结构风振响应分析.PDF

第4章 结构风振响应分析 4.1 概述 4.1.1 风致振动的类型 结构风振响应按响应方向可分为顺风向振动和横风向振动。按响应性质可分为抖振、涡 激振动和自激振动。 抖振（buffeting ）是由来流脉动风分量作用在结构上产生的一种受迫振动。由于大气边 界层湍流是随机的，因而抖振属于随机振动的范畴。抖振是一种可发生于任何结构上、最为 常见的风致振动现象。一般顺风向风振响应即指抖振。 涡激振动（vortex-excited vibration ）主要发生在细长型结构上，是由结构后部两侧交替 脱落的旋涡造成的，这种交替脱落的旋涡会使结构表面的压力呈周期性变化，且作用方向与 风向垂直（横风向）。通常情况下，涡激振动也属于强迫振动，但是当旋涡脱落频率与结构 自振频率接近时，则可能使结构产生大幅度的横风向涡激共振。 自激振动（self-excited vibration ）是由于结构在风的作用下产生较大的变形或振动，而 这种变形或振动又反过来影响到作用在结构上的气动力，从而导致气动力和结构振动之间相 互作用，形成所谓的气动弹性效应。如果这种相互作用一直持续下去，并且使结构振动趋于 发散，就会导致气弹失稳。其本质上是由于结构振动与来流相互作用，从而在结构上形成了 所谓的附加气动力（也称为自激力），当自激力的作用方向与结构运动方向一致时，就会使 结构从运动中不断吸收能量，振幅不断放大，甚至可能造成严重的灾难性后果。驰振和颤振 是两种典型的自激振动形式。驰振(galloping)是细长物体因气流自激作用产生的一种纯弯曲 大幅振动。这种振动最先被发现于结冰的输电线上，振动激发的波在两根电杆之间快速传递， 犹如快马奔腾，振幅可达电线直径的十余倍，因此被称为驰振。颤振(flutter)最先被发现于 机翼上，表现为扭转发散振动或弯扭耦合的发散振动。著名的塔科马桥事故，就是一种典型 的由颤振不稳定引发的灾害。 4.1.2 风振分析方法 结构风振响应往往具有随机性，从工程设计角度，并不需要精确知道结构在每一时刻的 响应情况，人们关心的往往是响应均值、方差和极值等统计信息。针对上述特点，目前对工 程结构的随机振动分析可分成以直接积分法为基础的时域方法和以振型分解法为基础的频 域方法两大类。 时域方法是将风荷载时程直接作用在结构上，然后通过逐步积分得到结构的动力响应 时程，再对响应时程进行统计分析，确定响应均值、均方根等信息。时域方法的优点是适用 范围广，原则上适用于任意系统和任意激励，并且可以得到较完整的结构动力响应全过程 信息，计算精度高，因而在实际工程中应用较多。其缺点是计算量较大，但随着计算机技术 的发展，该问题正逐渐被克服。 频域方法是通过脉动风速功率谱得到风荷载功率谱，再利用传递函数建立位移响应功 率谱与广义风荷载功率谱之间的关系式，从而得到结构的均方响应。频域方法的优点是：1） 概念清晰，能较为直观地反映脉动风的作用规律；2 ）由于是在频域内直接求解结构随机响 应的统计值，计算量较小。频域方法的缺点是：1）假定来流为平稳随机过程，这在大多数 情况下（如季风和台风）是适用的，但对于一些持续时间较短，风速变化剧烈的风气候（如 雷暴和龙卷风）则不适用；2 ）较难考虑结构高阶振型和振型耦合的影响，因而计算结果存 在振型截断误差；对于高层、高耸结构，由于其振型频率分布离散，多数情况下第一振型 1 （或前几阶振型）起控制作用，振型截断误差较小，可以忽略；而对于大跨度屋盖结构，由 于其振型频率分布密集，且高阶振型的影响不可忽略，采用频域分析方法可能会导致计算精 度或计算效率的降低；3 ）频域方法仅适用于线性系统，难以考虑几何非线性和物理非线性 的影响，也是其不足之一。尽管如此，频域分析方法在结构风工程理论中仍占有十分重要的 地位，本章也主要是围绕频域分析方法来介绍的。 4.2 顺风向随机风振响应分析 结构顺风向风致响应包括平均风响应和脉动风响应。平均风响应可通过静力分析确定， 脉动风响应则需要根据随机振动理论求解。图 4-1 给出了结构顺风向响应分析的流程。可以 看出，不论是时域分析方法还是频域分析方法，都包含了从风速到风压和从风压到响应两个 分析阶段。以下以频域分析方法为例予以介绍。 图4-1 风振响应分析流程 4.2.1 风速谱到风压谱的转换 通过对近地风场的观测，我们可以较为准确地获得大气边界层脉动风速