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当你走在大城市CBD街头，看到林立的高楼，她们是如此地挺立和纤细。你有没有想过，这些苗条的“竹竿”为什么不会被狂风所吹倒？如何确定它们的设计风荷载？建筑的体型和立面开洞有什么\公众玄机\"大众？
左:武汉绿地中央(636m) 苏州中南中央(729m)
什么是构造风工程?
普通来讲，构造风工程是研究构造在风荷载浸染下的位移、加速度等相应，以及对建筑周围风环境进行剖析和评估，以确保建筑安全性和舒适性的一门学科。研究方法紧张有4种：理论研究、现场实测、风洞试验和数值仿照。前面三种大家比较熟习，不过多先容了。
数值仿照，是近年随着打算机技能发展，利用打算流体动力学事理，仿照建筑周围流场，从而得到建筑表面的风荷载。它的浸染跟物理风洞实验类似，也称为“数值风洞”。
数值风洞仿照 ©华东建筑设计总院
建筑的设计风荷载
抗风设计是一个很大的范畴。它包括构造构造抗风设计、风环境、污染扩散和烟囱效应等多个方面。这里仅讨构造抗风。构造抗风，又分为建筑表皮围护构造和主体构造两个方面。
对付超高层建筑来说，最紧张的围护构培养是玻璃幕墙。常日是通过风洞试验，测试表面风压系数和阵风系数，得到设计围护构造的风荷载。
台风导致的玻璃幕墙毁坏
主体构造的抗风设计，包括测试和剖析风荷载取值，打算构造在风荷载浸染下的相应，从而评价构造方案的安全性和舒适性。在构造不能知足哀求时，提出方案改动的建议。
当建筑超过一定高度后，风致相应可能比地震相应更大，成为掌握主体构造设计的紧张浸染。这时应谨慎对待风荷载的取值，常日须要借助风洞试验和数值仿照【小i注】。
通过风洞实验，不仅仅得到建筑表面的荷载，也要得到施加到动力模型上的风振相应。目前紧张用频域的方法，并用CQC或SRSS方法等进行振型组合。
超高层构造表面风压分布 ©吴天河 罗兴隆
在完成以上剖析之后，得到构造的最大相应，并进一步得到“等效静风荷载“。所谓的等效静风荷载，是把风荷载的最大动力浸染等效转化为静力荷载，方便设计打算。
主体构造的抗风设计流程
一样平常的方案修正建媾和抗风方法包括，对建筑表面进行处理（如表面增加竖条以改变粗糙度）、调度整体或部分体型以改变所受气动荷载、设置阻尼器等。
值得一提的是，构造的气动荷载与建筑体形密切干系。因此，通过对建筑形状的精心设计，以减少构造风荷载是一个高效的方法。超高层建筑体型比选和优化也是一个主要的研究课题。
减小风荷载的方法
武汉绿地中央：形体和风槽可显著减小风荷载
构造风振相应
风振相应剖析是一个比较繁芜的过程，本节考试测验用普通地措辞大略先容一下。风振相应剖析常用频域剖析方法。经由傅立叶变换，得到其功率谱--随频率分布的一条曲线。
这样做的浸染有两个：第一，对功率谱在频域上进行积分就得到均方差；第二，通过功率谱我们可以知道荷载在频域上的分布。我们知道，与构造的固有频率相等或相称靠近的荷载身分将会和构造发生共振相应。
打算风振相应时，我们常常把它分为均匀位移和脉动位移两部分来打算，相应的把荷载分为均匀风压和脉动风压。脉动相应是背景相应和共振相应功率谱的叠加。个中，背景相应是除了共振频率以外其它频率引起的相应，紧张是低频的部分组成。
上图给出了范例的脉动相应的功率谱，那个尖峰便是属于共振相应的。尖峰对应的频率便是构造的固有频率。对上面功率谱在频域上积分便得到脉动相应的均方差。
终极，我们把均匀相应和脉动相应按一定的规则叠加起来得到最大风振相应。个中，Xmax为最大相应，为[均匀相应]+[峰值因子g乘以加脉动相应的均方根]。
风振相应一样平常分为3类，即抖振、涡激振动和自激振动。
1.抖振
抖振紧张发生在顺方向的，便是由顺风向风荷载的脉动浸染使构造产生的受迫振动。由于风荷载具有随机性，以是抖振实在也是一种随机振动。这种振动征象比较随意马虎理解，与一样平常的荷载浸染在构造上的受迫振动类似。
2.涡激振动
涡激振动一样平常发生在横方向，也便是与风向垂直的方向。你一定以为好奇怪，为什么风从X方向来，建筑物却在Y方向上振动？
事理是这样的。当风从顺风向吹来，在建筑物后部会形成漩涡并脱落，其脱落征象与雷诺数大小、截面形状有关。建筑后方两侧的漩涡以一定频率交替脱落，引起空气的环流。由伯努利方程我们知道，高下表面形成压力差。随着漩涡在建筑物后面两侧交替脱落，振动力的方向也以一定频率改变，横风向的振动就产生了。
当漩涡脱落频率与构造的固有频率相对靠近时，构培养会产生共振，此振动称为”涡激共振“。涡激共振对高层建筑、高耸构造以及桥梁等苗条柔性构造具有强大的杀伤力！
这里还有一个参数值得一提，斯托罗哈数，表达式如下。
上式中的fv便是漩涡脱落频率，D是构造特色尺度，一样平常取横风向的宽带，U是风速。St是斯托罗哈数，它与构造平面形状和雷诺数有关，与建筑的尺寸无关，故风洞试验的缩尺模型的斯托罗哈数与实际建筑附近，可以用来描述实际建筑。通过上面公式打算出漩涡脱落频率，设计时记得避开它！
上图是CAARC标模（高层建筑的一个标准模型）的横方向底部弯矩功率谱，数据来自风洞试验。从图中可见中间那个峰便是漩涡的脱落频率所对应的峰，图中横坐标和纵坐标都进行了无量纲化处理。
3.自激振动
所谓的自激振动，是在风荷载的浸染下构造产生了较大的变形和振动，而振动反过来又影响到浸染在构造上的气动力，气动力和构造振动相互浸染，即气动弹性效应。如果这种相互浸染一贯持续，并且使构造振动趋于发散，就会导致气弹失落稳。自激振动有驰振和颤振两种自激振动范例形式。
驰振是苗条物体因气流自激浸染产生的一种纯波折大幅振动。最先被创造于结冰的输电线上，振动以行波的形式在两根电杆之间快速通报，振幅可达电线直径的十余倍，彷佛快马奔驰，因此称为驰振。
颤振最先创造于机翼上，表现为旋转发散振动或弯扭耦合的发散振动。著名的塔科马大桥毁坏便是一个范例的颤振磨难例子。
其余，也有专家将塔科马大桥毁坏的缘故原由归结为“卡门涡街“。我理解，卡门涡街只是漩涡脱落的一种征象，不是振动的一种。颤振正是在卡门涡街勾引下发生的，两者并不冲突。
从太空俯瞰智利海岸的\公众卡门涡街\公众
如今，建造大型桥梁时，通过修正桥身断面形状，或安装空气稳定装置，来改进绕过断面的气流，也可以通过安装阻尼器等办法减小桥梁的振动。
CFD数值仿照
由于风洞试验条件有一定的局限性，且本钱比较高，研究职员利用CFD数值仿照的方法来替代一部分风洞试验。目前，数值仿照的精度和稳定性还没发展到空想的程度，作为风荷载剖析的一种赞助手段，尚不能完备取代风洞试验。
数值仿照可以分为定常仿照和非定常仿照两大类。定常的数值模只能得出来建筑的均匀风压结果，紧张代表有雷诺均匀RANS方法。非定常数值仿照可以得到物理量的时程，如风压时程，基底弯矩时程或风速时程等，并用于构造风振相应的剖析。
大略来说，非定常的数值仿照便是对物理风洞试验的仿照。紧张方法有大涡仿照LES和直接仿照DNS。近年来，大涡仿照LES越来越广泛地运用到各种工程剖析实例中；而直接仿照DNS的打算量巨大，比较难实现。
CFD数值仿照是建立在打算流体动力学的理论根本上的。想理解更详细的讲解可以看看有关书本，如王福军的《打算流体动力学剖析——CFD软件事理与运用》。
一个范例的湍流入口速率场
大涡仿照建筑附近的流场：某时候的速率场
上图，我们可以看到在建筑后方有漩涡脱落的想象，通过数值仿照能够捕捉到这种流场征象。这也是数值仿照优于风洞试验的地方。
虽然CFD数值仿照还不能对建筑构造抗风进行完备定量的剖析，但已经有学者把它利用到一些定性的剖析中，如不同建筑形状方案的比选，建筑形状优化等。这是CFD数值仿照一个主要的运用方向。
CFD数值仿照的终极目标是研究出一个高效率、高精度的“数值风洞”，并可以用它来取代物理风洞。想象一下，如果未来仅须要一台普通的电脑，就可以在短韶光内完成对建筑构造抗风的剖析事情，将会节省多少人力物力，可以说将是一种技能的革命！
