結構風工程精品課件

1、結構風工程第1頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第一章 緒 言1.1 自然界的風 風是空氣相對于地面的運動。因太陽對地球大氣加熱的不均勻性，導致不同地區(qū)產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生趨于平衡的空氣流動，便形成了風。自然界常見的風熱帶氣旋（Tropical Cyclone）臺 風（Typhoons）颶 風（Hurricanes）季 風（Monsoons）龍 卷 風（Tornadoes）第2頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三一、熱帶氣旋、臺風 發(fā)生在低緯度熱帶洋面上的低氣壓或空氣渦旋統(tǒng)稱為熱帶氣旋。從1989年起，采用國際標準，將熱帶氣旋分為四類：1、熱帶低壓

2、：熱帶氣旋中心附近的最大平均風力67級；2、熱帶風暴：熱帶氣旋中心附近的最大平均風力89級；3、強熱帶風暴：熱帶氣旋中心附近的最大平均風力1011級；4、臺 風：熱帶氣旋中心附近的最大平均風力12級或以上。 在2000年以前，按年份和出現(xiàn)次數(shù)對熱帶氣旋編號，9914號為福建省廈門龍海臺風。在2000年以后，按名字命名，如0418“艾利”。第3頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 影響我國的熱帶氣旋都發(fā)生在西北太平洋面上，在我國登陸的臺風占整個西北太平洋臺風總數(shù)的35%。 在北半球，熱帶氣旋的風向按逆時針旋轉(zhuǎn)；而在南半球，熱帶氣旋的風向按順時針旋轉(zhuǎn)。 臺風是一個大的強的空氣

3、渦旋，平均半徑600-1000km，從臺風中心向外依次是臺風眼、眼壁，再向外便是幾十至幾千km長的螺旋云帶。 臺風帶來的災害有三：狂風的摧毀力、強暴雨引起的水災和巨浪暴潮的沖擊力。 臺風主要對我國東南沿海影響較大。第4頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三二、颶風 颶風的地面風速可達到70m/s，具有極強的破壞性。美國每年由颶風造成的損失可達20億美元。三、季風 季節(jié)性的風稱季風。由于周圍熱力的原因，冬季形成大陸高壓，夏季形成大陸低壓。因亞洲大陸陸地遼闊，所以受季風的影響也非常強烈。四、龍卷風 龍卷風是一種劇烈的大氣渦旋，其直徑在300m左右。它是在強雷雨中形成的。龍卷風的

4、活動區(qū)域極廣，幾乎遍及全球。在我國主要在長江三角洲和華南。第5頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 臺風在危害人類的同時，也在保護人類。臺風給人類送來了淡水資源，大大緩解了全球水荒。一次直徑不算太大的臺風，登陸時可帶來30億噸降水。另外，臺風還使世界各地冷熱保持相對均衡。赤道地區(qū)氣候炎熱，若不是臺風驅(qū)散這些熱量，熱帶會更熱，寒帶會更冷，溫帶也會從地球上消失。一句話，臺風太大太多不行，沒有也不行。第6頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 臺風云圖第7頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第8頁，共73頁，2022年，5月20日，11

5、點56分，星期三第9頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第10頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 我國風云一號氣象衛(wèi)星第11頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第12頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第13頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第14頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 在臺風中圍繞云墻的邊緣有一條相當清楚的環(huán)狀下沉運動帶；而在環(huán)狀下沉運動帶的外面是臺風的外圍對流帶。第15頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三1.2 結構風災

6、 國內(nèi)外統(tǒng)計資料表明，在所有自然災害中，風災千成的損失為各種災害之首。例如1999年，全球發(fā)生嚴重自然災害共造成800億美元的經(jīng)濟損失，其中，在被保險的損失中，颶風造成的損失占70%。一、臺風災害1、9417號臺風對浙江溫州市的影響 受災人口達1100萬，死亡1100人，直接經(jīng)濟損失100億元人民幣。2、9914號臺風對福建沿海的影響 風速達38m/s，死亡72人，失蹤21人，直接經(jīng)濟損失85.6億元人民幣。第16頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三二、颶風災害1、1969年美國的一次強颶風 1969年8月17日，從古巴方向吹來的“卡邁樂颶風”橫穿密西西比海岸，西至路易斯

7、安那及東至亞拉巴進入，沿密西西比州的整個寬度范圍內(nèi)發(fā)生了嚴重的風災。造成255人死亡，68人失蹤，房屋倒塌3867幢，損壞42092幢。2、1999年底颶風對西歐的影響 1999年12月26日，從英吉利海峽吹來的颶風襲擊了西歐國家，風速高達63.9m/s，法國受災最為嚴重，有70%的地區(qū)停電，有兩億棵大樹被連根拔起，光凡賽爾宮和巴黎圣母院的屋頂損壞就需花費45億法朗才能修復。颶風過后的巴黎，重建工作用了三年。在這次颶風中，德國、瑞士、比利時、西班牙、奧地利和意大利等國也受到不同程度的人員傷亡扣財產(chǎn)損失。第17頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三三、龍卷風災害 全球受龍卷風

8、襲擊的次數(shù)每年高達1000次。美國是龍卷風的故鄉(xiāng)，給美國造成較大的經(jīng)濟損失。美國出現(xiàn)較多龍卷風的原因是著名的墨西哥暖流給美國南部輸送了大量的暖濕氣流，形成了龍卷風氣一個必要條件。四、風災對結構的主要損壞 風災的損害主要體現(xiàn)在結構的損壞上，對桅桿結構、體育場館、高層建筑和橋梁結構的損壞最為突出。第18頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第19頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第20頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第21頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第22頁，共73頁，2022年，5月20日，11點

9、56分，星期三第23頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三1.3 風對結構的作用 自然界的風可分為異常風和良態(tài)風。對很少出現(xiàn)的風，例如龍卷風，稱為異常風，不屬于異常風的則稱為良態(tài)風。本教材主要討論良態(tài)風作用下的結構抗風分析內(nèi)容。 風對結構的作用，使結構產(chǎn)生振動，其原因主要有以下幾個方面：1、由與風向一致的風力作用，它包括平均風和脈動風，其中脈動風要引起結構物的順風向振動，這種形式的振動在一般工程結構中都要考慮；2、結構物背后的旋渦引起結構物的橫風向的振動，對煙囪、高層建筑等一些自立式細長柱結構物，特別是圓形截面結構特，都不可忽視這種形式的振動。3、由別的建筑物尾流中的氣流引

10、起的振動。4、由空氣負阻尼引起的橫向失穩(wěn)式振動。第24頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三因此，由于風對結構的作用，會產(chǎn)生以下結構：1、使結構物或結構構件受到過大的風力或不穩(wěn)定；2、使結構物或結構構件產(chǎn)生過大的撓度或變形，引起外墻、外裝修材料的損壞；3、由反復的風振動作用，引起結構或結構構件的疲勞損壞；4、氣動彈性的不穩(wěn)定，致使結構物在風運動中產(chǎn)生加劇的氣動力；5、由于過大的動態(tài)運動，使建筑物的居住者或有關人員產(chǎn)生不舒適感。第25頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第26頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三美國塔科馬大橋 194

11、0年，美國華盛頓州塔科馬（Tacoma）海峽建造的塔科馬懸索橋，主跨853米，建好不到4個月，就在一場風速不到20m/s的災害下產(chǎn)生上下和來回扭曲振動而倒塌了。第27頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第二章 大氣邊界層的平均風特性2.1 大氣邊界層 地球表面通過地面的摩擦對空氣水平運動產(chǎn)生阻力,從而使氣流速度減慢,該阻力對氣流的作用隨高度的增加而減弱,當超過了某一高度之后,就可以忽略這種地面摩擦的影響,氣流將沿等壓線以梯度風速流動,稱這一高度為大氣邊界層高度或邊界層厚度，用表示。在邊界層以上的大氣稱為自由大氣，以梯度風速流動的起點高度稱作梯度風高度，用z G表示，梯度風

12、速用v z G表示。第28頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三邊界層厚度梯度風高度Z cV z c自由大氣大氣邊界層第29頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三2.2 平均風剖面一、對數(shù)律 平均風剖面是微氣象學研究風速變化的一種主要方法。目前，氣象學家認為用對數(shù)律表示大氣底層風速廓線比較理想，其表達式為式中大氣底層內(nèi)z高度處的平均風速摩擦速度或流動剪切速度卡曼常數(shù)(Karman)地面粗糙長度(m)有效高度(m)第30頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三其中離地面高度（m）零平均位移（m）城市覆蓋層上面的和內(nèi)部的風剖面線示意圖第31

13、頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 地面粗糙度長度z0是地面上湍流旋渦尺寸的量度。由于局部氣流的不均勻性，不同測試中z0的結果相差較大，故z0的大小一般由經(jīng)驗確定。 Z0的取值根據(jù)不同的地面類型或地面粗糙度而定。 城市中零平均位移由下式計算式中，H0為城市建筑屋面一般高度（），且地面阻力系數(shù)k d由下式確定：第32頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 因近地面風速隨高度變化比較紊亂，不一定符合對數(shù)律的變化規(guī)律，故在土木工程實際應用中，常將地面某一高度內(nèi)的風速近似取為常數(shù)。二、指數(shù)律 在較早的時候，對于平均地形的平均風速廓線一直采用1916年G.He

14、llman提出的指數(shù)規(guī)律，后來由A.G.Davenport根據(jù)多次觀測資料整理出不同地面的風剖面，并提出平均風速沿高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)描述。第33頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三式中：標準參考高度和標準參考高度處的平均風速；任一高度和任一高度處的平均風速；地面粗糙指數(shù) 在土木工程設計和計算中，一般采用指數(shù)律，因為指數(shù)律比對數(shù)律計算簡便，而且兩者差別不是太明顯。 在我國的建筑結構荷載規(guī)范中也是采用指數(shù)律。第34頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三不同地面粗糙度下的平均風剖面第35頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第三章

15、 結構上的平均風荷載 從順風向的實測記錄看出，可將風速看作為由兩部分組成：第一部分是長周期部分，其周期大小一般在10分鐘以上；另一部分是短周期部分，是在長周期基礎上的波動（或稱脈動），其周期只有幾秒到幾十秒。由實測可知，第一部分遠離一般結構物的自振周期，其作用屬于靜力性質(zhì)；第二部分則與結構物的自振周期接近，因而其作用屬于動力的，且屬隨機的動荷載。在實際工程應用中，常將風荷載作為靜力風與動力風的共同作用。第36頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第37頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三3.1 基本風速和基本風壓 基本風速是不同地區(qū)氣象觀察站通過風速儀

16、的大量觀察、記錄，度按照我國規(guī)定標準條件下的記錄數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析進而得到該地的最大平均風速。標準條件是指標準的地面粗糙度類別、標準高度及重現(xiàn)期、平均風時距和平均風概率分布類型等。一、基本風速1、標準地面粗糙度類別 地面粗糙度為地面對風速的影響程度，我國目前將其分為四類，我國規(guī)范規(guī)定標準地面粗糙度類別為比較空曠平坦地面。2、標準高度 我國規(guī)范規(guī)定離地面10米高為標準高度。3、標準重現(xiàn)期第38頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 我國規(guī)范規(guī)定取一年中最大的平均風速作為一個數(shù)理統(tǒng)計樣本。在工程中，不能直接選取各年最大平均風速的平均值進行設計，而應取大于平均值的某一風速作為設計依

17、據(jù)，從概率的角度分析，在間隔一定的時間之后，會出現(xiàn)大于某一風速的年最大平均風速，我們稱這個間隔期為重現(xiàn)期。我國規(guī)范規(guī)定基本風速的重現(xiàn)期為50年。 重現(xiàn)期限為T的基本風速，則在任一年中只超過該風速一次的概率為1/T。而不超過該基本風速的概率為可以看出，重現(xiàn)期為50年的保證率為第39頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三4、平均風的時距 我國規(guī)范規(guī)定平均風的時距為10min。關于平均風的時距含義第40頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第41頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三各國所取的風時距不同，在引用各國資料時應進行換算。5、概率

18、分布類型 一般地，我們所研究的對象不會出現(xiàn)異常風的氣候，稱為良態(tài)氣候。對于這種氣候，我們可以認為最大風速的每一個數(shù)據(jù)都對極值的概率特性起作用，因此世界上許多國家把年最大風速作為概率統(tǒng)計的樣本，由重現(xiàn)期和風速的概率分布獲得該地區(qū)的設計最大風速，或稱為基本風速。我國規(guī)定基本風速采用極值型概率分布函數(shù)進行統(tǒng)計分析。極值型分布：式中，和分別為位置參數(shù)和尺度參數(shù)，由下兩式獲得第42頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三上兩式中，E(x)和 i分別為風速樣本的數(shù)學期限望和根方差，是已知的。實際上，風速資料的數(shù)學期望就是年最大風速x i的數(shù)學平均值，用 表示，這樣，由風速資料可得風速的平

19、均數(shù)和根方差：第43頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三整理后可得到參數(shù)和，則極值型的概率分布函數(shù)F 1(x)就確定了。6、用極值型分布求基本風速 對作數(shù)值變換將已知的和代入，便可寫成x1即為所要求的設計最大風速，或基本風速，符號稱為保證系數(shù)，其表達式如下：第44頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三極值型分布的保證系數(shù)與概率函數(shù)第45頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三二、基本風壓 一般，由實測記錄的是風速，但工程設計中則采用風壓（或風力）進行計算，這就需要將風速轉(zhuǎn)換為風壓。 在不可壓縮的低速氣流下，考慮無粘且忽略體力作用，在同

20、一水平線上各點作為標準高度的伯努利方程為式中風速（m/s）；單位面積上的靜壓力（k N/m）；空氣質(zhì)點的體積（m）空氣質(zhì)點的質(zhì)量（t），m=V。第46頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三將上式改寫成當v=0時，C1=w2為最大靜壓力，令為靜壓力得式中，為空氣容重，g為重力加速度。將基本風速v0代入上式，則得第47頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三例 根據(jù)某沿海城市19891998年10年報記錄，計算該市的基本風壓。年 份89909192939495969798年最大風速15.022.715.314.012.317.018.316.319.014.0

21、解：計算平均值、根方差第48頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三計算保證系數(shù)計算基本風速和基本風壓第49頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三3.2 結構上的平均風荷載 垂直于建筑物表面上的平均風荷載標準值就按下式計算：式中平均風荷載標準值（k N/m）；風荷載體型系數(shù)；風壓高度變化系數(shù)；平均風荷載標準值；垂直于建筑物表面上平均風荷載受風面積（m）。一、風荷載體形系數(shù)第50頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三第i測點風壓力系數(shù)；第i測點凈風力壓力，為該測點處測得的風壓值與遠前方上游參考高度處靜壓值之差；參考高度平均風速，一般為10

22、m高度處的平均風速，也可采用建筑物頂部的平均風速或梯度風高處的平均風速，但需換算；空氣質(zhì)量密度。式中第51頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三邊界層流場中立方形建筑物各個面上的壓力分布邊界層流場中高層建筑各個面上的壓力分布第52頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 由上兩圖可知，建筑物正面（迎風面）受到壓力作用，為正值；而背面、側(cè)面和頂面則受到吸力，為負值。 一般地，處于風流場中的建筑物，其迎風面一般會受到壓力作用，且由于建筑大多為非流線形（稱為鈍體），在背風面、側(cè)面和屋面角部會產(chǎn)生一定的旋渦，從而引起吸力。下面對建筑物正面、側(cè)面、屋面和背面的風流動

23、作進一步解釋。第53頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 建筑物正面壓力分布系數(shù) 氣流繞建筑物側(cè)面流場第54頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三氣流在屋面的再附著 屋面壓力分布系數(shù)第55頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 對于傾斜的屋面，壓力的正負號、附著的位置及其在屋面上是否全部分離，主要取決于屋面的傾斜度。氣體繞傾斜屋面的流動第56頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三屋面三角翼渦來流斜向吹向建筑物時，屋面將形成錐形渦，稱為三角翼渦。第57頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三方形建

24、筑物背后的尾流第58頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三氣流遇到單個建筑物的風流場第59頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三二、風壓高度變化系數(shù) 在大氣邊界層中，越接近于地面，風速越小，內(nèi)有大約在300500m以上的高度，風速才不受地面粗糙度的影響可自由流動，達到所謂的梯度風速。在大氣邊界層中，風速沿高度的變化規(guī)律稱為風剖面，我國采用指數(shù)型的風剖面。任一高度或離地面高度（m）；標準參考高度，我國規(guī)定取為10m；高度處對應的平均風速（m/s）；標準參考高度對應的平均風速（m/s）；地面粗糙度指數(shù)。第60頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分

25、，星期三我國地面粗糙度類別和對應的 值地面粗糙度類別描述A近海海面、海島、海岸及沙漠地區(qū)3000.12B田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)3500.16C有密集建筑群的城市市區(qū)4000.22D有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)4500.30第61頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三 對任一地面粗糙度類別的風壓為經(jīng)計算，得風壓高度變化系數(shù)ABCD1.171.000.740.623.123.123.123.12第62頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三三、關于不同重現(xiàn)期之間風壓的換算 我國按重現(xiàn)期50年的概率確定基本風壓，但對于風荷載比較敏感的高層

26、建筑和高聳結構，基本風壓應提高10%，這相當于將重期提高到100年，我國荷載規(guī)范已列出重現(xiàn)期為100年的基本風壓值，可直接查用。 日本以重現(xiàn)期為100年的風速為基準歐洲鋼結構協(xié)會發(fā)重現(xiàn)期為50年的風速為基準第63頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三3.3 地面粗糙度類別劃分的原理和指導思想 劃分地面粗糙度類別的主要依據(jù)是風剖面，不同的地面粗糙度類別下的風剖面是不一樣的。一、地面粗糙度類別劃分的指導思想 確定某一城市的地面粗糙度類別，必須要有該城市的實測值，這對于大多數(shù)地方來說是難以實現(xiàn)的，因此，從規(guī)范或?qū)嶋H應用角度來說，常采用較為簡單的或直觀的方法予以判別和分類。 地面粗

27、糙度類別劃分除與地面粗糙程度有關外，還與該城市或地區(qū)的主導風向和風流有關。 下面給出地面粗糙度類別定量描述。第64頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三類 別描 述A 風從大于2km遠的開闊水面上吹來的沿海岸地區(qū)，從海岸延伸陸地500m或10H的距離，二者中取大者B高度為1.510m的少量分散障礙物等的開闊地帶、草地C有大量密集35m高度的獨立住宅等覆蓋的城區(qū)D至少有50%的房屋高度超過20m地面粗糙度類別定量描述注：H為建筑物高度； 這里僅描述了A類的海岸地區(qū)。第65頁，共73頁，2022年，5月20日，11點56分，星期三二、風流程的變化規(guī)律 近地風在其行程中會遇到各種各樣的障礙物，隨著流動風向障礙物粗糙度的變化，內(nèi)速大小的豪華也不盡一致。一般地，不同地面粗糙度類別有不同的風剖面，當風進入新的風剖面中，在達到平衡狀態(tài)前，必須經(jīng)過某一地面距離，稱為過渡區(qū)，隨著風流程式的增加，新