风力因素对土木工程结构的影响与试验研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：黄文海（1985)，男，广西南宁人，研究方向为风力工程。-129-风力因素对土木工程结构的影响与试验研究 黄文海 广西兴佳建设工程有限公司，广西 玉林 537000 摘要：摘要：在土木工程领域，对于建筑物的稳定问题，历来都是一个重要的工作内容。为了保证建筑物的稳定，必须从建筑物的材质和构造上进行分析。风力作为自然界中的一种力量，在土木工程结构中具有重要的影响。随着城市化和工程建设的不断发展，对于风力因素的研究和了解变得尤为重要。通过探讨风力的基本概念，分析风力对结构的具体影响，并提供实验室和实地试验的结果分析，讨论风力在土木工程结构中的工程应用，包括结构设计和规范的改进、抗风性能的提升以及结构维护和监测，为土木工程结构中风力因素的研究提供参考。关键词：关键词：风力；土木工程结构；风荷载；结构抗风性能 中图分类号：中图分类号：F407.9 0 引言 风是一种普遍存在的自然力量，对建筑物、桥梁和塔楼等结构物产生重要影响。随着气候的改变，风的影响越来越大。频繁的暴风雨对工程人员的工作提出了更高的要求，以保证建筑物的长期可靠性和耐久性。为了保证此类工程的安全、稳定运行，必须充分考虑风的作用。风对结构的影响是多方面的，其中包括风荷载的计算，结构的振动以及稳定的分析。风荷载的准确评估对结构的设计具有重要意义，过高或过低的估计都会带来危险。为了防止结构发生疲劳，必须对风导致结构的振动进行控制1。另外，风对建筑物的稳定也有一定的影响，因此必须进行综合的工程分析与设计，才能保证建筑物的完整。因此，风力研究和应用在土木工程领域具有不可取代的地位，对保障工程的安全性与可持续发展具有重要意义。1 风力的基本概念 1.1 风力的起源和形成机制 风力是一种横向移动的气流，它的运动是由地球各个纬度所接收到的太阳光的强弱决定的。气流所产生的动能与风力非常相似，它是一种将太阳能转换为电能的方式。风力无形无质，是气流所造成的一种自然现象。太阳光线照射到地面，使得地面升温，地面上的空气因受热而稀薄，因而产生一些空腔。在大气压力的影响下，热气上升之后，低温冷空气从侧面进入，上升的空气因为逐渐冷却而变得沉重，再加上地面的高温，将空气加热，使得空气向上，如此往复，气流不断运动，便产生了风。1.2 风力的分类 风力按其发生的位置、性质，可以将其划分为各种类型。其中有大气风，地形风，热对流风等等。大气中的风场一般都是从较高的区域流向较低的区域。地风指的是由山地、峡谷等地形因素引起的局地风场，其方向及强度受到地形的显著影响。海陆风和城市热岛效应等是引起热对流风的主要原因。1.3 风力的测量和记录方法 为了理解风的性质，以及对风的预报，科学家和工程师们采用了各种各样的方式来测定和记录风的强度。用来测量风速的主要仪器有风速表，风向表，风杆等。这种设备能够被安装在气象站，飞机，船舶，建筑上来获得风的资料。同时，利用卫星、雷达、计算机模拟等手段，对风场进行实时观测，为风场预报与分析提供重要的数据支撑。在土木工程中，风载的精确测量与记录是保证建筑物稳定与安全的关键。2 风力对土木工程结构的影响 2.1 风荷载的计算方法 风力是指在建筑物上施加在建筑物上的荷载，精确地计算它对建筑物的安全性具有重要意义。目前，国内外对风荷载的研究主要集中在风速、建筑物外形和建筑物暴露度等方面。工程人员利用天气资料及诸如风速频谱图及风荷载准则等数学模式，对各设计期的风荷载进行评估。这些计算方法考虑了风向、风速中国科技期刊数据库 工业 A-130-分布和大气稳定度等参数，以确保结构在各种风况下都能安全运行2。2.2 风力引起的结构振动 风力是土木工程结构产生振动的主要诱因，在高层建筑和桥梁等大型工程中尤为突出。结构的振动会引起结构的疲劳失效，从而影响其耐久性3。所以，为降低谐振风荷载对结构的影响，设计人员在进行设计时，一定要注意其自振频率与风振频率的匹配性。另外，风振阻尼器和管道设计等也能有效地降低风致结构的振动。2.3 风力对结构稳定性的影响 风力是影响土木建筑稳定的重要因素。在风荷载的作用下，建筑物可能承受横向或扭转的荷载，从而引起建筑物的变形。这样会对建筑物的整体稳定造成不利的影响。所以，设计人员在设计时，首先要做好风荷载的稳定分析，以确保风荷载的水平及扭转作用，以确保结构的安全。因此，如何正确地考虑并应对这种风效应，是保证工程安全、稳定运行的重要前提。3 风力试验研究 3.1 实验室试验 通过对风场情况的模拟，开展了系统性的研究。在室内实验中，首先要制作能够反映真实结构的模型，该模型一般都是按缩尺进行的，但又要保持与真实结构类似的几何、材料性质。测试设备主要包括风洞、风速产生器、传感器等，主要用来进行风场的模拟及对建筑物的反应的测定。风力加载是实验的核心，在风洞中，通过风速发生器产生不同风速的气流，然后将模型置于气流中，以模拟不同风速条件下的风力作用。加载方式可采用恒定风速或在暴风雨发生时模拟瞬间风速等方式进行。在试验过程中，采用了一种新型的传感器，对该模型进行了测试。所有的数据都被记录在了数据获取系统中，并被详细的分析了出来。该方法的主要目标是对结构的稳定性、振动和其它重要特性进行评价。结合试验结果，验证数值模型，改进设计，建立相应的风荷载规范，使研究人员能够更加全面地认识风荷载对结构的影响，为工程设计及安全评价提供依据。3.2 实地试验 实地试验是对现场实测结果进行分析，以获得真 实的结构反应数据。在现场测试中，研究者在真实的工程结构上安装了传感器，并对其进行了测量。该传感器能够对结构进行位移、振动和应力等参数的检测，并将相关的信息传送给相应的数据处理系统。现场实验要求对风场作详尽的分析。其中包括测量诸如风速，风向以及气象状况的资料，以决定试验过程中的风况。为了获取完整的风场信息，往往需要在不同的地点布设多个气象站。通过对传感器和气象站的资料进行分析，研究者们就能对各种风状况下建筑物的反应进行评估。这种分析可以包括结构的自然振动频率、共振现象的检测、结构的位移和扭转等方面的考察。通过对结构真实反应的分析，可以对结构的风险、工作性能及安全进行评价。实地试验的优点是可以得到实际环境中的资料，可以帮助研究者更加精确地理解风对建筑物的作用。这些数据不仅可用于验证数值模型和设计假设，还可为结构的维护和安全评估提供重要信息。实地试验的结果对完善工程设计、评估结构力学性能及提升工程安全可靠度具有重要意义4。3.3 实验分析 风力对结构响应的影响是十分复杂的，实地试验结果有助于了解结构在不同风况下的振动、位移、应力等响应。通过对上述结果的分析，可以发现结构自振频率、共振现象和风致临界风速。同时，也可辨识出结构的模态及可能出现的疲劳问题，为后续的维修与设计提供参考。实地试验一般都是在不同的风速、风向等情况下进行的，因此，可以对各种风荷载作用下的结构进行评价。计算结果为合理确定结构的极限荷载及安全储备提供了依据。研究人员可以评估风力对结构的弯曲、扭转、位移、振动等影响，为结构设计提供宝贵的依据。充分考虑风对结构反应的影响，研究其在不同风荷载作用下的工作特性，可为保障我国土木工程的安全可靠运行提供理论依据5。研究成果可为工程人员完善设计规范，采取必要的抗风措施，保证结构在极端气候环境下的耐久性。4 风力对土木工程结构的工程应用 4.1 结构设计和规范的改进 中国科技期刊数据库 工业 A-131-风力对土木工程结构中的应用，主要表现为对结构设计及相关规程的完善。风力是土木工程中最重要的外界荷载之一，对其进行精确的分析与合理运用对于保证结构的安全稳定至关重要。工程人员在进行结构设计时，往往要依据风的特性及风载的计算方法，决定结构的尺寸、外形、材料及连接形式。通过现场与室内实验得到的资料，可作为工程设计的依据。通过对风荷载的实验研究，可以为进一步发展更为精确的风荷载下的风振特性提供理论依据。工程人员可根据不同的风场环境，如普通风、特大风暴等，来保证建筑物在不同的工况下的安全性。另外，对于一些特殊的建筑，如高层建筑、桥梁和烟囱，进行风振测试，可以对结构进行优化设计，减小风荷载的影响。完善结构设计准则是风力应用的一个重要内容，其成果可为我国相关标准的编制与修改提供科学依据。该规程将对结构的风振特性进行详细的分析，并对结构的抗风性能进行了分析。修订后的规程能更全面地反映风对工程的作用，使其更加安全可靠。这对高层建筑、桥梁、塔楼等具有较高危险性的建筑物的设计与建造具有重要意义。通过对风荷载的实验研究，可以帮助工程师更好的了解风对结构的作用，进而优化结构的设计方案，并提升相关规范的精度，保证不同风况下的工程结构的稳定与安全。这一工程应用为城市建设和基础设施的可持续发展提供了坚实的基础。4.2 结构抗风性能的提升 提高土木工程结构的抗风能力，是保证其在恶劣天气环境中使用安全的一个重要课题。其内容包括结构设计、选材、施工工艺及监控手段等。在此基础上，设计人员可根据风荷载实验数据，对风荷载下的结构进行优化设计，从而达到降低风荷载下结构抗力与振动反应的目的。这其中涉及到了降低阻力系数，改变外形来降低气动压力等气动设计原则。同时，对上部结构进行了加固，加强了上部结构的抗风承载力及支承体系，提高了结构的整体稳定性能。高强度，抗腐蚀，抗风化的材料，往往能更好的抵抗由风造成的腐蚀和损坏。同时，通过合理的前处理及防护措施，可以有效地延长结构的使用寿命，增强其抗风性。如采用玻璃、金属及涂料等具有较好的防风能力，则可降低风荷载，改善结构的稳定性。通过合理的施工工艺及质量控制，保证了各部位的连接牢固，减小了大风作用下结构的松脱和位移。同时，加强对施工中张拉力、焊接质量等质量检测与监控，及时发现和修正结构隐患，改善结构抗风性。实时结构监测系统的应用可以监测结构的振动、应力、位移等参数，以及环境条件如风速、风向、温度等。通过对监测数据的实时采集与分析，使工程人员能够采取相应的控制与维修措施，从而保证建筑物在暴风雨或恶劣天气情况下的安全。通过上述措施的综合应用，将显著降低风荷载效应，提升结构的抗风性能，保障城市基础设施与建筑结构的安全稳定。4.3 结构维护和监测 为保证结构在长时间内仍能维持较好的抗风能力，必须进行定期维修。其中包括对重要构件如连接件，支撑体系，保护层等进行检测与维修。对建筑物进行定期检测，可使建筑物内部出现诸如腐蚀、疲劳损坏、结构疏松等隐患，从而及时进行维护和加强，以增强其抗风能力。该系统能够对结构的振动，应力，位移等参数进行实时的监控，并将相关的信息传送给控制中心，以便进行分析与评价。利用该系统，可以使工程人员尽早地检测出振动超限、应力集中、变形等不正常现象，以便及时采取相应的对策，保证结构的安全。同时，针对超高层建筑和桥梁等受风力影响较大的项目，建立专用的风监控系统具有十分重要的意义。该系统能够对气象要素如风速，风向，气压等进行实时监控。将该方法与结构监控系统相结合，可以更好地掌握结构在风载荷下的反应，从而对其进行有效控制。同时，也要制定相应的应急预案，以便在暴雨等恶劣天气情况下，能够将风对建筑物的破坏降到最低。其中包括应急巡逻，撤离计划，以及对临时建筑的加强，等等。为保证建筑物在恶劣天气下的安全运行，必须制定相应的应急预案，并进行相应的培训。在此基础上，进一步提高桥梁在复杂环境下的安全与可靠度，以应对各种自然灾害及极端天气的挑战。这样就可以保证在诸如风这样的外界影响下，城市的基础设施和建筑也能保持稳定的运转。5 结语 随著全球气候变暖，风力因素的重要性将持续上升。通过深刻理解了风力对土木工程结构的重要性，风荷载计算、结构振动和稳定性分析等方面的研究结中国科技期刊数据库 工业 A-132-果为工程设计提供了有力支持。同时，对风力的实验研究也将为土木工程结构的设计与施工提供有价值的资料与经验。今后的研究方向可集中在风力与其它自然力的综合效应上，并将新的材料与科技运用到建筑的设计上，将不断改进土木工程结构的安全性和可持续性。参考文献 1宣颖,谢壮宁.大跨度金属屋面风荷载特性和抗风承载力研究进展J.建筑结构学报,2019,40(3):41-49.2傅继阳,吴玖荣,徐安.高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究J.工程力学,2022,39(5):13-33,43.3 潘 小 旺,邹 良 浩,梁 枢 果,等.基 于 极 值 相 关 性 的 超 高 层 建 筑 风 荷 载 组 合 研 究 J.建 筑 结 构 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