風(fēng)災(zāi)及抗風(fēng)設(shè)計(jì)

..-優(yōu)選風(fēng)災(zāi)及抗風(fēng)設(shè)計(jì)土木120423梅雨辰摘要：本文主要討論自然界的風(fēng)災(zāi)害及工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)，首先列舉了幾種常見(jiàn)的風(fēng)災(zāi)，并對(duì)它們的形成原因和主要特點(diǎn)作了闡述，并舉了幾個(gè)風(fēng)災(zāi)的實(shí)例，然后初步討論工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)，著重闡述了抗風(fēng)設(shè)計(jì)需要考慮的幾項(xiàng)因素，最后綜合這幾項(xiàng)因素，給出了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)構(gòu)造要滿足強(qiáng)度，剛度設(shè)計(jì)要求，一些特定的構(gòu)造，還有特定的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：風(fēng)災(zāi)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)壓，修正WindcalamitiesandwindresistantdesigncivilengineeringClass1204No.23MeiYuchenAbstractThispapermainlydiscussesthewindnaturalcalamitiesandwindengineeringdesign,itfirstenumeratedseveralkindsofmondisasterandthecauseofformation,thenitdescribestheirmaincharacteristicsandlistsseveralexamplesofdisaster.Afterwards,itbrieflydiscusseswindengineeringdesign,focusingonseveralfactorsneededtobeconsideredinthewindresistantdesign,finallybiningthefactors,itgivesthecalculationformulaofpressurevalueswithinthespecificationstandard,andemphasizethedesignstructuremeetthestrength,stiffnessdesignrequirements.somespecificstructureshouldalsomeetsomespecificdesignrequirements..Keywords:windcalamities,windresistantdesign,windpressure,correction第一局部風(fēng)災(zāi)簡(jiǎn)述自然界的風(fēng)，當(dāng)風(fēng)力和風(fēng)速超過(guò)一定的限度時(shí)，會(huì)對(duì)人或建筑物造成傷害，這樣的災(zāi)害叫作風(fēng)災(zāi)。常見(jiàn)的風(fēng)災(zāi)有熱帶氣旋災(zāi)害，龍卷風(fēng)，沙塵暴等。下面我們依次來(lái)介紹這些災(zāi)害的形成原因和主要特點(diǎn)。災(zāi)害一熱帶氣旋災(zāi)害熱帶氣旋按其中心附近最大風(fēng)速劃分為6個(gè)等級(jí)，分別是熱帶低壓，熱帶風(fēng)暴，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。由于熱帶低壓風(fēng)速很小，不具備破壞力，一般不將其列為災(zāi)害，在討論災(zāi)害時(shí)，僅討論后五種，由于它們都屬于熱帶氣旋，形成過(guò)程相似,先討論熱帶氣旋形成過(guò)程，再一一介紹它們各自不同的特點(diǎn)。1熱帶氣旋的形成過(guò)程地面相對(duì)于海平面比熱容小，溫度高，氣流上升，海面由于大量風(fēng)和水蒸氣的存在，沿地面補(bǔ)充地面空氣，海面溫度低，吸收地面上升的空氣，水蒸氣補(bǔ)充空間，并在海上天空積聚，由于蒸汽層上層溫度低，水蒸氣體積縮小比重增大，蒸汽分子下降，在下降過(guò)程中吸熱，再上升，遇冷，再下降，如此反復(fù)，氣體分子逐漸縮小，最后水蒸氣在蒸汽層的低溫區(qū)集中，形成云，云團(tuán)逐漸逐漸擴(kuò)大，云內(nèi)部上下對(duì)流越來(lái)越劇烈，幅度越來(lái)越大，對(duì)周?chē)睦鋮s力越來(lái)越強(qiáng)，周?chē)臏囟冉档?，形成冷高壓區(qū)，空氣向中心熱低壓區(qū)流動(dòng)，由于平衡產(chǎn)生相互補(bǔ)充的力使之成螺旋狀流動(dòng)，形成氣旋。2各種類(lèi)型熱帶風(fēng)暴中心附近最大平均風(fēng)力8-9級(jí)〔風(fēng)速為17.2-24.4m/s〕的熱帶氣旋。烈風(fēng)級(jí)風(fēng)力，預(yù)先要有一個(gè)弱的熱帶渦旋存在。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴中心附近最大平均風(fēng)力10-11級(jí)〔風(fēng)速24.5-32.6m/s〕的熱帶氣旋。暴風(fēng)級(jí)風(fēng)力。臺(tái)風(fēng)中心附近最大平均風(fēng)力12-13級(jí)〔風(fēng)速為32.7-41.4m/s〕的熱帶氣旋，在北大西洋及東太平洋叫颶風(fēng)。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心附近最大平均風(fēng)力達(dá)14-15級(jí)〔41.5-50.9m/s〕的熱帶氣旋,伴有大暴雨，大海潮，大海嘯，易造成人員傷亡，建筑物破壞。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力>=16級(jí)，風(fēng)速>=51.0m/s的熱帶氣旋。風(fēng)最高時(shí)速可以到達(dá)300公里以上，所到之處，摧枯拉朽，陸地少見(jiàn)極具破壞力，在海上，海浪超過(guò)4米，漫天白沫，是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一.3災(zāi)害實(shí)例超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕〞2021年第30號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，11月4日生成，于11月8日凌晨在菲中部東薩馬省登陸，中心最大風(fēng)力到達(dá)每小時(shí)314公里。登陸菲律賓時(shí)到達(dá)17級(jí)以上，最大風(fēng)速達(dá)75米/秒。這場(chǎng)臺(tái)風(fēng)被視作菲律賓有史以來(lái)遭遇的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，多個(gè)地區(qū)，已造成至少3000人死亡,10000受傷和1000人失蹤，全國(guó)受災(zāi)人口多達(dá)428萬(wàn)余人。災(zāi)害二龍卷風(fēng)災(zāi)害1形成過(guò)程水蒸氣上升到天空遇冷形成云，云團(tuán)逐漸變大，云內(nèi)部上下對(duì)流越來(lái)越劇烈，云團(tuán)下面的水蒸氣直向上升，水分子在上升過(guò)程中受冷體積越來(lái)越小，呈漏斗狀。云下氣體分子不斷補(bǔ)充空間形成了大風(fēng)，當(dāng)補(bǔ)充空間的氣體極度不均勻時(shí)便產(chǎn)生了龍卷風(fēng)。2特點(diǎn)龍卷風(fēng)發(fā)生的樣子可描述成一個(gè)猛烈旋轉(zhuǎn)的圓形空氣柱，它的上端與雷雨云相連，下端有的懸在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前移動(dòng)，當(dāng)發(fā)生在海上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于龍吸水的現(xiàn)象，發(fā)生在陸地上時(shí)，卷?yè)P(yáng)塵土，卷走房屋和樹(shù)木，直徑小的不過(guò)幾十米，一般為200-300m,只有極少數(shù)的才到達(dá)1000m以上，壽命很短暫，一般只有幾分鐘到幾十分鐘，但它的風(fēng)速卻高達(dá)50-150m,極端情況下甚至超聲速，當(dāng)內(nèi)部存在低氣壓時(shí)，掃過(guò)的地方猶如吸泵一般，把幾乎一切輕的東西吸卷而起，形成高達(dá)的柱體，當(dāng)掃過(guò)建筑物或車(chē)輛時(shí)，會(huì)使其內(nèi)外產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣壓卷，容易產(chǎn)生爆炸，總的來(lái)說(shuō)，龍卷風(fēng)所到之處的破壞和損失是極其嚴(yán)重的。3災(zāi)害實(shí)例2021年5月美國(guó)強(qiáng)龍卷美國(guó)俄克拉何馬城穆?tīng)柺?0日下午遭遇猛烈龍卷風(fēng)襲擊，確認(rèn)24人死亡，大量建筑被毀。航拍畫(huà)面顯示，整個(gè)遇襲社區(qū)被夷為平地，房屋屋頂消失不見(jiàn)，汽車(chē)相互重疊。另外，由于燃?xì)夤艿劳饴?，一些區(qū)域起火。災(zāi)害三沙塵暴1形成原因由強(qiáng)風(fēng)將地面大量浮沉細(xì)沙吹起，卷入空中，使得空氣混濁，需要兩個(gè)必備條件：一有足夠強(qiáng)大的，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的風(fēng)力，二風(fēng)所吹之處土質(zhì)松軟枯燥。2特點(diǎn)飛沙走石，日光昏暗，能見(jiàn)度極差，對(duì)航空，交通運(yùn)輸及生產(chǎn)有嚴(yán)重影響，風(fēng)力強(qiáng)大時(shí)也對(duì)電線桿等建筑物造成破壞。3災(zāi)害實(shí)例2021伊朗罕見(jiàn)沙塵暴6月2日，伊朗首都德黑蘭遭遇了一場(chǎng)恐懼沙塵暴。風(fēng)速達(dá)每小時(shí)110公里，天昏地暗，大樹(shù)被連根拔起，高速公路20多輛車(chē)連環(huán)相撞，如同好萊塢災(zāi)難片。目前，沙塵暴已造成至少5人死亡，30多人受傷，許多地區(qū)電力中斷，局部國(guó)際航班取消。第二局部工程構(gòu)造抗風(fēng)設(shè)計(jì)初步1必要性：風(fēng)災(zāi)是一種自然災(zāi)害，盡管有氣象衛(wèi)星的幫助氣象臺(tái)的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)日益精準(zhǔn)，人可以在風(fēng)災(zāi)降臨前提前疏散，但是向房子，橋梁這些不動(dòng)的建筑物卻防止不了收到一定的破壞，為了減輕風(fēng)對(duì)這些建筑物的破壞，必須對(duì)工程構(gòu)造進(jìn)展抗風(fēng)設(shè)計(jì)。2關(guān)于風(fēng)的一些物理量風(fēng)壓：風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)阻塞物產(chǎn)生的單位面積壓力。風(fēng)荷載：風(fēng)壓沿物體外表積分所得到作用力，一般有三個(gè)分力成分，以沿著風(fēng)前進(jìn)方向的順向風(fēng)力為主，另兩個(gè)是橫向風(fēng)力和風(fēng)扭力矩，在非細(xì)長(zhǎng)構(gòu)造影響很小，可不考慮。平均風(fēng)：以大量實(shí)測(cè)資料中風(fēng)的順風(fēng)向時(shí)程曲線為依據(jù)，將順向風(fēng)力中持續(xù)10min以上的長(zhǎng)周期穩(wěn)定風(fēng)，鑒于風(fēng)長(zhǎng)周期遠(yuǎn)大于構(gòu)造的自振周期，所以平均風(fēng)對(duì)構(gòu)造的動(dòng)力效應(yīng)很小，可將其等效為靜力作用。脈動(dòng)風(fēng)：順向風(fēng)的短周期成分，一般僅僅持續(xù)幾秒鐘，強(qiáng)度隨時(shí)間無(wú)規(guī)那么變化，與工程自振周期相接近，將使構(gòu)造產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)。3抗風(fēng)設(shè)計(jì)考慮的四個(gè)因素=1\*GB3①根本風(fēng)壓wo我國(guó)荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦的地面，在離地10m高處，統(tǒng)計(jì)50年一遇的10min時(shí)距平均年最大平均風(fēng)速，根據(jù)最大平均風(fēng)速，代入伯努利方程導(dǎo)出公式w=1/2γ/g*v^2(γ為空氣單位體積的重力，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?——=1\*GB2⑴，即為當(dāng)?shù)氐母撅L(fēng)壓，用wo表示。②風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz根本風(fēng)壓只是離平坦地面10m的風(fēng)壓，一般建筑物的高度不可能正好為10m，周?chē)牡匦尾灰欢諘缙教梗?1\*GB2⑴是自由氣體遇到建筑物停滯的理想狀況，實(shí)際工程中需加以修正，當(dāng)考慮風(fēng)壓隨高度變化時(shí)，用風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz,計(jì)算非10m高度處建筑物所受的風(fēng)壓，我國(guó)"建筑荷載標(biāo)準(zhǔn)"將地面粗糙度分為A，B，C，D四類(lèi)，每一類(lèi)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)可查上述標(biāo)準(zhǔn)。=3\*GB3③體型系數(shù)μs實(shí)際風(fēng)經(jīng)過(guò)建筑物，往往對(duì)正面施加壓力，而對(duì)側(cè)面和反面為吸力，可見(jiàn)各面上風(fēng)壓是不同的，在計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，為了解決體型不同，風(fēng)壓不同的問(wèn)題，引入風(fēng)載體型系數(shù)，將其定義為建筑物外表受到的風(fēng)壓與大氣中氣流風(fēng)壓之比，用μs表示，它實(shí)際上就是各面上的風(fēng)壓平均值與根本風(fēng)壓的比值，反映各面上的壓力變化，一般建筑構(gòu)造的風(fēng)載體型系數(shù)可查閱"建筑構(gòu)造荷載標(biāo)準(zhǔn)"。=4\*GB3④風(fēng)振系數(shù)βzβz是衡量脈動(dòng)風(fēng)建筑左右振動(dòng)的劇烈程度，對(duì)于自振周期T<0.25s,高度<30m或高寬比<1.5的房屋，脈動(dòng)風(fēng)對(duì)其影響很小，取β=1，但對(duì)于高層，高聳，柔性等構(gòu)造，脈動(dòng)風(fēng)對(duì)其影響是必須考慮的因素，在忽略扭轉(zhuǎn)，且忽略橫向風(fēng)力的影響，只考慮順向風(fēng)力作用，此時(shí)在z處風(fēng)振系數(shù)βz=1+ζ*γ*ψz/μz，其中ζ——脈動(dòng)增大系數(shù)，γ——脈動(dòng)影響系數(shù)，ψz振型影響系數(shù)，均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)表格供取用。4抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求綜合這四個(gè)根本因素，我國(guó)1987年設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將垂直于建筑物外表風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值公式定義為wk=βμsμzwo，得出了wk的計(jì)算公式，便清楚了實(shí)際風(fēng)對(duì)建筑物各點(diǎn)壓力分布情況。對(duì)一般構(gòu)造進(jìn)展抗風(fēng)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和其他荷載作用下，構(gòu)造應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)和剛度設(shè)計(jì)要求。強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求是指建筑物的每個(gè)局部的實(shí)際承載力要小于極限承載力/平安系數(shù)，這樣才能保證構(gòu)造不發(fā)生開(kāi)裂破壞，倒塌。剛度設(shè)計(jì)要求是指構(gòu)造的變形應(yīng)控制一定的范圍內(nèi)，尤其征對(duì)高層建筑和大跨建筑，如高層建筑在風(fēng)荷載的作用下，構(gòu)造頂點(diǎn)的水平位移和各層的相對(duì)位移要符合JGB-2002"高層建筑混凝土構(gòu)造技術(shù)規(guī)程"，這樣才能防止構(gòu)造不會(huì)因?yàn)槲灰谱冃芜^(guò)大而損壞。在滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況下，對(duì)一些特殊構(gòu)造，抗風(fēng)設(shè)計(jì)還需符合一些特殊的要求。如高層建筑還需考慮居住者舒適要求，人體的舒適度主要與振動(dòng)頻率，振動(dòng)加速度和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)，在這三者之中，構(gòu)造振動(dòng)的加速度相對(duì)容易調(diào)節(jié)，為此一般限制構(gòu)造振動(dòng)加速度來(lái)滿足舒適度的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)人體舒適度界限標(biāo)準(zhǔn)建議，公寓建筑的加速度界