日期：20160310
注： 本人缺乏风工程基础，本篇笔记难免有错误之处。
引言
结构风灾害案例：
- 日本明港西大桥拉索风雨振；
- 东京港大桥振动；
- Tacoma Narrows Bridge颤振破坏；
结构对象
对风敏感的结构：
- 桥梁，大跨度悬索桥、斜拉桥；
- 高层高耸结构；
- 大跨（索膜）结构；
- 风能发电结构（海洋+陆地）；
- 输电结构（电塔+电线）
- 海洋结构
- 海洋平台
- 输油管道
这些结构的共同特点是：
- 柔度大，基频低；
- 阻尼比小；
在实际的振动问题中，阻尼的影响可能比频率f更大。
研究的视野要宽广，不要只局限于建筑结构，还应该看到桥梁、电力、能源的应用。
风振基本问题
动力学基本方程如下：
\begin{equation}
m \ddot{x} + c \dot{x} + kx = F(t)
\end{equation}
在地震工程中$F(t) = m \ddot{x}_g$，在风工程中$F(t)$即为风压荷载。在不同的风速下风压荷载的形式不同：
- 脉动风，时变；
- 层流风，定常；
由于绕流场不同，风荷载模型的表达形式不同，普遍的隐式表达式;
\begin{equation}
F = F(u,I,L,A,S,t)
\end{equation}
其中：
- u--风速；
- L--结构尺度；
- t--时间；
- 其余参数含义不懂；
绕流场的影响因素：
- 结构的形状；
- 流固耦合作用；
国内研究机构
- 同济大学，桥梁抗风，项海帆院士在80年代初创建风洞；
- 西南交大，铁路桥梁风工程；
- 哈工大-大跨空间结构组，大跨结构风工程的关键在于结构形状复杂，孙瑛老师创建风荷载试验数据库系统；
- 哈工大-深圳研究生院，高层结构抗风研究；
哈工大放在课题组（Structure Monitoring Cneter，SMC）起步较晚，其他机构普遍关注于风荷载$F(t)$的研究，SMC选择了更深层的流场研究和健康监测作为战略方向：
- 研究流场，分析风荷载的形成；
一般的风洞试验主要测试风压为结构设计提供依据； - 桥梁风振监测；
首次将PIV粒子成像系统应用于风工程（陈文礼教授，高东来博士）；
常见振动的形式
风致振动的主要形式有5种：
- 涡振，东京港大桥高层结构；
- 颤振，Tacoma Narrows Bridge；
- 风雨振，斜拉桥拉索；
- 抖振，所有结构普遍存在；
- 弛振
- 单纯弛振
- 尾流弛振（输电线）；
风荷载的形式影响振动系统的性质：
- $F(t)$，荷载仅与时间相关，则系统为线性系统，与典型的结构动力学模型一样；
- $F(t,y,y^{'},yx)$，荷载与结构振动状态耦合，形成非线性系统，不满足叠加原理
涡振
涡振由层流风（定常，无脉动）引起，当尾流漩涡脱落时的频率与结构自振频率相等$f_v = f_c$，激发结构横向振动。示意图如下：
振动特点：
- 限幅振动；
- 滞回现象；
- 群体效应；
限幅振动
在非线性动力学中，阻尼与位移加速度相关，即$c = c(y,y^{'})$。在小位移，低速度的状态下，风的动能输入使得$c<0$，负阻尼，振幅不断加大；当振动达到临界状态$ c=0 $，0阻尼情况下，结构自由振动，振幅不变。
总阻尼 = 固体阻尼 + 气动阻尼
滞回现象
如图
- 风速增大，振幅增大到一定程度，然后消失；
- 风速减小，振幅先增大后减小，但与风速增大过程的曲线不同；
即相同的风速下可能处于不同的振动状态。
群体效应
多栋建筑距离较近时，风场形成的涡流相互影响。
案例
双箱梁的截面设计本来为了减少颤振（事实上的确减小了颤振），但引起了涡振，双箱之间形成涡流。
风洞模型试验没有发现涡振，这很可能是模型阻尼小造成涡振差别很大。
模型与实桥的雷诺数Re差别很大：
- 实际$10^8$
- 模型$10^5$
此为一大研究难题。
颤振
颤振，即导致Tacoma Narrows Bridge破坏的振动形式，是桥梁设计的控制因素，规范严格控制颤振。
涡振与颤振均由层流风引起：
- 低风速（4m/s-12m/s），涡振
- 高风速（12m/s-50m/s），颤振
国内测量的最高风速为100m/s，颤振设计临界风速一般为65m/s。
颤振的研究分为3个时期：
- 30-70年代；
- 80 年代；
- 80-至今；
30-70年代
主要研究航空领域机翼的颤振，机翼为平板结构不能直接应用于桥梁结构。
桥梁的气动断面主要有：
-
桁架，美国日本多采用；
桁架梁-明石海峡大桥 -
箱梁，欧洲中国多采用；
箱梁-南京长江二桥
桁架梁结构可以看做上下2片平板，直接采用机翼颤振理论；
箱梁的颤振气动自激力模型由 Robert H. Scanlan（The Johns Hopkins University霍普金斯大学）提出，假设单模态颤振。
80 年代
考虑桥梁结构跨度越来越大，高层建筑越来越高，结构跨越不同的风场，故研究多模态颤振模型。
80-至今
发现颤振的2种类型
- 硬颤振，很快导致结构破坏；
- 软颤振，不会快速破坏；
两者在气动自激力有差别。
抖振
抖振由脉动风引起，采用结构随机振动理论求解。
- 风荷载->脉动风速谱；
- 由伯努利方程将风速转换为风压；
- 加载，求解；
抖振理论由Alan G. Davenport（Canada，风工程专家、边界层风洞创始人）在1972年创立：
- 流固耦合；
- 气动导纳函数；
- Sears函数；
有待研究点：
- 气动导纳；
- 结构体量很大时，不同部位启动特性的相关性；
- 考虑结构振动的气弹模型，目前试验普遍采用刚性模型；
风雨振
在一定的风雨组合下，雨水在斜拉索表面形成水线，改变拉索的气动外形，引发强烈振动。可以在斜拉索表面加螺旋线，防止水线形成，控制振动，但机理尚不清楚。
弛振
在一定的风攻角，圆截面的构件迎风面实际变成椭圆，引发弛振。
研究方法
- 风洞试验；
- 数值计算；
- 现场监测；
- 理论研究；
- 风洞试验技术，陈文礼老师；
问题：
- 风雨振试验，难以测量表面风压，如果布置测试则破坏水线，无法形成风雨振；
- 风荷载较难在风洞实验室模拟重现；
- 大尺度涡流（500 m）难以在实验室制造，实验室尺度不超过20 m；
- 现场监测试验，流场的检测困难；
- 高雷诺数（$Re = 10^8$）的数值求解问题，无法忽略小涡的影响；
应用
- 烟囱效应：高层结构内外温度、气压差别较大，风声很大，电梯门关不住；
- 测试风场分布，确定风能最大的地方，建立风力发电站；
