結構抗風
關注創建者：Sunshine Bloom 創建時間：2019-07-24
結構抗風的實例教程
懸掛網殼結構在風荷載的作用下表現為上吸下頂的趨勢，這種趨勢對于結構抗風作用有一定的好處；當風向角為90°時，等值線呈現一種完全均勻的橫向梯度分布，在上表面迎風的前端位置以及懸掛網殼結構中部在風荷載作用下表現為壓力，其余部分為吸力，與下表面的壓力分布恰好相反，左右兩側中央部分受到風荷載作用影響效果最為明顯；當風向角為180°時，此時順風向風壓分布呈現梯度變化趨勢，左右兩部分基本對稱，結構的風壓系數等值線分布在迎風前端較為集中，且在迎風面上風壓系數達到峰值，故此處懸掛網殼結構受風荷載作用后壓力效果最明顯。
圖 14 不同風向角下結構表面風壓系數等值線
Fig.14 The isoline wind pressure coefficient on structure surface under different wind directions
從參考點處的風壓系數曲線圖中（圖 15）可以發現：在三種不同風向角的風荷載作用下，有拱梁和無拱梁的懸掛網殼結構風壓系數曲線變化趨勢基本一致，有無拱梁的懸掛網殼結構上下表面風壓分布趨勢大致相同，說明拱梁的存在對于受到風荷載作用的懸掛網殼結構有影響，但影響效果不明顯。對比風壓系數曲線的數值，當拱梁存在的情況下，有拱梁的懸掛網殼結構和無拱梁的懸掛網殼結構在三種不同風向角風荷載的作用下，結構表面的風壓系數在絕對值上都有小幅度的下降，表明拱梁的存在雖對于結構整體受到風荷載作用下的風壓分布不能產生效果比較明顯的增強或削弱，但可以對懸掛網殼結構表面受到風荷載后起到一定的遮擋作用，也可以使網殼結構的抗風能力得到小幅度的提高。故加入拱梁也能提高懸掛網殼結構的安全性。
展開 我們都知道，對于一般的土木工程建筑物，荷載規范方法的基本思路是，在一定地貌類型下，先計算出各高度的風壓，然后乘以建筑物的體型系數計算出平均風荷載，最后再乘以風振系數以考慮結構的動力性能。然而，現實中的建筑物，外形往往是非常復雜的，傳統的規范方法已經很難適用。此時，風洞試驗和數值模擬成為研究建筑物風荷載的有效手段。然而，風洞試驗耗資巨大，在建筑物設計的可行性研究階段，采用數值模擬方法進行建筑抗風的相關研究，往往是經濟可靠的途徑。隨著計算機數值模擬技術的快速發展和CFD理論的成熟，定性分析和評估建筑物的風荷載已非難事，但是定量分析尚有距離。然而，即便是定性分析，就足以提供一些非常有價值的結論，如超高層建筑物外形的氣動優化，建筑物的選址，行人高度風環境的評估等。目前而言，這些分析用到的基本方法大致可以分為兩類：基于時間平均的雷諾平均（Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS）方法，和基于空間平均的大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）方法。
RANS方法主要是對瞬時的N-S方程進行了時間平均，并基于一定的假設建立相應的湍流模型使方程組封閉來進行求解。不難發現，由于RANS方法的本質在于求解平均方程，因此，不管RANS的封閉模式方程中是否含有瞬態項，RANS方法求解得到的始終是結構表面的平均風荷載信息，而無法得到結構表面的脈動風荷載信息。然而，由于RANS方法的計算量小，在工程領域中獲得結構的風荷載體型系數以及結構周圍平均流場信息方面得到了廣泛應用。LES方法則與RANS方法有著明顯的不同。LES方法主要思想是把湍流中大渦和小渦分開處理，對攜帶主要能量的大渦直接求解，而對起耗散作用的小渦建立適當的模型求解。可以看出，LES方法能夠更好地模擬流場的脈動信息，從而得到結構表面的脈動風荷載信息。
展開 高層建筑的建設應該說技術是成熟的，我們有嚴格的抗風設計驗算，抗震設計驗算和抗連續倒塌設計驗算。在這些規范化的設計方法指引之下，所設計建造出來的大樓是安全的，這一點希望民眾可以放心。
當然不是說它沒有問題，它還是存在一些問題。比如說在平時的豎向交通問題，都是各個CBD區、寫字樓工作上班的人員經常面對的一個問題。
其次應急疏散也是一個比較嚴重的問題，昨天賽格廣場出現的應急疏散場面還是比較混亂的。我國相關監管部門已經意識到這一點，這從2016年以后可以看得出來，各個城市的高樓建設刷新新紀錄的幾乎就沒有了。自從上海中心建好之后就沒有新的高度。
建議大家不要再攀比城市的新的天際線。
至于工程結構抗風，一般而言有兩個手段。
第一個是抗，我們通過加大關鍵構件的面積。當然這個是要在合理的抗側力體系的布置之下，我們可以抵抗住風來的時候，在結構中所產生的效應。
第二個，我們要引入結構控制的概念，一種更為聰明的辦法，來減輕風引起結構的振動。大家廣為熟悉的就是所謂的風阻尼器，主要是因為臺北101、上海環球、上海中心跟平安金融中心，這些都采用了類似的措施，但是應該說除了這種以TMD/AMD為主要形式的風阻尼器之外，還有好多人在采用以消防水箱為主要應用源的一種叫所謂的TLD技術，就是調諧液體阻尼器技術，這個也會慢慢地被推廣采用。
問：
我們應該如何看待這次事件，后續應該如何做確保安全？
肖教授：
應該說這個事件還是給我們帶來了一些教訓的。這個事件出現之后，我們當時不能夠拿到第一手結構振動的具體數據，使得我們對外發布相關信息的時候缺少第一手的資料。
展開 結構抗風分析原理及應用（第二版）[M].
下面我們可以從這幾個方面來看與一下本次會議的亮眼之處：
工程師的靈魂
當今結構設計行業競爭激烈，那么如何選擇最優的結構體系，使結構效率達到最高將成為設計師們競爭熱點，本次會議邁達斯產品總監-高德志 高總專門講述到了這個問題，從力流效率到結構平面布置及抗側力效率思考再到結構的抗風效率思考讓我們了解到原來結構設計并不只是照抄規范，靈活運用并且恰當的利用自然規律才能成為偉大的工程設計師，賦予作品更多的靈魂。
新鋼規的解讀
自新鋼規頒布以來，以此引來的熱點問題源源不斷，會議中也就新鋼規展開了熱烈探討，比較新鋼規與舊鋼規的內容差異 ，從中可以看出新鋼規設計考慮也更加細致，更是逐漸與歐標、美標接軌。因此對于未來的鋼結構設計，肯定是更加精細化，而工程師們也是有了一些對比參照之物。邁達斯軟件同比其他軟件，規范更加全面，包括midasGen海外版也是緊密結合了海外規范，對于工程師們使用不同規范進行設計對比提供了便捷。
滿滿的干貨
會議中還提及了不同的結構類型，包括工業特種結構，大跨空間結構以及鋼板剪力墻結構等，講師們更是結合項目案例來敘述他們曾遇到過的項目難題以及最后研究出來的解決方案，滿滿的干貨，讓我們意識到雖然結構類型越分越細，但最根本的東西是不變的，有時候我們需要從本質出發去思考。
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結構抗風的最新內容
土木工程
進行薄殼地震作用、風荷載響應分析中，單元能有效模擬殼體的振動與失穩，為結構抗震、抗風設計提供依據。且單元計算的共振頻率與實測值偏差小于 2%。
補充EAS與ANS概念原理
在計算力學領域，殼單元的精度與效率始終是研究者關注的核心。當殼體結構面臨面內彎曲、出平面彎曲或復雜變形時，傳統單元常因 “鎖定” 現象（如剪切鎖定、厚度鎖定）導致結果失真。
以飛機制造來說，機身與機翼的對接，直接關系到飛機的空氣動力學性能和飛行安全；航天火箭的液體發動機裝配，對精度的要求近乎嚴苛，稍有偏差就可能導致發射任務失敗；船舶制造中，船用發動機定子與轉子的對中精度，決定了發動機的運行穩定性與使用壽命；風電行業里，風電塔筒環縫焊接監測的準確性，影響著塔筒的結構強度與抗風能力。
在這些對接裝配場景中，精確的六自由度調姿與定位不可或缺。
[13]，后兩者由于實驗設備和條件的限制性，對于結構抗風研究來說，數值模擬成為了大多數學者選擇的不二方法。
對結構的抗風性能研究越顯重要。
結構抗風分析原理及應用（第二版）[M].
圖 7 X-Hawk尾座式多旋翼無人機
1.7 升力翼多旋翼無人機
升力翼多旋翼無人機（圖8）是一種翼身融合體與多旋翼的組合構型，旋翼槳盤平面與升力翼呈固定安裝角度，在保留多旋翼原本簡潔可靠的結構以及抗風穩定性的同時大幅度提高了前飛效率，它可以從懸停狀態平滑地過渡到高效前飛狀態，以此來達到最大的升力需求和動力最優配置。
采用流固耦合仿真技術可以模擬出強風條件下膜結構明顯的流固耦合效應，通過膜結構局部和整體振動三維時程分析可以得出膜結構風致破壞情況，為膜結構以及下部主體結構設計提供抗風設計補充參考。
什么是風與結構的流固耦合作用？
城市建筑所處的大氣底層通常是湍流充分發展的地帶，地表摩擦使得湍流擴展到整個大氣邊界層高度（規范規定300~550米）。
至于工程結構抗風，一般而言有兩個手段。
第一個是抗，我們通過加大關鍵構件的面積。當然這個是要在合理的抗側力體系的布置之下，我們可以抵抗住風來的時候，在結構中所產生的效應。
第二個，我們要引入結構控制的概念，一種更為聰明的辦法，來減輕風引起結構的振動。
這種結構體系構造簡單，排水方便，但屋面結構的穩定性不好，在不均勻荷載作用下會使懸索屋蓋產生結構變形，同時抗風能力也不足。一般可通過在索間鋪設預制鋼筋混凝土板來增強穩定性。
然而，反過來，即使入口給定的脈動風速滿足流體控制方程，這樣的脈動風速特性，是否就一定是我們結構抗風設計中想要的風特性？答案不得而知。這其實就是LES計算中脈動風速入口生成的難點所在。綜上，LES計算中脈動風速入口需要滿足的條件是：平均風速特性，脈動風速特性，和流體控制方程。這些條件其實是極為苛刻的，要想同時滿足幾乎無望。
