《工程荷載風荷》課件

工程荷載風荷風荷載是建筑結構設計中重要的考慮因素之一，它對建筑物的安全性和穩(wěn)定性有著重要的影響。風荷載的大小和方向會受到多種因素的影響，例如風速、風向、建筑物的形狀和高度等。課程目標11.風荷載概念風荷載定義，重要性，與工程安全的關系。22.風荷載計算掌握風荷載計算方法，公式應用，參數(shù)選擇。33.抗風設計了解抗風設計規(guī)范，結構抗風措施，驗算方法。44.軟件應用介紹風洞試驗，CFD分析軟件在抗風設計中的應用。什么是風荷載風荷載是指風力作用在建筑物或構筑物表面的力。風荷載的大小和方向取決于風速、風向、建筑物的形狀和尺寸。風荷載是建筑結構設計中必須考慮的重要荷載之一，它會影響建筑物的穩(wěn)定性和安全性。風荷載的產(chǎn)生原因風壓風運動時，空氣分子不斷撞擊物體表面，產(chǎn)生壓力。地形地貌建筑物周圍的地形地貌會影響風速和風向。湍流效應建筑物周圍的風流會發(fā)生湍流，產(chǎn)生脈動風壓。氣象條件風速、風向、氣壓等氣象因素對風荷載影響很大。風荷載的基本特征隨機性風速和風向是隨機變化的，導致風荷載不確定性。脈動性風荷載隨時間波動，瞬時風速大于平均風速，需要考慮脈動風荷載影響?？臻g分布不均勻不同部位的風速和風向存在差異，導致風荷載分布不均。與建筑物形狀相關建筑物形狀會影響風荷載大小和方向，需要考慮建筑物體型系數(shù)。風荷載的作用類型靜風荷載建筑物在靜風作用下產(chǎn)生的荷載，主要取決于風速和建筑物形狀。靜風荷載比較穩(wěn)定，可以通過計算確定。陣風荷載由風速突變產(chǎn)生的荷載，具有很大的不確定性，會導致建筑物產(chǎn)生振動，需要進行專門的計算和分析。湍流荷載由風速隨機變化產(chǎn)生的荷載，會對建筑物產(chǎn)生復雜的力學作用，需要采用風洞試驗或數(shù)值模擬的方法進行評估。設計風速的確定1基本風速基本風速是指在距地面10米高度處，基本風壓為100Pa時的風速，通常以50年一遇的風速作為設計風速。2地形系數(shù)地形系數(shù)是反映地形對風速的影響程度的系數(shù)，它與地形起伏程度有關，如山區(qū)、丘陵地區(qū)地形系數(shù)一般大于平原地區(qū)。3高度系數(shù)高度系數(shù)是反映風速隨高度變化的系數(shù)，它與建筑物高度和地表粗糙度有關，建筑物高度越高，風速越大。建筑物表面壓力系數(shù)建筑物表面壓力系數(shù)是反映建筑物表面風壓分布的無量綱系數(shù)。壓力系數(shù)的大小受建筑物形狀、尺寸、高度、風向、風速、地形的影響。1.0正面0.5側面-0.5背風面風荷載計算公式風荷載計算公式用于確定建筑物或結構物在風荷載作用下的受力情況，并以此進行抗風設計。計算風荷載需要考慮多種因素，包括風速、建筑物高度、形狀、表面粗糙度以及周圍環(huán)境等。實例1：高層建筑風荷載計算高層建筑的風荷載計算通常采用風荷載系數(shù)法，該方法將風荷載分解為沿建筑物表面作用的壓力和吸力。1風荷載系數(shù)根據(jù)建筑物形狀、高度、周圍環(huán)境等因素確定2設計風速根據(jù)建筑物所在地的風速等級確定3風荷載計算公式將風荷載系數(shù)和設計風速代入公式計算計算得到的風荷載用于結構設計，確保建筑物能夠承受風力的作用。實例2：橋梁風荷載計算確定設計風速根據(jù)橋梁所在地區(qū)的風速等級和風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定橋梁的設計風速。計算風荷載根據(jù)橋梁的形狀、尺寸和風速，采用相關公式計算風荷載。確定橋梁風荷載分布考慮橋梁的結構形式和風荷載的分布規(guī)律，確定橋梁風荷載的分布形式。進行結構分析根據(jù)風荷載分布和橋梁結構參數(shù)，進行結構分析，計算橋梁的應力和變形。驗算結構強度檢查橋梁結構的強度和穩(wěn)定性，確保其能夠承受風荷載。影響因素分析地形地貌地形地貌對風荷載影響很大，例如山區(qū)、峽谷等特殊地形會形成強烈的風力。建筑物形狀建筑物形狀會影響風荷載的大小和分布，例如高層建筑、橋梁等特殊形狀會受到更大的風荷載。周圍環(huán)境周圍環(huán)境也會影響風荷載，例如高層建筑之間的風荷載相互影響，會形成復雜的湍流。風向風速風向風速會直接影響風荷載的大小和方向，例如臺風、颶風等強風天氣會造成巨大的風荷載。風洞試驗的作用11.模擬真實風場風洞試驗可以模擬真實的風場環(huán)境，包括風速、風向、湍流度等，以便對結構物進行風荷載測試。22.評估結構安全通過測試結構物在不同風荷載條件下的響應，可以評估結構物的抗風性能，為結構設計提供可靠的依據(jù)。33.優(yōu)化結構設計根據(jù)試驗結果，可以對結構設計進行優(yōu)化，提高結構的抗風性能，降低風荷載對結構的影響。44.研究風致振動風洞試驗可以研究結構物在風荷載作用下的振動特性，為結構減振設計提供依據(jù)。風洞試驗的原理1模擬風場通過風機產(chǎn)生風力，模擬真實環(huán)境中的風速和風壓。2模型測試將建筑模型放置在風洞中，測試模型在不同風速和風向下的受力情況。3數(shù)據(jù)分析分析測試數(shù)據(jù)，得到建筑物在不同風況下的受力特性。風洞試驗模擬真實環(huán)境中的風力，測試建筑模型在不同風況下的受力情況，為結構抗風設計提供參考數(shù)據(jù)。風洞試驗的測試項目風荷載測定不同風速下，結構表面壓力分布、風力大小等。風振分析不同風速下，結構的振動頻率、振幅和振動模式。氣動穩(wěn)定性評估不同風速下，結構的氣動穩(wěn)定性，防止風致振動和顫振。其他參數(shù)例如：風向變化對結構的影響、氣流擾動對結構的影響等。實例3：風洞試驗測試結果風洞試驗結果通常以圖表形式呈現(xiàn)。例如，可以展示建筑物表面風壓分布圖，以及不同風速條件下的風荷載變化曲線。這些數(shù)據(jù)對于建筑物結構設計具有重要指導意義。風洞試驗結果還可以用來評估建筑物周圍的風環(huán)境，例如，風速、風向和湍流強度等。這些信息可以幫助優(yōu)化建筑物的設計，減輕風荷載對建筑物的影響。軟件分析的應用風荷載模擬軟件可模擬風荷載對結構的影響，計算風力大小，提供風荷載分布圖。結構分析軟件可模擬結構在風荷載作用下的變形和應力，評估結構抗風性能。風洞試驗數(shù)據(jù)分析軟件可分析風洞試驗數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結果，提高設計精度。優(yōu)化設計軟件可優(yōu)化建筑物形狀和結構，減小風荷載影響，提高結構穩(wěn)定性。實例4：CFD仿真分析1模型建立建立建筑物模型，并設置邊界條件2風場模擬利用CFD軟件模擬風場分布3壓力計算計算建筑物表面風壓CFD仿真分析，通過數(shù)值模擬方法，可以更準確地預測建筑物風荷載。實際工程案例風荷載在實際工程中的應用非常廣泛。例如，高層建筑、橋梁、體育場館等結構需要進行抗風設計，以確保結構的安全性和穩(wěn)定性。風荷載的計算和分析是工程設計中重要的環(huán)節(jié)，需要結合風洞試驗、數(shù)值模擬等方法進行綜合分析。荷載組合的考慮組合系數(shù)規(guī)范規(guī)定了不同荷載類型之間的組合系數(shù)，如風荷載、地震荷載、活荷載等。組合系數(shù)考慮了不同荷載同時出現(xiàn)的可能性以及對結構的影響程度。荷載效應荷載效應是指荷載作用于結構所產(chǎn)生的力或力矩。不同荷載效應的組合方式需要根據(jù)規(guī)范的要求進行判斷，例如風荷載與地震荷載通常是相互獨立的。結構抗風設計要點抵抗風荷載結構應能承受風荷載的沖擊，保證結構安全。穩(wěn)定性結構應保持穩(wěn)定，避免風力導致結構整體傾覆或倒塌。剛度結構應具備足夠的剛度，避免風力導致過大變形或振動。減振對于高聳或輕型結構，應采取減振措施，降低風力引起的振動?？癸L設計的驗算1結構強度驗算確保結構能夠承受風荷載產(chǎn)生的壓力，防止結構破壞。2結構穩(wěn)定性驗算確保結構在風荷載作用下保持穩(wěn)定，避免失穩(wěn)或倒塌。3結構疲勞驗算確保結構能夠承受長期風荷載作用下的疲勞損傷，保證結構使用壽命。結構減振措施阻尼器阻尼器可吸收振動能量，減少結構的振幅。隔震裝置隔震裝置將結構與基礎隔開，降低風荷載傳遞到結構上的程度。調諧質量阻尼器調諧質量阻尼器通過共振吸收風荷載的能量，減小結構的振動。風洞試驗通過風洞試驗優(yōu)化結構形狀，降低風荷載的影響。鋼結構抗風設計鋼材特性鋼材具有高強度、高彈性模量和良好的延展性，使其成為抗風結構的理想材料。連接方式鋼結構的連接方式通常采用焊接或螺栓連接，確保結構的整體性和穩(wěn)定性。風荷載計算根據(jù)風荷載的分布和大小，設計合理的鋼結構構件截面和連接方式，確保結構安全。風洞試驗風洞試驗可以模擬實際風荷載作用，驗證鋼結構的設計方案，確保其抗風性能。混凝土結構抗風設計結構設計合理設計混凝土結構，提高結構剛度和強度，提高抗風性能。加固措施采用抗風加固措施，如設置抗風墻、風撐等，提高抗風能力。風洞試驗進行風洞試驗，獲取結構風荷載數(shù)據(jù)，優(yōu)化結構設計。材料選擇選擇高強度、抗風性能優(yōu)良的混凝土材料，提升結構抵抗風力的能力。木結構抗風設計11.材料特性木材具有較低的密度和抗拉強度，更容易受到風荷載的影響。應選擇具有高強度和韌性的木材，例如冷杉、松木等。22.結構形式采用合理的結構形式，提高抗風能力。例如，使用框架結構，增加橫向支撐，提高整體剛度。33.連接節(jié)點木結構連接節(jié)點是抗風性能的關鍵。應使用強力連接件，如鋼板連接、螺栓連接等，提高節(jié)點的抗風能力。44.防護措施采取相應的防風措施，例如安裝風屏、設置防風林等，降低風速對建筑物的沖擊?？癸L設計的關鍵問題結構穩(wěn)定性風荷載可能導致結構失穩(wěn)，變形過大。必須確保結構的穩(wěn)定性和剛度，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。材料強度風荷載會對結構材料產(chǎn)生應力，必須保證材料強度足夠，能夠承受風荷載帶來的沖擊和壓力。結構細節(jié)風荷載可能導致結構連接部位出現(xiàn)疲勞破壞，需注意設計連接的強度和耐久性，避免出現(xiàn)局部應力集中。防風措施對于高層建筑、橋梁等重要工程，應采取防風措施，如風洞試驗、CFD模擬分析等，以減少風荷載的影響。結論與展望風荷載研究的重要性風荷載是結構設計中不可忽視的重要因素。合理的風