研究作用在建物上的风荷载
风对建筑物的作用主要表现在平均风载荷、脉动风载荷、风振、通风和热损失、局部风环境等方面。风载荷是设计建筑物时必须考虑的载荷之一,包括风对建筑物的作用力、力矩和表面分布压力。风载荷主要取决于来流速度及其随高度的分布、风向、湍流结构以及建筑物的形状、表面粗糙度和动力特性,一般随时间变化,并且具有很大的随机性。为了研究方便,常将真实的瞬时风载荷分为平均风载荷和脉动风载荷两部分。图1表示一个绕经长方体建筑的典型流动图案(图1之a)和该建筑物某一横截面处的压力系数Cp的分布(图1之b)。压力系数Cp=(p-pδ)/0.5ρδVδ2,其中p为表面压力;pδ、ρδ、Vδ分别为大气边界层外缘气流的压力、密度和速度。(图1之b) 中压力分布的表示方法为:负压(低于大气压的压力)分布绘于建筑物轮廓线内,正压分布绘于外;压力分布曲线上某点压力的大小与距建筑物轮廓线的距离成正比。图中给出的压力峰值是选择建筑物的贴面、玻璃、装饰物等所必须考虑的因素。
对通常形状的建筑物来说,表面摩擦应力同压力相比是小量,所以对建筑物表面上压力的积分即可认为等于作用力。在工程设计中,常用体形系数CF表示平均作用力的大小。CF=F/A:q,式中F为作用力;A为建筑物迎风面积;q为基本风压。体形系数与建筑物形状有很大的关系。在建筑载荷规范中常给出各种不同结构的体形系数,作为设计时的参考或准则。
研究建筑物在风作用下的结构响应
建筑物表面上的脉动压力,从机理上说,主要是由于大气中的湍流脉动和建筑物绕流中的旋涡脱落等作用的结果。脉动压力一般随位置和时间而随机地变化,它使建筑物承受随时间变化的作用力和力矩。这些力和建筑物的惯性力、恢复力、阻尼力等的共同作用使建筑物激发振动,简称风振。若风振的主要频率同建筑物固有频率相近,则可能发生共振而引起灾难性后果。风振特性及其防止措施是建筑空气动力学的研究内容之一。
研究建筑物周围的风环境和舒适性