范》引入了风振系数作为等效静态放大系数，将风荷载的静力作用与动力作用一并考虑在内。
顺风向结构风致响应一般计算方法
顺风向结构风致响应公式推导
0 引言
近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。本文主要讨论顺
风向的结构风致响应。顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport在20世纪60年代提出并不断发展完善的。依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。图0-1（A）表示了时域内的平均响应r、背景响应Br和共振响应Rr，图0-1（B）表示了频域内的背景均方响应2Br、前三阶共振均方响应21Rr、22Rr和23Rr。下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
图0-1 平均、背景和共振响应
1 单自由度结构顺风向风振响应
结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
顺风向结构风致响应一般计算方法 2
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顺风向结构风致响应公式推导
0 引言
近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。本文主要讨论顺
风向的结构风致响应。顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport在20世纪60年代提出并不断发展完善的。依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。图0-1（A）表示了时域内的平均响应r、背景响应Br和共振响应Rr，图0-1（B）表示了频域内的背景均方响应2Br、前三阶共振均方响应21Rr、22Rr和23Rr。下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
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图0-1 平均、背景和共振响应
1 单自由度结构顺风向风振响应
结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
风致动力效应
1 / 5
1.3.2风对高层建筑的作用
高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其结构设计时的主要控制荷载。风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。
第1章绪论
1.3.2.1顺风向风效应
我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:
矶=刀:户:拜，叽(l一10)
式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。
一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速脉动引起。Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率
谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式
183.851。
高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中
必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。
1.3.2.2横风向风效应
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横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。
当
建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。
由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程界的热点问题。横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。国外的ohkuma[01]、H.choil92)以及