横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的,它与结构截面形状及雷诺数Re有关,雷诺数Re是惯性力与黏性力之比。横风向风作用下,由于结构截面形式和雷诺数的不同,旋涡的形成也不同,那么结构的受力特性也不同。
雷诺数是空气动力学中的一个重要参数,现将空气动力学中对其的描述摘录如下。
在空气流动中,对流体质点起主要作用的是两种力,即惯性力和黏性力。空气流动时自身质量产生的惯性力等于单位面积上的压力ρv2/2乘以面积,其量纲为ρv2L2(L为长度)。黏性力反映流体抵抗剪切变形的能力,黏性越大,其抵抗剪切变形的能力就越大。黏性力的大小可通过黏性系数μ来衡量,流体中的黏性应力为黏性系数μ乘以速度梯度dv/dy或剪切角γ的时间变化率,而黏性力等于黏性应力乘以面积,其量纲为(μv/L)L2。
工程科学家雷诺在19世纪80年代,通过大量实验,首先给出了以惯性力与黏性力之比为参数的动力相似定律,该参数后来被命名为雷诺数。只要雷诺数相同,流体动力特性便相似。后来人们还发现,雷诺数也是衡量平滑流动的层流(laminar flow),向混乱无规则的湍流(turbulence)转换的尺度。
因为惯性力的量纲为ρv2L2,而黏性力的量纲为(μv/L)L2,用圆形截面的直径D代替L,可得雷诺数定义为
式中 ρ——空气密度,kg/m3;
v——计算高度处的风速,m/s;
D——结构截面的直径(m),或其他形状物体表面特征尺寸;
μ——空气黏性系数;
x——运动黏性系数,x=μ/ρ。
对于空气,运动黏性系数为1.45×10-5m2/s,则雷诺数Re可写为
Re=69000vD (4)(www.daowen.com)
雷诺数的定义是惯性力与黏性力之比,当雷诺数很小时,如小于1/1000,则惯性力与黏性力相比可以忽略,即意味着高黏性行为。相反,如果雷诺数很大,如大于1000,则意味着黏性力影响很小,空气流动的作用一般是这种情况,即惯性力起主要作用。
《建筑结构荷载规范》指出:
4 雷诺数Re可按下列公式确定:
Re=69000vD (8.5.3-1)
式中 v——计算所用风速,可取临界风速值vcr;
D——结构截面的直径(m),当结构的截面沿高度缩小时(倾斜度不大于0.02),可近似取2/3结构高度处的直径。
从雷诺数Re的计算公式可以知道雷诺数是和风速v成正比的,即Re∝v。
从雷诺数Re的计算公式可以知道雷诺数是和圆截面直径D成正比的,即Re∝D。
图5.7.1为某截面直径为D的高层建筑物所受风力的示意图,可见建筑底部风力小、上部风力大。即底部风速小、上部风速大。相应底部雷诺数Re小、上部雷诺数Re大。
图5.7.1 截面直径为D的高层建筑物所受风力的示意图
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