第4章 《荷載與結(jié)構(gòu)設計方法》風荷載

第四章風荷載2目錄第一節(jié)風的有關知識第二節(jié)風壓第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個重要概念第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應第五節(jié)橫風向結(jié)構(gòu)風效應3第一節(jié)風的有關知識一、風的形成風是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成的。壓力差風結(jié)構(gòu)物風壓大氣熱力學環(huán)流模型理想模型三圈環(huán)流模型地球自轉(zhuǎn)大陸與海洋吸熱差異4第一節(jié)風的有關知識2)百度“對夏天酷熱氣溫進行人工干預降溫的思考”1)非洲白蟻高達6-7m的“煙囪”5第一節(jié)風的有關知識二、兩類性質(zhì)的大風1.臺風

弱的熱帶氣旋→引入暖濕空氣→在渦旋內(nèi)部產(chǎn)生上升和對流運動→加強渦旋→‥‥‥→臺風2.季風

冬季：大陸冷，海洋暖，風：大陸→海洋夏季：大陸熱，海洋涼，風：海洋→大陸6第一節(jié)風的有關知識三、我國的風氣候總況

風力

大臺灣、海南、南海諸島東南沿海地區(qū)東北、華北、西北地區(qū)青藏高原長江、黃河中下游地區(qū)云貴高原小7第一節(jié)風的有關知識四、風級

風力等級表風力等級名稱海面狀況海岸漁船征象陸地地面物征象距地10m高處相當風速浪高（m）一般最高km/hnmile/hm/s０靜風——靜靜、煙直上<1<10~0.2１軟風0.10.1尋常漁船略覺晃動煙能表示方向，但風向標不能轉(zhuǎn)動1~51~30.3~1.5２輕風0.20.3漁船張帆時，可隨風移行每小時2~3km人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能轉(zhuǎn)動6~114~61.6~3.3３微風0.61.0漁船漸覺簸動，隨風移行每小時5~6km樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開12~197~103.4~5.4４和風1.01.5漁船滿帆時傾于一方能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動20~2811~165.5~7.98第一節(jié)風的有關知識風力等級表（續(xù)）5清勁風2.02.5漁船縮帆（即收去返之一部）有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波29~3817~218.0~10.76強風3.04.0漁船加倍縮帆，捕魚須注意風險大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難39~4922~2710.8~13.87疾風4.05.5漁船停息港中，在海上下錨全樹搖動，迎風步行感覺不便50~6128~3313.9~17.18大風5.57.5近港漁船皆停留不出微枝折毀，人向前行，感覺阻力甚大62~7430~4017.2~20.79烈風7.010.0汽船航行困難煙囪頂部及平瓦移動，小屋有損75~8841~4720.8~24.410狂風9.012.5汽船返航頗危險陸上少見，見時可使樹木拔起或建筑物吹毀89~10248~5524.5~28.411暴風11.516.0汽船遇之極危險陸上很少，有時必有重大損毀103~11756~6328.5~32.612颶風14—海浪滔天陸上絕少，其搗毀力極大118~13364~7132.7~36.99從國際空間站拍攝的颶風伊萬云圖最高風速214km/h（）10颶風伊萬在美國已造成45人死亡，其中16人在佛羅里達。

颶風造成的損失在30億至100億美元之間。11颶風伊萬摧毀的房屋12伊萬過后，美國佛羅里達州彭薩科拉市附近的一座大橋被颶風伊萬摧毀

安德羅颶風13臺風云娜登陸時衛(wèi)星云圖14

臺風云娜襲擊浙江,截至16日12時的統(tǒng)計，臺風云娜已在浙江造成164人不幸遇難，失蹤24人，受災人口達1299萬人，直接經(jīng)濟損失達億元。

15第二節(jié)風壓?風壓定義：當風以一定的速度向前運動遇到阻塞時，將對阻塞物產(chǎn)生壓力，即風壓。風壓的產(chǎn)生16一、風壓與風速的關系伯努利方程：初始條件氣壓為常溫150C絕對干燥緯度450海面17第二節(jié)風壓二、基本風壓?基本風壓的定義：

按規(guī)定的地貌、高度、時距等量測的風速稱為基本風壓。?基本風壓應符合五個規(guī)定：（1）標準高度的規(guī)定：一般取為10m。（2）地貌的規(guī)定：空曠平坦。（3）公稱風速的時距式中v0：公稱風速；

v(t)：瞬時風速；

τ：時距。10min~1h的平均風速基本穩(wěn)定，我國取τ=10min18第二節(jié)風壓(4)最大風速的樣本時間風有它的自然周期，每年季節(jié)性的重復一次。一般取一年為統(tǒng)計最大風速的樣本時間。(5)基本風速的重現(xiàn)期τ=10min1小時，6個樣本1天，144個樣本年最大風速概率密度分布總結(jié)：基本風壓是根據(jù)規(guī)定的高度（10m）、規(guī)定的地貌（空曠平坦）、規(guī)定的時距（10min）、規(guī)定的樣本時間（一年）所確定的最大風速的概率分布，按照重現(xiàn)期（50年）確定的基本風速，然后按照風速與風壓的關系所確定的風壓值。19第二節(jié)風壓三、非標準條件下的風速或風壓的換算1.非標準高度換算實測表明，風速沿高度呈指數(shù)函數(shù)變化，即：

∴

Zs=10m20第二節(jié)風壓2.非標準地貌的換算梯度風：不受地表影響，能夠在氣壓梯度作用下自由流動的風。梯度風高度HT與地面的粗糙程度有關，一般為300~500m，地面越粗糙，HT越大。右圖：不同粗糙度影響下的風剖面

21第二節(jié)風壓從圖中可知，地面越粗糙，風速變化越慢（α越大），梯度風高度將越高；反之，地面越平坦，風速變化將越快（α越小）；梯度風高度將越小。

不同地貌的α及HT值地貌海面空曠平坦地面城市大城市中心α0.1~0.130.13~0.180.18~0.280.28~0.44HT(m)275~325325~375375~425425~500A類B類C類D類22第二節(jié)風壓

不同地貌在梯度風高處的風速應相同，即：則或23第二節(jié)風壓地貌A類B類C類D類α0.120.160.220.30HT(m)300350400450不同地貌的α及HT值A類:C類:D類:24第二節(jié)風壓3.不同時距的換算由于脈動風的影響，時距越短，公稱風速值越大。25第二節(jié)風壓

各種不同時距風速與10分鐘時距風速的平均比值4.不同重現(xiàn)期的換算

不同重現(xiàn)期風壓與50年重現(xiàn)期風壓的比值風速時距1h10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬時統(tǒng)計比值0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50重現(xiàn)期T0(年)100503020105310.5μr1.1141.000.9160.8490.7340.6190.5350.3530.239影響因素10min平均風速值天氣變化26第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念一、結(jié)構(gòu)的風力與風效應風力：風速風壓風力（三個分量）流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力風效應：由風力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度響應等。在結(jié)構(gòu)物表面沿表面積分27第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念二、順風向平均風與脈動風風有兩種成分構(gòu)成=平均風+脈動風圖：平均風速和脈動風速平均風——靜力風效應脈動風——動力風效應地面粗糙度的影響：地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且頻率越高。引起結(jié)構(gòu)順風向振動28第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念脈動風的特性：①幅值特性為一隨機過程[vf(t),t∈T]幅值服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：σv：脈動風速的均方差:vfi：vf的一條時程記錄曲線29第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念②頻率特性可用功率譜密度描述功率譜密度的定義：脈動風振動的頻率分布自相關函數(shù)：傅立葉變換P47(4-20)30第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念Davenport水平脈動風速功率譜密度P48(4-24)31第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念三、橫風向風振

對稱結(jié)構(gòu)可忽略，但細長的高柔結(jié)構(gòu)須考慮動力效應。1.雷諾數(shù)式中：ρ：流體密度；μ：流體粘性系數(shù)l：垂直于流速方向物體截面的最大尺寸。結(jié)構(gòu)形狀雷諾數(shù)相同，動力相似層流向湍流轉(zhuǎn)換動粘性動力相似定律3233第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念對于空氣：

Re=69000vl=69000vB

如果Re<1/1000，則以粘性力為主，為高粘性流體；如果Re>1000，則以慣性力為主，為低粘性流體。2.Strouhal數(shù)圖：旋渦的產(chǎn)生與脫落Karman渦街現(xiàn)象34更多視頻和圖片，請搜索“卡門渦街”百度百科的定義：在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。

視頻35第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念氣流沿上風面AB速度逐漸增大，之后沿下風面BC速度逐漸減小。由于在邊界層內(nèi)氣流對柱體表面的摩擦，氣流在BC中間某點S處停滯，生成旋渦，并以一定的周期（或頻率fs）脫落。Strouhal數(shù)定義：

fs

：脫落頻率

D：圓柱直徑

v：風速36第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念3.橫風向共振實驗表明：當3.0×102≤Re

<

3.0×105時（亞臨界范圍），St≈0.2;當3.0×105≤Re<

3.5×106時（超臨界范圍），St的離散性大;當3.5×106≤Re時（跨臨界范圍），St≈0.27~0.3;圖：圓形截面物體與Re的關系１—亞臨界范圍２—超臨界范圍３—跨臨界范圍37第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風計算的幾個

重要概念當St=常值時，fs=常值，則當結(jié)構(gòu)的橫向自振頻率=fs時，將產(chǎn)生共振。

常見截面的Strouhal數(shù)工程設計時，

亞臨界范圍：共振構(gòu)造措施超臨界范圍：不共振跨臨界范圍：共振

專門處理抗風設計38第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應

順風向效應=平均風效應+脈動風效應一、順風向平均風效應1.風載體型系數(shù)而實際風到達工程結(jié)構(gòu)物表面并不能理想地使氣流停滯，而是讓氣流以不同方式在結(jié)構(gòu)表面繞過。但伯努利方程仍成立，即：39風洞試驗式（4-5）有v=v0時,p=p0,得c=p0+?·ρ·v02.將c代入上式后得：

40第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應圖：氣流通過拱形屋頂房屋示意圖41WindActions42ForcescausedbypressuresinducedbywindpassingoverstructureWindActionsFlowlinesPressureon

WindwardwallAirmoving

towardssurfacePressureSuctiononRoofSuctionon

LeewardwallSuctionAirmovingawayfromsurfaceWindwardwallLeewardwall43PressurefromwindonwindwardsurfacesWinddirectionWinddamagescenarioPressure44Suction

onroofsurfacesWinddirectionWinddamagescenario45Suction

onsidewallWinddirectionWinddamagescenario46WinddirectionSuction

onleewardwallWinddamagescenario47HolesinwindwardwallcanbemadebydebrisOthersurfacesmayalsohaveopeningsDominantopeningin

InternalPressureswindwardwallPRESSUREinsidesidewall suctioninsideleewardwall

suction

insideroofspacePRESSUREinroof48Externalbasicpressuresbd49AreaaveragingandlocalpressuresWindpressuresvaryinbothspaceandtimesmallgustsrollacrossstructure(smallerthanstructuresize)highsuctionsdevelopnearedges(separation)pressureandsuctioncanalternatenearpointsofattachmentHigherupliftnearedge

Highestupliftnearcorner

50第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應圖4-14雙坡屋頂房屋風載體型系數(shù)51第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應2.風壓高度變化系數(shù)或任意高度風壓風載體型系數(shù)3.平均風下結(jié)構(gòu)的靜力風載52第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應5354第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應二、順風向脈動風效應假定：在脈動風作用下，結(jié)構(gòu)主要按第一振型振動。

脈動風的慣性力為第一振型振動位移響應于是引入脈動增大系數(shù)ξ和脈動影響系數(shù)u,則脈動風等效作用力55第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應56第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應對于低層建筑結(jié)構(gòu)(剪切型結(jié)構(gòu))對于高層建筑結(jié)構(gòu)(彎剪型結(jié)構(gòu))對于高聳結(jié)構(gòu)(彎曲型結(jié)構(gòu))57

或

其中風振系數(shù)令注意：（4-48）“改寫”得三、順風向總風效應58第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應59第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應四、示例

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。H=100m，B=33m，地面粗糙度指數(shù)αa，基本風壓按粗糙度指數(shù)為αs的地貌上離地面高度zs=10m處的風速確定，基本風壓值為w02。結(jié)構(gòu)的基本自振周期T1。求風產(chǎn)生的建筑底部彎矩。解：1.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)段20m高，取其中點位置的風載值作為該區(qū)段的平均風載值，如后頁中圖所示。60體型系數(shù)μs。由例[4-3]知，本例風壓高度變化系數(shù)為：在各區(qū)段中點高度處的風壓高度變化系數(shù)值分別為：μz1=0.62μz2=1.00μz3μz4=1.45μz5風載計算簡圖61第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應

4.按式（4-49）確定風振系數(shù)。由查表4-9得脈動增大系數(shù)

由式（4-43b）計算各區(qū)段中點高度處的第1振型相對位移

φ11=0.16φ12=0.35φ13

φ14=0.70φ1562第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應因建筑的高寬比H/B=3，查表4-10得脈動影響系數(shù):

ν。代入式(4-49)得各區(qū)段中點高度處風振系數(shù)：β1=1.19β2=1.26β3=1.31β4=1.36β55.按式（4-45）計算各區(qū)段中點高度處的風壓值63第四節(jié)順風向結(jié)構(gòu)風效應根據(jù)圖4-19所示的計算簡圖，由風產(chǎn)生的建筑筑底部彎矩為：64補充：結(jié)構(gòu)基本自振周期（T1）的經(jīng)驗計算公式1.高聳結(jié)構(gòu)一般情況下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為： T1～0.013)H 式中，H為結(jié)構(gòu)物總高(m)。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)自振周期長，可取高值；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度相對較大，結(jié)構(gòu)自振周期短，可取低值。

2.高層建筑一般情況下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：

鋼結(jié)構(gòu) T1～0.15)n

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) T1～0.10)n 式中，n為建筑層數(shù)。對于鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu)可按下述公式確定：T1=0.25+0.53×10-3× 對于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可按下述公式確定：T1=0.03+0.03× 式中，H——房屋總高度(m)；B——房屋寬度(m)。65第五節(jié)橫風向結(jié)構(gòu)風效應一、結(jié)構(gòu)橫風向風力

μL：橫風向風力系數(shù)亞臨界范圍（3×102≤Re<3×105）μL超臨界范圍（3×105≤Re<3×106）μL不確定（隨機）跨臨界范圍（Re≥3×106）μL66圓形平面結(jié)構(gòu)mL與Re關系結(jié)構(gòu)橫