7.6.1
当建筑物受到风力作用时,不但顺风向可能发生风振,而且在一定条件下,也能发生横风向的风振。横风向风振都是由不稳定的空气动力形成,其性质远比顺风向更为复杂,其中包括旋涡脱落Vortex-shedding、驰振Galloping、颤振F1utter、扰振Buffeting等空气动力现象。
对圆截面柱体结构,当发生旋涡脱落时,若脱落频率与结构自振频率相符,将出现共振。大量实验表明,旋涡脱落频率fs与风速υ成正比,与截面的直径D成反比。同时,雷诺数(υ为空气运动粘性系数,约为1.45×10-5m2/s)和斯脱落哈数
在识别其振动规律方面有重要意义。
当风速较低,即Re≤3×105时,一旦fe与结构频率相符,即发生亚临界的微风共振,对圆截面柱体,St≈0.2;当风速增大而处于超临界范围,即3×105≤Re<3.5×106时,旋涡脱落没有明显的周期,结构的横向振动也呈随机性;当风更大,Re≥3.5×106,即进入跨临界范围,重新出现规则的周期行旋涡脱落,一旦与结构自振频率接近,结构将发生强风共振。
一般情况下,当风速在亚临界或超临界范围内时,只要采取适当构造措施,不会对结构产生严重影响,即使发生微风共振,结构可能对正常使用有些影响,但也不至于破坏,设计时,只要按规范公式(7.5.1-2)的要求控制结构顶部风速即可。
当风速进入跨临界范围内时,结构有可能出现严重的振动,甚至于破坏,国内外都曾发生过很多这类的损坏和破坏的事例,对此必须引起注意。
计算临界风速的公式(7.6.1-1)中的结构自振周期,应考虑不同的振型情况,虽然对亚临界的微风共振验算,只要考虑第一振型,但是在验算临界强风共振时,必须考虑不同的振型。
原公式(7.6.1-2)中的风荷载分项系数γw, 实际上是在考虑跨临界强风共振时,为了在设计中不致低估横风向的风振影响而设置的,主要是考虑结构在强风共振时的严重性及试验资料的局限性,一些国外规范如ISO 4354就要求考虑增大验算风速。为了不致与分项系数的原意相混淆,现将原公式(7.6.1-2)中的风荷载分项系数γw取消,而在跨临界强振的验算条件的顶部风速增大1.2倍。
计算雷诺数Re=69000υD中,网速υ沿着结构高度是变化的,对亚临界的微风共振验算,υ取得愈小愈不利,但对于跨临界强风共振验算,υ取得愈大愈易发生强风共振。但是为了设计上的方便,这里将二者统一取为υcr值。当在应用时如有重要提高要求时,也可对跨临界强风共振将υ取为υH值。
7.6.2
对跨临界的强风共振,设计时必须按不同振型对结构予以验算,规范公式(7.6.2-1)中的计算系数λj是对j振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数,若临界风速起始点在结构底部,整个高度为共振区,它的效应为最严重,系数值最大;若临界风速起始点在结构顶部,不发生共振,也不必验算横风向的风振荷载。根据国外资料和我们的计算研究,认为一般考虑前4个振型就足够了,但以前两个振型的共振为最常见。公式中的临界风速υcr计算时,应注意对不同振型是不同的。
公式(7.6.2—1)中的计算系数λj是根据起始高度为H1,终止高度近似取结构全高H的条件下算出,并列入表7.6.2,当在结构上计算得出起始高度位置很低,而终止高度远低于全高时,可按临界速度的锁住区计算终止高度H2=H×(1.3υcr/υH)l/a,再按λj=λj(H1)一λj(H2)确定。
7.6.3
在风荷载作用下,同时发生的顺风向和横风向风振,其结构效应应予以矢量叠加。一般情况下,当发生强风共振时,横风向的影响起主要的作用。
7.6.4
对于非圆截面的柱体,同样也存在旋涡脱落等空气动力不稳定问题,但其规律更为复杂,国外的风荷载规范逐渐趋向于也按随机振动的理论建立计算模型,目前,规范仍建议对重要的柔性结构,应在风洞试验的基础上进行设计。