風對結構物之作用

u u

L U R

u ^∞ τ τd

=

∫

其中R^u是縱向風速擾動u(x¹,t)的自相關函數。

第 二 節 風 對 結 構 物 之 作 用

當氣流流經結構體，由於流體本身如風速、紊流強度大小等，以及結構 體造成流體於結構表面形成的分離現象、尾流等，皆會使結構體發生各種形 式發生各種振動，此屬於氣動力現象。此外，結構體振動也影響了附近流體 的行為，改變流體作用在結構上的壓力，進而又使結構的振幅有所變化。這 種流體與結構間的耦合情形，稱之為氣彈力現象。此壓力變化與結構體運動 之位移、速度、加速度相耦合對結構振動反應的影響，分別可視為氣動力勁 度、氣動力阻尼及氣動力質量的效應。一般結構受風作用時，氣動力阻尼對 於結構振動現象有較大的影響，而足以表示大多數的氣彈力現象。

壹 、 氣 動 力 現 象 (1) 分離(separation)

空氣流經鈍體表面時上形成邊界層，並受黏滯力、鈍體表面曲率、粗糙 度及雷諾數之影響。當承受逆壓梯度(adverse pressure gradient)而不足以維持 其自身沿鈍體表面運動時，則發生流體分離或逆流(reverse flow)之現象。對 於具有銳緣之鈍體，由於表面曲率在此銳緣上是幾何不連續點，因此氣流分 離現象必在此銳緣上發生，此分離剪力流並在鈍體後之尾跡中形成渦漩。此 外，在分離的銳角下游處，由於渦漩之產生而引致較大很大的吸力(suction)。

至於對具連續表面曲率之物體，其分離的位置則與雷諾數有關。

(2) 再接觸(reattachment)

當 分 離 後 之 剪 力 流 由 於 對 外 界 自 由 流 之 捲 增(roll-up) 及 動 量 輸 入

(entrainment)作用，而使分流線(separation line)之曲率增大。倘柱體之深寬比 夠大，則分流線將再度接觸到鈍體之頂面或兩側面，此即為再接觸現象。再 接觸現象對柱體整體之氣動力現象有十分顯著之影響，其發生之主要因素是 流場條件及柱體深寬比。Kawai[8]研究高寬比為 10 之不同深寬比柱體在三種 邊界層流場中之氣彈力位移反應，結果顯示紊流強度之增大會促進分離剪力 層之再接觸現象發生，進而使低深寬比柱體之位移反應表現與深寬比略大之 柱體相似。

(3) 尾跡(wake)

流體流經鈍體產生分離現象後，分離出之渦流幅員向下游逐漸增寬，其 流動之軌跡形成尾跡。尾跡中渦漩對結構而言為一負壓區，間歇性尾跡渦漩 亦對結構體形成擾動性外力。

(4) 渦散作用(Vortex Shedding)

氣流流經鈍體時，於兩側會交替產生分離剪力層，造成柱體側面之非恆 定外力，此稱渦散作用。渦散作用之特徵頻率，稱之為渦散頻率(Shedding Frequency)。

渦散頻率在橫風向反應上扮演著重要的角色，它不但和風速有關，也和 結構物的形狀、大小有關；對於非圓柱形結構物則和風向攻角也有關係。一 般常將其以無因次之史特赫數(Strouhal Number)表示如下：

f Ds

St= U (2-6)

其中，fs 為渦散頻率；D 為結構特徵長度尺度。

由於渦散頻率與平均風速常具相關性，故對不同斷面的結構物，史特赫 數代表尾流中最顯著之大尺度渦漩的無因次化頻率，可反應出其特性。一般 來說，方形斷面柱體相應之史特赫數約為 0.11，而圓形斷面柱體在高雷諾數 時之史特赫數約為0.2。

貳 、 氣 彈 力 現 象 (1) 鎖定現象(Lock-in)

流體流經結構物時，流體分離現象產生渦散作用。如果渦散頻率與結構

體之自然頻率相接近至某一範圍時，由於結構體振動行為與渦散發生共振，

(2) 橫風向馳振現象(across-wind galloping)

風與結構體間的相對攻角因結構振動而產生變化，會導致結構體受力情 形改變，而造成氣彈力不穩定的馳振現象。對於完全對稱的斷面(例如圓形)，

因相對攻角固定而不會發生此現象。由試驗發現，急流現象是否可由靜態 (static condition)量測的 、 來預估。根據Glauert-Den Hartog 標準，發生 馳振現象的條件為：

Davenport[12]以此觀念推導出馳振現象發生的最低風速V0：

1

參 、 風 力 作 用 下 的 位 移 反 應

(2) 準穩定定理(quasi-steady theory)：結構所受的流體作用力，只由逼近流瞬 時速度及其結構體間之攻角決定。

(3) 條狀理論(strip theory)：任一高度的風壓取決於該高度之風速。