結構在風荷載作用的研究現(xiàn)狀淺談

1、結構在風荷載作用的研究現(xiàn)狀淺談摘要：風荷載是建筑結構常遇的側向荷載之一。隨著 施工技術和材料科學的進步，現(xiàn)代建筑存在大長化和輕柔 化的發(fā)展趨勢，這使得建筑物的自振頻率越來越接近自然 風的卓越頻率，建筑物在風荷載作用下的動力響應也越來 越顯著。因此，為了滿足建筑的經濟性、安全性以及舒適 性的要求，本文主要介紹了風荷載的定義記憶結構在風荷 載作用下的研究現(xiàn)狀，為設計者提供一定的參考價值。 關鍵詞：風荷載；結構；研究現(xiàn)狀1、引言風災是自然災害中影響較大的一種，它每年都給人類 生命和財產帶來巨大的損失。據(jù)估計，全球每年由于風引 起的損失高達100億美兀。在結構設計特別是在高聳結構、 大跨度橋梁、屋蓋結

2、構中，風荷載是一個極其重要的設計 荷載。而對于高聳、高層結構和玻璃幕墻結構來說，風荷 載引起的響應在總荷載中占有相當大的比重，甚至起著決 定性的作用，合理的抗風設計對保障這些建筑結構的功能 有重要的意義。在風力作用下，屋面常受到很大的吸力， 如果自重等荷載的作用不足以抵抗吸力的作用，屋面將會 被掀起而破壞。風荷載作為屋蓋結構的主要外來荷載，是 引起破壞的主要原因。2、風荷載的基本概念在工程設計中，風力常用風壓來表示。根據(jù)測得的風 速可以求出風壓，風速是隨高度、周圍地貌的變化而變化 的。在設計中所用的風壓是基本風壓?；撅L壓是按規(guī)定 的地貌和高度所測風速經統(tǒng)計換算確定的。離地面越近， 地面對風的

3、摩阻也越大，風速便會減小。我國現(xiàn)行建筑 結構荷載規(guī)范規(guī)定的基本風壓是以10米高為標準高度。 風速與地表的粗糙度有關，粗糙度越大，風能消耗也越大, 平均風速便減小，我國將地表粗糙度分為a、b> c三種。 風載具有很大的隨機性，因而對最大風速的測試結果各年 都不一樣，但在結構設計中必須保證結構的安全性，也就 是所用的風荷載必須具有很大的代表性和預防性。我國目前所用的最大風速的重現(xiàn)期對一般結構是30年 一遇；對高層建筑是50年一遇；對特別重要的結構是100 年一遇。屋蓋結構是房屋中的重要部分，它起著圍護及承 重作用。在風力的作用下，屋蓋受到很大的風荷載，如果 結構的自承重等荷載不足以抵抗吸力的

4、作用，屋蓋則有可 能被掀起而破壞。因此在屋蓋設計中，風荷載是一個比較 重要的設計荷載。在實際情況下，風的方向是任意的。對 一個具體結構來說，在風荷載的作用下，既有水平分力， 又有豎向分力。對大多數(shù)結構，水平風力起主導作用。對 屋蓋結構而言，當風力沿水平方向時，其風荷載通常是垂 直于屋面的，沿豎向方向的分力很大。因而對屋蓋結構既 得考慮水平方向的風荷載，也得考慮垂直方向的風荷載。3、結構在風荷載作用下的研究現(xiàn)狀 我國風荷載規(guī)范的在結構中的應用研究現(xiàn)狀中國規(guī)范將風荷載擺到了一個極其重要的位置，在多 個規(guī)范中都對風荷載作有規(guī)定中以建筑結構荷載規(guī)范 為主。我國自建國以來，隨著土木工程學科蓬勃發(fā)展，荷

5、載規(guī)范也在不斷地改進、完善?，F(xiàn)行建筑結構荷載規(guī) 范是在修訂后于xx年1 1月1日起實施的。我國自建國 以來，隨著土木工程學科蓬勃發(fā)展，荷載規(guī)范也在不斷地 改進、完善。經過198 7年和xx年兩次大的修改后，我國 現(xiàn)行的風荷載規(guī)范整體水平與先進國家的標準和國際接近, 研究發(fā)現(xiàn)無論是剛性結構還是柔性結構，中國規(guī)范的計算 結果與隨機振動理論的計算結果相差不大。風荷載標準值計算公式為： 其中，為風荷載標準值 為高度z處的風振系數(shù) 為風荷載體型系數(shù) 為風壓高度變化 為基本風壓但有些地方可能還需要改進或完善，如：一些常見建 筑的體型系數(shù)需要細化，局部體型系數(shù)和內壓系數(shù)等需要 完善；規(guī)范中沒有橫風向風振和大

6、跨屋蓋結構風振的具體 規(guī)定；對于超大高寬比的建筑結構，沒有考慮氣動阻尼對 順風向設計風荷載和橫風向結構響應的影響；采用的“慣 性風荷載法”在計算建筑物的等效靜力風荷載時存在有一 定的缺陷；順風向的平均風力偏大而脈動風的峰因子偏小 等。此外，對于高度較高的超高層建筑結構，在進行順風 向風振計算時應計入二階，甚至更高階振型的影響，這樣 才能有較好的精度以滿足結構的承載力設計要求?？傊?體型系數(shù)的細化、高層建筑橫風向風振、大跨及懸挑結構 的風振、建筑物群體相互影響、居住舒適性及建筑風環(huán)境 等是規(guī)范有待今后豐富和完善的內容。結構在風荷載作用下的可靠度分析研究現(xiàn)狀自然界中的風荷載是一隨機性非常強的荷載

7、，因此高 層、高聳結構在風荷載作用下的響應也呈現(xiàn)出相應的隨機 性。因此為了處理這些不確定因素，我們有必要從可靠度 的角度出發(fā)進行結構抗風分析。而由于風荷載又是隨時間 變化的動荷載，因此在分析的時候，必須要考慮其對結構 的動力效應，也就是要進行結構動力可靠度分析。20世紀40年代，美國學者rice研究了結構動力響應 與某一固定界限的交叉問題，建立了在給定時間內交叉次 數(shù)和其期望值的數(shù)學表達式，從而為隨機過程的首次超越 和極值理論的廣泛、深入研究開辟了途徑。此后眾多學者 對首次超越問題進行了大量研究，但對許多有實際意義的 工程系統(tǒng)，仍無法得到封閉形式的解析解，只有一些具有 不同復雜程度和精度的近似

8、解，如g auss分布法、ra yleigh分布法、possion過程法等等。隨著電子計算機的 發(fā)展和快速傅立葉變換的出現(xiàn)，帶動了隨機振動分析計算 的發(fā)展。與此同時，動力可靠度在各個領域也得到了廣泛的應 用。許多學者對各類系統(tǒng)在隨機動荷載作用下的可靠度問 題進行了研究，女口：建筑結構在風荷載和地震荷載作用下 的動力可靠度分析、橋梁結構在列車荷載作用下的可靠度 分析、海上平臺在波浪作用下的可靠度問題等等。自上世 紀80年代以來，我國陸續(xù)有不少學者對高層、高聳結構的 抗風動力可靠度問題進行了許多有意義的研究，得到不少 有意義的結論。但是可以發(fā)現(xiàn)，這些研究都是針對某一特 定結構，對其在風荷載作用下的

9、可靠度進行的分析。由于 結構的抗風可靠度將在很大程度上取決于該結構的設計情 況，因此其結果也出現(xiàn)了很大的差距，我們無法從中對我 國結構抗風設計的可靠度作出大致的評估。而如前文所述, 我國規(guī)范采用等效風荷載代替實際風荷載進行結構設計， 這給實際的設計工作帶來極大的便利。但是自然界中實際 的風荷載是隨時間隨機變化的，而等效風荷載是確定的、 不隨時間變化的。因此，上述等效必然是在一定概率意義 上的等效。因此，如果能夠對等效風荷載的可靠度進行分 析，我們變能夠對我國結構抗風設計的安全度有一個整體 上的評估。4、結論風荷載對結構作用會產生很大的影響，經過半多個世 紀的發(fā)展，有關風作用下結構反應的研究取得了巨大的進 步，并逐漸形成了一門新興的邊緣學科，本文主要從風荷 載定義開始介紹，然后通過我國風荷載規(guī)范的研究現(xiàn)狀和 結構在風荷載作用下的可靠度分析