结构在风荷载作用的研究现状浅谈

 　摘要：风荷载是建筑结构常遇的侧向荷载之一。随着施工技术和材料科学的进步，现代建筑存在大长化和轻柔化的发展趋势，这使得建筑物的自振频率越来越接近自然风的卓越频率，建筑物在风荷载作用下的动力响应也越来越显著。因此，为了满足建筑的经济性、安全性以及舒适性的要求，本文主要介绍了风荷载的定义记忆结构在风荷载作用下的研究现状，为设计者提供一定的参考价值。 

　　关键词：风荷载；结构；研究现状 

　　1、引言 

　　风灾是自然灾害中影响较大的一种，它每年都给人类生命和财产带来巨大的损失。据估计，全球每年由于风引起的损失高达100亿美元。在结构设计特别是在高耸结构、大跨度桥梁、屋盖结构中，风荷载是一个极其重要的设计荷载。而对于高耸、高层结构和玻璃幕墙结构来说，风荷载引起的响应在总荷载中占有相当大的比重，甚至起着决定性的作用，合理的抗风设计对保障这些建筑结构的功能有重要的意义。在风力作用下，屋面常受到很大的吸力，如果自重等荷载的作用不足以抵抗吸力的作用，屋面将会被掀起而破坏。风荷载作为屋盖结构的主要外来荷载，是引起破坏的主要原因。 

　　2、风荷载的基本概念 

　　在工程设计中，风力常用风压来表示。根据测得的风速可以求出风压，风速是随高度、周围地貌的变化而变化的。在设计中所用的风压是基本风压。基本风压是按规定的地貌和高度所测风速经统计换算确定的。离地面越近，地面对风的摩阻也越大，风速便会减小。我国现行《建筑结构荷载规范》规定的基本风压是以10米高为标准高度。风速与地表的粗糙度有关，粗糙度越大，风能消耗也越大，平均风速便减小，我国将地表粗糙度分为A、B、C三种。风载具有很大的随机性，因而对最大风速的测试结果各年都不一样，但在结构设计中必须保证结构的安全性，也就是所用的风荷载必须具有很大的代表性和预防性。 

　　我国目前所用的最大风速的重现期对一般结构是30年一遇；对高层建筑是50年一遇；对特别重要的结构是100年一遇。屋盖结构是房屋中的重要部分，它起着围护及承重作用。在风力的作用下，屋盖受到很大的风荷载，如果结构的自承重等荷载不足以抵抗吸力的作用，屋盖则有可能被掀起而破坏。因此在屋盖设计中，风荷载是一个比较重要的设计荷载。在实际情况下，风的方向是任意的。对一个具体结构来说，在风荷载的作用下，既有水平分力，又有竖向分力。对大多数结构，水平风力起主导作用。对屋盖结构而言，当风力沿水平方向时，其风荷载通常是垂直于屋面的，沿竖向方向的分力很大。因而对屋盖结构既得考虑水平方向的风荷载，也得考虑垂直方向的风荷载。 

　　3、结构在风荷载作用下的研究现状 

　　3.1我国风荷载规范的在结构中的应用研究现状 

　　中国规范将风荷载摆到了一个极其重要的位置，在多个规范中都对风荷载作有规定中以《建筑结构荷载规范》为主。我国自建国以来，随着土木工程学科蓬勃发展，荷载规范也在不断地改进、完善。现行《建筑结构荷载规范》是在修订后于 2006 年 11 月 1 日起实施的。我国自建国以来，随着土木工程学科蓬勃发展，荷载规范也在不断地改进、完善。经过 1987 年和 2001 年两次大的修改后，我国现行的风荷载规范整体水平与先进国家的标准和国际接近，研究发现无论是刚性结构还是柔性结构，中国规范的计算结果与随机振动理论的计算结果相差不大。 

　　风荷载标准值计算公式为： （3.1） 

　　其中， 为风荷载标准值 

　　为高度z 处的风振系数 

　　为风荷载体型系数 

　　为风压高度变化 

　　为基本风压 

　　但有些地方可能还需要改进或完善，如：一些常见建筑的体型系数需要细化，局部体型系数和内压系数等需要完善；规范中没有横风向风振和大跨屋盖结构风振的具体规定；对于超大高宽比的建筑结构，没有考虑气动阻尼对顺风向设计风荷载和横风向结构响应的影响；采用的“惯性风荷载法”在计算建筑物的等效静力风荷载时存在有一定的缺陷；顺风向的平均风力偏大而脉动风的峰因子偏小等。此外，对于高度较高的超高层建筑结构，在进行顺风向风振计算时应计入二阶，甚至更高阶振型的影响，这样才能有较好的精度以满足结构的承载力设计要求。总之，体型系数的细化、高层建筑横风向风振、大跨及悬挑结构的风振、建筑物群体相互影响、居住舒适性及建筑风环境等是规范有待今后丰富和完善的内容。 

　　3.2结构在风荷载作用下的可靠度分析研究现状 

　　自然界中的风荷载是一随机性非常强的荷载，因此高层、高耸结构在风荷载作用下的响应也呈现出相应的随机性。因此为了处理这些不确定因素，我们有必要从可靠度的角度出发进行结构抗风分析。而由于风荷载又是随时间变化的动荷载，因此在分析的时候，必须要考虑其对结构的动力效应，也就是要进行结构动力可靠度分析。 

　　20 世纪 40 年代，美国学者 Rice 研究了结构动力响应与某一固定界限的交叉问题，建立了在给定时间内交叉次数和其期望值的数学表达式，从而为随机过程的首次超越和极值理论的广泛、深入研究开辟了途径。此后众多学者对首次超越问题进行了大量研究，但对许多有实际意义的工程系统，仍无法得到封闭形式的解析解，只有一些具有不同复杂程度和精度的近似解，如 Gauss 分布法、Rayleigh分布法、Possion 过程法等等。随着电子计算机的发展和快速傅立叶变换的出现，带动了随机振动分析计算的发展。 

　　与此同时，动力可靠度在各个领域也得到了广泛的应用。许多学者对各类系统在随机动荷载作用下的可靠度问题进行了研究，如：建筑结构在风荷载和地震荷载作用下的动力可靠度分析、桥梁结构在列车荷载作用下的可靠度分析、海上平台在波浪作用下的可靠度问题等等。自上世纪 80 年代以来，我国陆续有不少学者对高层、高耸结构的抗风动力可靠度问题进行了许多有意义的研究，得到不少有意义的结论。但是可以发现，这些研究都是针对某一特定结构，对其在风荷载作用下的可靠度进行的分析。由于结构的抗风可靠度将在很大程度上取决于该结构的设计情况，因此其结果也出现了很大的差距，我们无法从中对我国结构抗风设计的可靠度作出大致的评估。而如前文所述，我国规范采用等效风荷载代替实际风荷载进行结构设计，这给实际的设计工作带来极大的便利。但是自然界中实际的风荷载是随时间随机变化的，而等效风荷载是确定的、不随时间变化的。因此，上述等效必然是在一定概率意义上的等效。因此，如果能够对等效风荷载的可靠度进行分析，我们变能够对我国结构抗风设计的安全度有一个整体上的评估。 

　　4、结论 

　　风荷载对结构作用会产生很大的影响，经过半多个世纪的发展，有关风作用下结构反应的研究取得了巨大的进步，并逐渐形成了一门新兴的边缘学科，本文主要从风荷载定义开始介绍，然后通过我国风荷载规范的研究现状和结构在风荷载作用下的可靠度分析两方面研究结构在风荷载作用下的研究现状及研究意义。 

　　参考文献 

　　[1]： 黄本才。结构抗风分析原理及应用[M]。上海：同济大学出版社，2001。 

　　[2]： 贺德馨。我国风工程研究现状与展望。力学与实践，2002，24（4）10～19。 

　　[3]： Simiu E， Scanlan R H。风对结构的作用风工程导论[M]。第2版。