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风工程与土木工程

塔科玛桥的坍塌 建筑工程与风有什么密切关系,是影响工程设计与建造的主要因素,特别是高层建筑和桥梁,风的作用与地震作用是必须考虑的两个主要水平效应。还包括如,道路、桥梁、水坝、堤防、港湾等等,都要承受着来自大自然强风的严酷考验。在1940年,美国华盛顿州的塔科马海峡大桥在未达其设计风速一半的天候条件下(风速18-20m/s),因桥面主梁断面的空气动力不稳定特性而造成结构溃塌。这一事件引起了研究者对于土木结构与空气互制现象的重视,开始在风洞内进行结构缩尺模型实验,可称为是近代风工程发展的开端。
风工程泛指风力与空气扩散在土木相关学门方面的应用。一些重要的风工程应用领域包括:

  1. 自然风场(紊流大气边界层流场)的特性;
  2. 钝体空气动力学;
  3. 高层建筑受风行为及耐风设计;
  4. 桥梁空气动力特性以及桥梁耐风设计;
  5. 巨型烟囱、高塔、桁架等特殊结构的耐风设计;
  6. 一般住宅与厂房等低层建筑的抗风设计;
  7. 高层或大型建筑周围的环境风场;各类型工厂以及区域性的污染源排放与扩散;
  8. 强风对行车安全的影响;
  9. 招牌、路标的抗风设计;
  10. 风浪互制现象;
  11. 海域平台的风力效应;
  12. 沙、雪的飘移,以及建筑物的通风散热等等。

建筑物的风力效应

地球表面因为接受太阳辐射量的不一致,造成大气温度和压力的不平衡,而空气便会由高气压处流向低压处,因此形成“风”。此外,加上地球的自转、云层的覆盖、雨水的凝结、地形的变化,以及地表附近的温度差异等因素,使得地表的风场结构变化莫测。在距离地表几百米到1000米范围之内,大气的运动受到地表边界的影响,称之为大气边界层。因为人类的活动大多局限于大气边界层之内,故大气边界层与人类的居住环境、生活质量有着密不可分的关系。
地表附近的水平风速会随着高度改变,这是因为接近地面的风场受到地形和地物的影响而风速较小,高空的风速不受阻碍而风速较大,风速分布随高度的增加由小而大,逐渐增强至较均匀的风速分布,这个高度就是边界层的厚度,从数百米到1000米不等,视地表粗糙程度而定。都会地区因建筑物的高度较高,边界层的厚度较大;平坦开阔的地区,边界层的厚度较小。
城市地区中的风场,受到密集排列的建筑物影响,属于非稳态紊流流场,影响参数包括风速、风向、建筑物几何外形、邻近建筑物的相关位置等,是许多因素交互影响而成的复杂流场。在英国与美国,都曾发生行人被建筑物周围的强风吹袭跌倒而受伤的案例,这种影响地表附近行人的风场会直接影响到建筑物的使用,与其周围区域的规划,因此设计建筑物时必须加以注意。
建筑物的迎风面墙承受气流的直接冲击,所受的压力为正向压力,但在建筑物背风面及侧面因为气流加速通过,根据流体力学中的伯努利定理可知,流速大的地方压力小,故建筑物背风面及侧面所受的压力低于大气压力,为负压力,也就是说建筑物表面受到吸力效应。斜顶式建筑物屋顶的风压与屋顶的倾斜角度有关,角度大时,屋顶与迎风面墙相同,压力为正压力;屋顶角度小时,屋顶压力为负压力,房舍的屋顶可能会被掀翻。建筑物的表面如果有门窗、玻璃等易受风力破坏的围护结构,则必须先了解建筑物表面风压的分布,才能预防建筑物的破坏。

当高楼遇上强风来袭

建筑风洞 风力是一种流体(空气)通过阻碍物(建筑结构)所产生的空气动力现象,与阻碍物的几何形状有密切关系。概括来说,物体的形状越是流线,其所受风力越小;只不过,一般的建筑物与桥梁很难具有流线的外型。同样地,对于某些柔度特性明显的建筑物与结构体,会进一步放大建筑结构所受的风力。
对一般的建筑物而言,地震力是主要的设计考虑,但是当结构物的高度需到达一定程度,如高层建筑、巨型烟囱和高塔等,风力的影响就不容忽视,并且逐渐取代地震力,成为主要的水平设计载重。
高层建筑需要考虑的使用功能性,远比一般结构物复杂,在风力的影响上也不例外。一般而言,高层建筑在设计规划时,应列入考虑的风力影响有四项:

  1. 高层建筑结构系统所承受的整体风力;
  2. 帷幕外墙所受的局部风压;
  3. 建筑风摆造成的居住者舒适性问题;
  4. 环境微气候:邻近的地面风场环境所造成的行人舒适性问题。

从高楼结构设计的观点来看,作用于高层建筑上的风力可分为顺风向、横风向与扭转向风力,各个风向的风力又可分为平均风力与扰动风力。顺风向风力主要由风场中的阵风造成,对于基本造型近似矩形柱体的建筑物,大体上可以通过理论与实验数据得到合理的评估。
在建筑设计上,重要的横风向扰动风力主要来自流体通过建筑物时,发生的流体分离与涡散现象所造成的周期性作用力。当建筑物的高宽比与柔度都很大时,在设计风速之内可能会发生结构共振现象,造成过大的振动反应。这个涡散分离现象引发的结构共振,与建筑物的几何造型及结构动力特性有密切关系,目前并无妥善的分析模式可供解析。
对于一般几何造型的建筑物,扭转向风力的影响小于顺风向及横风向风力。由于扭转向风力也是源自流体分离,故亦无分析模式。所幸,横风向与扭转向风力对一般高层建筑的影响有限,主要的设计风力仍由顺风向风力控制
近30-40年来,建筑风工程已有长足进步,常见建筑物(近似长方形,高宽比小,高度在数十米)所受的风力多能由风力规范计算得知。虽然近年来计算流体力学(CFD)进步很快,对于航天、汽车、机电方面的应用都有极大贡献,然而,应用于建筑物的复杂风力作用尚须一段时日。现阶段探讨建筑风工程,仍以缩尺模型作风洞物理模拟最为有利。
执行风洞试验时,需妥善考虑缩尺模型与实际高层建筑之间的模拟相似率,唯有如此,风洞缩尺实验结果才能确实应用于原型结构。设计高层建筑的风洞试验,需满足流场以及结构空气动力(或结构空气弹力)的模拟相似性。建筑风工程探讨的是建筑物在强风作用下的结构反应;以风洞进行缩尺模拟时,需要正确模拟(一)自然风场特性;(二)高楼几何特性;(三)正确的长度缩尺、时间缩尺与速度缩尺;(四)正确的高楼空气动力效应;(五)对于少数超高层建筑,需正确模拟建筑结构的空气弹力相似性。

风场评估的方法

建筑风洞3 传统方式要取得局部风速风向数据,可通过风洞试验,配合气象局提供的气象资料来达成。但由于计算机科技的快速进步,目前利用计算机模拟的方式亦能迅速有效地取得上述提及的数据,这一新风场评估方法就是计算流体力学。计算流体力学,是通过计算机来模拟流体运动过程的一门学问,内容主要是流体力学、数学、数值方法及计算机科技等之整合;应用范围非常广泛,航天、汽车、船舶、土木、机械、化工、医工、电子、材料、大气与海洋等均涵盖在内,例如飞机与汽车的外形设计、各类引擎燃烧室及冷冻空调系统设计、空气和水污染物扩散预测、建筑结构物(如超高大楼及桥梁等)受风与水流的影响、心脏和血管内的血流流动、高速火车进出隧道的噪音问题等,都可利用计算流体力学来研究与解决这些问题。

由于流体运动本身具三维性、时变性与非线性等特质,因此其物理现象非常复杂。早期的流体力学研究,主要是借助理论分析和实验。然而传统的理论分析方法,由于有许多假设与简化,能够解决的问题通常有限。近年来随着计算机计算速度与记忆容量不断地增进,计算流体力学所能解决问题的尺度与复杂度也逐渐加大;至今,计算流体力学已成为学界研究流体力学的主要利器之一,与理论流体力学和实验流体力学构成现代研究流体力学的三大主流。此分析工具,除了适于探讨参数变化的影响外,因其而建立的分析数据库,更可减少实验所需的工时而缩短设计时程。
以一个典型的求解计算流体力学过程为例,第一步是几何形状的数值化与网格化,由于实际应用的流场几何形状往往较复杂,需要用到格点产生法这类的专门学问,配置好相关的室内摆设。接着是数值分析中各种数值方法与物理模式的选用,数值方法如有限差分法、有限元素法或有限体积法等;物理模式如紊流模式、燃烧模式和多相流模式等,视流场形态而有不同的选择。所有流体的流动,须遵守黏性流体的基础运动方程式的那微史托克方程。最后,计算产生的数据作可视化的处理,经由适当计算机绘图,以2D或3D动画技术,显示出流体在空间中的流动与向量场的分布曲线,并可任意切出想要的平面观看流场分布。
空中缆车的设置有助于观光发展,但因缆车设置路线通常位于景观较佳的地区,故路线的规划多位于山区、海边等视野良好的区域。这些地区多为易受地形影响的风速敏感区,且缆车高度较高,所以必须完全了解缆车经过路线的风场状况,作为安全性评估的依据。针对此问题,计算流体力学数值模拟软件可提供有效的工具来解决。利用计算流体力学数值模拟软件,先将10×10米分辨率的地形数据输入计算机,即可获得地形图。将此地形的几何形状,利用软件数值化和网格化之后,即可利用数值方法,求得计算区间内的风速分布。再将规划路线的风速剖面图,利用2D平面和整体3D空间展示,可观察在通过路线上,随着高度变化和风速之间的关系,以及缆车可能设置高度的风速分布。由此数值分析的结果可得到足够的风场数据,作为缆车路线的安全性评估。
再如风力发电厂址的选定,沿海地区是风力资源相当丰富的区域,深具开发风力发电厂的潜力。如何选定一个最佳的风力发电厂址相当重要,除了气象站的风速资料,更应考虑当地特殊地形的效应。计算流体力学在此可适时提供有效工具,来决定最佳厂址。将风力发电厂址候选区域的地图数据,建立成网格化的数值空间,然后利用计算流体力学求解器,求得计算空间中的风速数据,最后将结果以图形展示,并可从计算的空间风速分布图中,决定风力发电机设置的最佳位置和高度。
至于都市行人环境风场该怎样评估?都市化的结果使得人口集中于大都市,为了容纳更多的移入人口,建筑物越建越高。兴建高层建筑时,建筑物本身对四周环境风场的舒适性问题也需加以考虑,如各高层建筑间形成的渠道效应、涡漩及下冲等现象,产生过快的风速及恼人的大楼风,造成人们行走或活动不便,都会直接或间接地降低该建筑物的使用功能。兴建高层建筑除了需满足自身安全性与舒适性要求外,同时也要避免对邻近的设施,如人行道、公园和开放式广场等,造成风场环境的冲击。
为避免新建大楼周围环境风场的改变,造成屋主和居民的纠纷,也为了提高居民的生活质量,先进国家纷纷立法来强制要求超高大楼在建筑前,需要经过一连串周围风场的环境影响评估,作为高楼兴建与否乃至小区及旅游休闲区整体开发的决策依据。计算流体力学也可应用于行人环境风场评估。比如将某区域的街道和建筑物展示图资料网格化之后,经过计算可绘制成图建筑物和距地面1.5米高平面的风速分布图。建筑物与建筑物间因为渠道效应,造成许多高风速区域。这一区域应尽可能减少行人活动,降低因高风速造成行人不舒适等问题的发生率。

桥梁受风的动力效应

桥梁风工程 悬索支撑桥梁由三种基本构件组成:桥塔、桥面版和缆索。缆索的功能是将加于桥面版的部分力量传递给桥塔,然后再经桥塔传递于基础上。悬索支撑桥梁型式可分为两大类,分别是斜拉桥和悬吊桥。
斜拉桥的主跨径约在数百至1000米间,当跨径越长所须斜拉缆索越多,导致靠近桥塔的桥面版断面的压力越大,因此斜拉桥最大跨径很难超过1000米。而悬吊桥跨径远大于斜拉桥,目前全球主跨径最长的日本明石大桥将近2000米,受到此桥已完工通车的鼓舞,全世界研究桥梁的学者及桥梁工程师莫不尝试突破其跨径,目前已有主跨2500米的可行性评估。由于悬索支撑桥梁主跨径甚长,为减轻结构的重量,其结构系统趋向采用细长化断面,再配合高拉力钢索及桥塔来传递垂直力;也正因为如此,此型结构系统受风的敏感性,随着跨径的增加而大幅提高。尤其自1940年塔科马海峡大桥受风吹袭倒塌以后,长跨径桥梁受风影响的问题逐渐受到重视。
那么,桥梁受风的动力效应是怎样的呢?一般而言,桥梁的气动力效应可分为五种:扭转不稳定、涡致颤动、风驰效应、颤振及抖振。
扭转不稳定是属于一种静态式的破坏现象。当桥梁断面受风时,桥面版会产生一个扭转角,而此角度会产生额外的扭力。在某一风速之下,当扭力和扭转角的斜率在某一临界值时,施力在桥面上的扭力会使桥梁结构无法抵抗而产生不稳定的现象。以近代桥梁而言,发生这种扭转不稳定现象的几率比较低。
涡漩是由于气流环绕物体表面,并且由此断面的边界分开所引起的涡漩现象,造成物体上下侧压力的不同,产生振动的现象。通常这种现象对钝体断面(如箱形)影响较为显著。涡致颤动会对桥梁产生周期性振动,一般不会造成桥梁结构的破坏。不过当涡致颤动发生时,对于桥面版及桥塔则会造成很大的影响,且此现象一般发生于较低风速(15m/s以下),应注意此效应长期作用下,可能引起的材料疲乏现象。目前并没有确切的理论模式,可以预测桥梁断面的涡流颤动行为,通常以风洞试验配合数值分析来计算颤动的振幅;若此振幅过大,则须修改断面形状或加扰流板,或加调质阻尼器来降低振幅。
风驰效应的原因,来自于结构体垂直向振动速度,与逼近流场的速度合成,造成风向角改变;而风向角的变化造成物体不对称性,引起在垂直向的上升力随之变化。此上升力的变化造成气动力的阻尼现象,造成结构体位移反应加大,进而再改变风向角,如此持续的互相作用,使得位移反应更加剧烈。风驰效应为一种不稳定振动,一般对于细长结构才会产生,特别对于断面型式为矩形,或受冰封的缆索等非流线型结构影响更大。以缆绳为例,为了避免风驰现象,可于缆绳表面作特殊处理或加装阻尼系统,以降低缆绳的振动。
颤振是气动力与结构惯性力、阻尼和内力交互作用下所产生的效应,由于桥体本身的微幅振动,而不断从流场中吸取能量,在到达临界风速时振幅迅速增大而使结构破坏。影响桥体颤振的主要因素为主梁断面的几何形状与结构的动力特性(包括垂直和扭转振态频率、振态形状)等。

颤振通常可以区分为单一自由度颤振和耦合颤振。若桥梁断面形状为非流线型时,流场在桥梁断面会有明显的分离现象,可能产生单自由度的扭转不稳定现象,这种颤振又称为阻尼驱动颤振,这是由于扭转向的气动力阻尼抵消了结构阻尼所引起的不稳定现象。
耦合颤振又称为古典颤振或劲度驱动颤振,一般是挠曲和扭转模式交互作用而成的不稳定振态模式。若桥梁断面形状越趋于流线型(机翼形状)时,流场在桥梁断面的分离现象较不显著,且当桥梁扭转振态频率与挠曲振态频率越接近时,这种古典颤振现象越容易发生。为避免颤振造成桥梁破坏,临界风速必须高于设计风速某一范围以上,若临界风速过低则须修改断面形状或装置调质阻尼器来增加桥梁稳定性。
抖振与大气中乱流有关。这是由于逼近乱流的速度扰动,对结构造成的一种不稳定载重,而使结构体产生振动的现象,因为乱流程度随时间和空间改变,故所造成的效应也将沿着车行方向而改变。抖振除与乱流特性有关外,也和桥面版的几何形状及桥梁基本振态有关。桥梁的抖振效应通常不会导致桥体破坏,倘若振幅过大,行车可能感到不适。此外,在长期作用下,桥梁材料可能因此而疲乏。由于桥梁断面都不是单纯几何形状,因此上述气动力效应的检核分析多须通过风洞试验所采集的气动力数据后才能进行。引用链接:www.qiji.cn/scinews/detailed/1740.htm

后记:中国空气动力学网站作为一个群体科研机构,其友情链接内容很“非主流”。钱老先生在天之灵看到不知作何感想。

2010-3-13 作者 readwiki 发布于分类: 建筑工程 | 关键字 : 风工程 土木工程 建筑工程 桥梁 | 浏览 | 评论 0
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