第04章_風(fēng)荷載

1、1風(fēng)荷載風(fēng)荷載 4.1 風(fēng)的有關(guān)知識 4.2 風(fēng)壓 4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念 4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)2被颶風(fēng)嚴(yán)重?fù)p壞的新奧爾良多層建筑34.1 風(fēng)的有關(guān)知識風(fēng)的有關(guān)知識4.1.1 風(fēng)的形成風(fēng)是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成的。氣溫高，空氣密度低，氣壓低氣溫低，空氣密度大，氣壓高大氣熱力學(xué)環(huán)流模型三圈環(huán)流模型考慮地球自轉(zhuǎn)以及大陸與海洋吸熱考慮地球自轉(zhuǎn)以及大陸與海洋吸熱差異等差異等44.1.2 兩類性質(zhì)的大風(fēng)兩類性質(zhì)的大風(fēng)1.臺風(fēng) 弱的熱帶氣旋引入暖濕空氣在渦旋內(nèi)部產(chǎn)生上升和對流運(yùn)動加強(qiáng)渦旋臺風(fēng)熱帶低壓 熱帶風(fēng)暴 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴 臺風(fēng)2.季風(fēng) 冬季：大

2、陸冷，海洋暖，風(fēng)：大陸海洋 西北風(fēng)西北風(fēng) 夏季：大陸熱，海洋涼，風(fēng)：海洋大陸 東南風(fēng)東南風(fēng)54.1.3 我國的風(fēng)氣候總況我國的風(fēng)氣候總況大風(fēng)區(qū)大風(fēng)區(qū) 東南沿海東南沿海次大風(fēng)區(qū)次大風(fēng)區(qū) 東北、華北和西北、青藏高原東北、華北和西北、青藏高原最大風(fēng)區(qū)最大風(fēng)區(qū) 臺灣、海南和南海島嶼；臺灣、海南和南海島嶼；小風(fēng)區(qū)小風(fēng)區(qū) 長江中下游、黃河中下游長江中下游、黃河中下游最小風(fēng)區(qū)最小風(fēng)區(qū) 云貴高原云貴高原64.1.4 風(fēng)級風(fēng)級 為區(qū)分風(fēng)的大小，根據(jù)風(fēng)對地面（或海面）物體影響程為區(qū)分風(fēng)的大小，根據(jù)風(fēng)對地面（或海面）物體影響程度，常將風(fēng)劃分為度，常將風(fēng)劃分為13個等級。個等級。風(fēng)風(fēng)力力等等級級名稱名稱海面狀況海面狀

3、況海岸漁船征象海岸漁船征象陸地地面物征象陸地地面物征象距地距地10m高處相當(dāng)風(fēng)速高處相當(dāng)風(fēng)速浪高（浪高（m）一般一般最高最高km/hn mile/hm/s靜風(fēng)靜風(fēng)靜靜靜、煙直上靜、煙直上1v0v=v0vv0v0v33常見高層建筑體型系數(shù)342.2.風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù) 0)(wzwzazmaasssTssTszzzzHzHzm222)(根據(jù)4.2.3節(jié)內(nèi)容，可得風(fēng)壓高度變化系數(shù)mz為：3.3.平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載0( )( )szw zz wm m如C類地貌高度100m處694. 110100615. 0615. 0)(44. 02aszzzzm35364.

4、4.2 4.4.2 順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)1）脈動風(fēng)下結(jié)構(gòu)位移反應(yīng) 在脈動風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)主要按第一振型振動，則位移反應(yīng)為)()(),(11tqztzy01)()()(wzzumzPd2）脈動風(fēng)下等效風(fēng)作用力 在脈動風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)等效風(fēng)作用力可表示為其中 脈動增大系數(shù)； u 脈動影響系數(shù)m(z) 結(jié)構(gòu)質(zhì)量函數(shù) 1(z) 結(jié)構(gòu)第1振型函數(shù)w0 基本風(fēng)壓37結(jié)構(gòu)第結(jié)構(gòu)第1振型函數(shù)振型函數(shù)對于低層建筑結(jié)構(gòu)對于低層建筑結(jié)構(gòu)( (剪切型結(jié)構(gòu)剪切型結(jié)構(gòu)) )對于高層建筑結(jié)構(gòu)對于高層建筑結(jié)構(gòu)( (彎剪型結(jié)構(gòu)彎剪型結(jié)構(gòu)) )對于高聳結(jié)構(gòu)對于高聳結(jié)構(gòu)( (彎曲型結(jié)構(gòu)彎曲型結(jié)構(gòu)) )432131342)(

5、HzHzHzz7 . 014)(HztgzHzz2sin)(1可按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計算得出，也可可按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計算得出，也可采用近似公式采用近似公式00.510.20.40.60.81Eq.(4-56a)Eq.(4-56b)Eq.(4-56c)第1振型函數(shù)z/Hx剪切型彎剪型彎曲型384.4.3 4.4.3 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng))()()()()()(zlzPzwzwzwzwxdd)()()()(1zwzlzwzPxd0)()()()(wzzzzwzsmm順風(fēng)向效應(yīng) = 平均風(fēng)效應(yīng) + 脈動風(fēng)效應(yīng) 脈動增大系數(shù)，按照w0T12查表確定。v 脈動影響系數(shù)，按照結(jié)構(gòu)總高度，高寬比，地面粗 糙

6、度類別查表確定。1(z) 結(jié)構(gòu)第1振型函數(shù)w0 基本風(fēng)壓)()(11zzzzm將w(z)和Pd(z)代入可得394041高層建筑高層建筑424.4.4 4.4.4 示例示例已知一矩形平面鋼筋混凝土高層已知一矩形平面鋼筋混凝土高層建筑，平面沿高度保持不變。建筑，平面沿高度保持不變。H = 100 m，B = 33m，地面粗，地面粗糙度指數(shù)糙度指數(shù) a=0.22，基本風(fēng)壓，基本風(fēng)壓按粗糙度指數(shù)為按粗糙度指數(shù)為 s=0.16的地貌的地貌上離地面高度上離地面高度zs=10m處的風(fēng)速處的風(fēng)速確定，基本風(fēng)壓值為確定，基本風(fēng)壓值為w0 = 0.44kN/m2。結(jié)構(gòu)的基本自振。結(jié)構(gòu)的基本自振周期周期T1=2.

7、5s。求風(fēng)產(chǎn)生的建筑。求風(fēng)產(chǎn)生的建筑底部彎矩。底部彎矩。43解：解：1）為簡化計算，將建筑沿高度劃分為）為簡化計算，將建筑沿高度劃分為5個計算區(qū)段，每個區(qū)個計算區(qū)段，每個區(qū)段段20m高，取其中點(diǎn)位置的風(fēng)載值作為該區(qū)段的平均風(fēng)載高，取其中點(diǎn)位置的風(fēng)載值作為該區(qū)段的平均風(fēng)載值，如后頁中圖所示。值，如后頁中圖所示。2）體型系數(shù)體型系數(shù)s=0.133）求各區(qū)段中點(diǎn)高度處的）求各區(qū)段中點(diǎn)高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按公式風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按公式或查或查規(guī)范規(guī)范相應(yīng)的表，其值分別為：相應(yīng)的表，其值分別為：z1=0.62 z2=1.00 z3=1.25 z4=1.45 z5=1.62 4）確定風(fēng)振系數(shù)。由確定

8、風(fēng)振系數(shù)。由 查表得查表得脈動增大系數(shù)脈動增大系數(shù) =1.51222210/mskN71. 15 . 244. 062. 0Twa44. 02210615. 010350)(zzzzasszm44計算各區(qū)段中點(diǎn)高度處的第1振型 相對位移 11=0.16 12=0.35 13=0.53 14=0.70 15=0.89因建筑的高寬比H/B=3，查表4-10得脈動影響系數(shù): =0.49。求各區(qū)段中點(diǎn)高度處風(fēng)振系數(shù)：可得1=1.19 2=1.26 3=1.31 4=1.36 5=1.417 . 014)(Hztgz)()(11zzzzm455）計算各區(qū)段中點(diǎn)高度處的風(fēng)壓值21mkN42. 044. 0

9、62. 03 . 119. 1w22mkN72. 044. 000. 13 . 126. 1w23mkN94. 144. 025. 13 . 131. 1w24mkN13. 144. 045. 13 . 136. 1w25mkN1.3144. 062. 13 . 141. 1w3320)9031. 1 7013. 15094. 13072. 01042. 0(MmkN1078. 156）根據(jù)圖4-19所示的計算簡圖，由風(fēng)產(chǎn)生的建筑筑底部彎矩為：464.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 4.5.1 流經(jīng)任意截面物體的風(fēng)力 4.5.2 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力 4.5.3 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向效應(yīng) 4.5.4 結(jié)

10、構(gòu)總風(fēng)效應(yīng) 4.5.5 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向馳振與顫振474.5.1 流經(jīng)任意截面物體的風(fēng)力式中 B 結(jié)構(gòu)的截面尺寸，取為垂直于風(fēng)向的最大尺寸; mD 順風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，為迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)的總和; mL,mM 分別為橫風(fēng)向風(fēng)力和扭轉(zhuǎn)力系數(shù)。 速度為v的風(fēng)流經(jīng)任意截面物體，都將產(chǎn)生三個力，即物體單位長度上的順風(fēng)向力PD、橫風(fēng)向力PL，以及扭力矩PM。根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系式，上述三個力可分別表達(dá)為流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力BvPDD221mBvPLL221mBvPMM221m484.5.2 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力圓形平面結(jié)構(gòu)m mL與Re關(guān)系BvPLL221m亞臨界范圍（3x102Re 3x105 ） L

11、=0.20.6超臨界范圍（3x105Re 3x106） L不確定（隨機(jī)）跨臨界范圍（ Re 3x106 ） L=0.150.2L：橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)一、圓形平面結(jié)構(gòu)m mL與Re關(guān)系49二、結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振及鎖住現(xiàn)象 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)橫向自振基本頻率時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生橫向共振。但當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時，旋渦脫落頻率并不繼續(xù)增大，而是保持為常數(shù)，即結(jié)構(gòu)自振頻率控制了旋渦脫落頻率，這一現(xiàn)象被稱為鎖住。當(dāng)風(fēng)速大于結(jié)構(gòu)共振風(fēng)速的1. 3倍左右時，旋渦脫落頻率才繼續(xù)增加，如圖所示。 在亞臨界范圍和跨臨界范圍結(jié)構(gòu)的旋渦脫落是有周期性的，即橫向風(fēng)作用有周期性，結(jié)構(gòu)橫向向風(fēng)作用力與旋渦脫落頻率和風(fēng)速有關(guān)。 5

12、0三、細(xì)長結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力分布51 一般情況下，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)L 0.4，而順風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)D =1.3大于L 的3倍以上， 故一般情況下，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)與順風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)相比可以忽略。 然而，在亞臨界范圍，特別在跨臨界范圍，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用可能引起結(jié)構(gòu)共振，不能忽略：4.5.3 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向效應(yīng))()()(1211zyzmzPL)()()(2)()()()(10211221121zdzzzmdzzzBzvzyHHHLm以第一振型為例52亞臨界微風(fēng)共振（規(guī)范）53跨臨界強(qiáng)風(fēng)共振(規(guī)范)544.5.4 結(jié)構(gòu)總風(fēng)效應(yīng) 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振時，同時還作用有順風(fēng)向風(fēng)力，因此應(yīng)將結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)與順風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)疊加，計算結(jié)構(gòu)總風(fēng)效應(yīng)，以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計。 對于結(jié)構(gòu)某一確定的效應(yīng)(如果某一結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，或某一位置的位移等)，由于順風(fēng)向動力作用效應(yīng)(脈動效應(yīng))與橫風(fēng)向動力作用效應(yīng)(風(fēng)振效應(yīng))的最大值不一定在同一時刻發(fā)生，因此常采用平方和開平方近似估計總的風(fēng)動力效應(yīng)。則結(jié)構(gòu)總風(fēng)效應(yīng)按下式計算22dLdDsSSSS規(guī)范：554.5.5 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向馳振與顫振馳振（galloping）： 在某些情況下，外界激勵可能產(chǎn)生負(fù)阻尼成分，當(dāng)負(fù)阻尼大于正阻尼時，結(jié)構(gòu)振動將不斷加劇，直到達(dá)到