荷载及结构设计方法第4章 风荷载

1、第4章 风荷载n风的基本知识风的基本知识n风压风压n顺风向结构风效应顺风向结构风效应n横风向结构风效应横风向结构风效应n扭转风振扭转风振n风荷载组合工况风荷载组合工况n风的基本知识风的基本知识2第第4 4章章 风荷载风荷载 风压，水平力风压，水平力 风振，包括顺风向风振和横风向风振风振，包括顺风向风振和横风向风振风对建筑物的影响：风对建筑物的影响： 风的形成风的形成 两类性质的风 风力等级风力等级n风压风压- -基本风速基本风速3第第4 4章章 风荷载风荷载 空旷平坦地面空旷平坦地面 距离地面距离地面10m高高 取取10min平均风速作为一个样本平均风速作为一个样本 取取1年内的最大样本作为年

2、最大风速年内的最大样本作为年最大风速 取取50年或年或100年内最大的年最大风速，作为基本风速年内最大的年最大风速，作为基本风速 对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按100年重现年重现期的风压值采用（期的风压值采用（60m）标准条件：标准条件：n风压风压- -基本风速基本风速4第第4 4章章 风荷载风荷载 tv长时距短时距 思考：时距越大，平均风越大还是越小？思考：时距越大，平均风越大还是越小？Why?风荷载影响因素风荷载影响因素时距时距n风压风压- -基本风速基本风速5第第4 4章章 风荷载风荷载 随高度增加而增大，地面越粗糙，加速度越慢随高度增加而增

3、大，地面越粗糙，加速度越慢风荷载影响因素风荷载影响因素高度、地面粗糙度高度、地面粗糙度n风压风压- -基本风速基本风速6第第4 4章章 风荷载风荷载 A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较比较稀疏稀疏的的乡镇乡镇 C：有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区 D：有密集建筑群且房屋较高的城市市区有密集建筑群且房屋较高的城市市区地面粗糙度四中分类：地面粗糙度四中分类：n风压风压- -基本风速基本风速7第第4 4章章 风荷载风荷载 重现期越长，风速越大，风压也越大重现期越长，风速越大，风压也

4、越大 哈尔滨：哈尔滨：10年年0.35，50年年0.55，100年年0.70风荷载影响因素风荷载影响因素重现期重现期oTt)(tQ1,50, 1rpn风压风压- -基本风速基本风速8第第4 4章章 风荷载风荷载 时距越大，风速越小时距越大，风速越小 高度越大，风速越大（梯度风高度范围内）高度越大，风速越大（梯度风高度范围内） 地面越粗糙，风速越小地面越粗糙，风速越小 重现期越长，风速越大重现期越长，风速越大风荷载影响因素总结：风荷载影响因素总结：n风压风压- -风速与风压的关系风速与风压的关系9第第4 4章章 风荷载风荷载 流向小股气流高压气幕建筑物压力线w1aw1w1dAdAd+()wv12

5、2=( )bdl( )222121vgvw理想状态：理想状态：n风压风压- -风速与风压的关系风速与风压的关系10第第4 4章章 风荷载风荷载 221vw比窦娥还冤比窦娥还冤的某农牧学院的某农牧学院n风压风压- -基本风压的采用基本风压的采用11第第4 4章章 风荷载风荷载 按新版按新版高规高规的规定，超过的规定，超过60m的高层建筑，在计算风的高层建筑，在计算风荷载作用下构件的荷载作用下构件的承载力承载力时，时，风压值取基本风压的风压值取基本风压的1.1倍倍；在计算风荷载作用下结构或构件的在计算风荷载作用下结构或构件的变形变形时，时，风压值仍取基风压值仍取基本风压本风压。n风压风压- -山区

6、基本风压山区基本风压12第第4 4章章 风荷载风荷载 山峰山峰和和山坡山坡，顶部顶部B处的修正系数处的修正系数：BBCCAAz Hd1d2dd42B2.5tan1Hz1 山间山间盆地盆地、谷地谷地等闭塞地形，取等闭塞地形，取0.750.85；对于与；对于与风向一致的谷口、山口，取风向一致的谷口、山口，取1.201.50。n风压风压- -远海海面和海岛风压远海海面和海岛风压13第第4 4章章 风荷载风荷载 距海岸距离（km）40406060100修正系数1.01.01.11.11.2海面上的摩擦力比陆地小，风速大海面上的摩擦力比陆地小，风速大海陆温差，空气对流，增大了海边的风速海陆温差，空气对流

7、，增大了海边的风速 思考：海面风大还是陆地风大？思考：海面风大还是陆地风大？n风压风压- -风压高度变化系数风压高度变化系数14第第4 4章章 风荷载风荷载 梯度风高度：梯度风高度：风速从风速从地面到高空，逐渐增地面到高空，逐渐增大，直至某一高度趋大，直至某一高度趋于稳定，这个高度于稳定，这个高度即即为为梯度风高度梯度风高度。 风压高度变化系数：风压高度变化系数：任一任一高度高度、任一、任一地貌地貌条件条件下的下的风风压压与与基本风压的比值基本风压的比值，表，表4-8。新规范提高提高了C、D两类地面粗糙度（大城市市区）的梯度风高度，why?n风压风压- -风荷载体型系数：风压分布规律风荷载体型

8、系数：风压分布规律15第第4 4章章 风荷载风荷载 结构物多带棱角结构物多带棱角会形成旋涡会形成旋涡风压分布不均风压分布不均迎风面由于气流正面受阻产生风压力迎风面由于气流正面受阻产生风压力侧风面和背风面由于旋涡作用引起风吸力侧风面和背风面由于旋涡作用引起风吸力迎风面中部大，侧风面和背风面的角部大迎风面中部大，侧风面和背风面的角部大侧风面迎风面侧风面背风面_+_n风压风压- -风荷载体型系数：风压分布规律风荷载体型系数：风压分布规律16第第4 4章章 风荷载风荷载 有旋涡的地方可能会产生负压有旋涡的地方可能会产生负压立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小

9、平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动旋涡区尾流区停滞点驻涡区n风压风压- -风荷载体型系数：风压分布规律风荷载体型系数：风压分布规律17第第4 4章章 风荷载风荷载 坡度小坡度小, ,负压；负压；3030, ,0 0；4545, ,正压正压a()b()c()d()+_554530+a()b()c()d()+_554530+n风压风压- -风荷载体型系数：定义及确定方法风荷载体型系数：定义及确定方法18第第4 4章章 风荷载风荷载 理论分析：达不到理论分析：达不到实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物中进行实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物

10、中进行风洞试验：选测点风洞试验：选测点实测风压实测风压/ /理想风压理想风压加权平均加权平均风荷载体型系数风荷载体型系数 定义：定义：建筑物实际风压与理想风压的比值建筑物实际风压与理想风压的比值确定方法：确定方法：n风压风压- -风荷载体型系数：定义及确定方法风荷载体型系数：定义及确定方法19第第4 4章章 风荷载风荷载 选测点，测建筑物表面上顺风选测点，测建筑物表面上顺风向的静风压力，再除以建筑物向的静风压力，再除以建筑物前方来流风压，即得该点的风前方来流风压，即得该点的风压力系数。压力系数。各测点系数取加权（各测点系数取加权（类似于柱类似于柱的从属面积的从属面积）平均值，得到风）平均值，得

11、到风荷载体型系数。荷载体型系数。风洞试验：风洞试验：n风压风压- -风荷载体型系数：风洞简介风荷载体型系数：风洞简介20第第4 4章章 风荷载风荷载 哈尔滨工业大学风浪联合实验室哈尔滨工业大学风浪联合实验室 海洋海洋平台风浪试验平台风浪试验 人工降雨人工降雨n风压风压- -风荷载体型系数：风洞简介风荷载体型系数：风洞简介21第第4 4章章 风荷载风荷载 同济大学汽车风洞实验室同济大学汽车风洞实验室 风洞风洞实验室外观实验室外观 东方东方明珠塔明珠塔n风压风压- -风荷载体型系数：风洞简介风荷载体型系数：风洞简介22第第4 4章章 风荷载风荷载 同济大学汽车风洞实验室同济大学汽车风洞实验室n风压

12、风压- -风荷载体型系数：风洞简介风荷载体型系数：风洞简介23第第4 4章章 风荷载风荷载 同济大学汽车风洞实验室同济大学汽车风洞实验室n风压风压- -风荷载体型系数：风灾风荷载体型系数：风灾24第第4 4章章 风荷载风荷载 塔克马海峡大桥塔克马海峡大桥853m开车体会开船的开车体会开船的感觉感觉19m/s，共振，共振好莱坞拍电影好莱坞拍电影n风压风压- -风荷载体型系数：风灾风荷载体型系数：风灾25第第4 4章章 风荷载风荷载 塔克马海峡大桥塔克马海峡大桥新桥新桥n风压风压- -风荷载体型系数：风灾风荷载体型系数：风灾26第第4 4章章 风荷载风荷载 塔克马海峡大桥塔克马海峡大桥新桥新桥n风

13、压风压- -风荷载体型系数：取值风荷载体型系数：取值27第第4 4章章 风荷载风荷载 圆形：圆形：0.8一般的矩形：一般的矩形：1.3正多边形：正多边形：V V形、形、Y Y形、弧形等：形、弧形等：1.4荷载规范荷载规范7.3.1条条n/2 . 18 . 0s0.80.8-0.5n风压风压- -群体风压体型系数群体风压体型系数28第第4 4章章 风荷载风荷载 美国硅谷美国硅谷n风压风压- -群体风压体型系数群体风压体型系数29第第4 4章章 风荷载风荷载 中国上海中国上海n风压风压- -群体风压体型系数群体风压体型系数30第第4 4章章 风荷载风荷载 当当L/B7.5时，增大系时，增大系数取数

14、取1.0（不考虑不考虑）当当L/B3.5时，顺风向时，顺风向增大系数及当增大系数及当L/B2.5时时横风向增大系数按表横风向增大系数按表4-9取值取值来流风向 LBB 同经验表格同经验表格4-9相比，新规范中的建筑群体相互干扰系相比，新规范中的建筑群体相互干扰系数规定略显模糊，且数值偏小数规定略显模糊，且数值偏小n风压风压- -局部体型系数局部体型系数31第第4 4章章 风荷载风荷载 在角隅、檐口、边在角隅、檐口、边棱处和在附属结构棱处和在附属结构的部位的部位，局部风压局部风压会超过按风荷载体会超过按风荷载体型系数计算出的平型系数计算出的平均风压均风压。封闭式矩形平面房屋的局部体型系数封闭式矩

15、形平面房屋的局部体型系数非直接承受风荷载的围护构件的折减系数非直接承受风荷载的围护构件的折减系数SaDBE/H迎风面侧面1.0-1.4-1.0-0.6SbSaSb5n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -平均风与脉动风平均风与脉动风32第第4 4章章 风荷载风荷载 平均风：平均风：静力静力荷载荷载 脉动风：脉动风：结构振动结构振动，引起结构引起结构顺风向振动顺风向振动的主要原因的主要原因ftt( ) fn顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数33第第4 4章章 风荷载风荷载 其物理意义与动力系数相似，用其物理意义与动力系数相似，用增大系数增大系数静载效应静载效应的方式近似考虑振

16、动影响的方式近似考虑振动影响 其大小由随机振动理论计算得出其大小由随机振动理论计算得出 设计时查设计时查荷载规范荷载规范8.4.3条条2z10z121RBgIn顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数34第第4 4章章 风荷载风荷载 脉动风荷载的共振分量因子脉动风荷载的共振分量因子R：3/421211)1 (6xxR) 5(301011xwkfxw， x、1、kw、f1分别表示什么意思，如何计算？分别表示什么意思，如何计算？n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数35第第4 4章章 风荷载风荷载 脉动风荷载的背景分量因子脉动风荷载的背景分量因子Bz : :，)()

17、(11zzkHBzzxz k、 1、 x、 z、1 (z)、 z (z)分别表示什么意思，如分别表示什么意思，如何计算？何计算？n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数36第第4 4章章 风荷载风荷载 脉动风荷载的空间相关性系数脉动风荷载的空间相关性系数: :，竖直方向的相关系数竖直方向的相关系数: :HeHHz60601060/水平方向的相关系数水平方向的相关系数: :BeBBx5050/5010n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数37第第4 4章章 风荷载风荷载 结构振型系数：结构振型系数：，对对顺顺风向响应风向响应一般一般可仅考虑第可仅考虑第1振型的影

18、响振型的影响对对横横风向的共振响应，一般考虑风向的共振响应，一般考虑4个振型个振型的影响的影响 振型：振型：结构在振动中各质点的相对位移。结构在振动中各质点的相对位移。一阶振型一阶振型 二阶振型二阶振型 三阶振型三阶振型n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数38第第4 4章章 风荷载风荷载 结构振型系数：结构振型系数：， 弯曲型弯曲型：高耸结构（或剪力墙结构）高耸结构（或剪力墙结构） 弯剪型弯剪型：高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时 剪切型剪切型：低层建筑结构低层建筑结构上大下小比较均匀上小下大n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振

19、系数风振系数39第第4 4章章 风荷载风荷载 结构基本周期经验公式结构基本周期经验公式高耸结构：高耸结构：，HT)013. 0007. 0(1钢结构可取高值，钢筋混凝土结构可取低值。对于具体的高耸结构，如烟囱和石油化工塔架，其基本自振周期的计算有更为精确的公式，可参考荷载规范附录F.1.2。n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风振系数风振系数40第第4 4章章 风荷载风荷载 结构基本周期经验公式结构基本周期经验公式高层结构：高层结构：，nT)15. 010. 0(1nT)10. 005. 0(132311053. 025. 0BHT3103. 003. 0BHT 钢结构钢结构 钢筋混凝土结

20、构钢筋混凝土结构 钢筋混凝土框架、框剪结构钢筋混凝土框架、框剪结构 钢筋混凝土剪力墙结构钢筋混凝土剪力墙结构n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -阵风系数阵风系数41第第4 4章章 风荷载风荷载 ， 阵风系数：阵风系数：在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平均风要大所乘的系数均风要大所乘的系数zI102g110gz阵风系数，可以理解为阵风风速与平均风速的比值。n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值42第第4 4章章 风荷载风荷载 ，承重结构承重结构： wk=zszw0围护结构：围护结构：wk=gzslzw0 思考：公式中各系数的意义

21、是什么？思考：公式中各系数的意义是什么？n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值43第第4 4章章 风荷载风荷载 ，计算步骤：计算步骤： 确定基本风压确定基本风压 确定风荷载体型系数或局部风压体型系数确定风荷载体型系数或局部风压体型系数 确定风压高度变化系数确定风压高度变化系数 确定结构基本周期确定结构基本周期 确定脉动风荷载的空间相关系数确定脉动风荷载的空间相关系数 确定振型系数确定振型系数 确定脉动风荷载的背景分量因子确定脉动风荷载的背景分量因子 确定脉动风荷载的共振分量因子确定脉动风荷载的共振分量因子 确定风振系数。确定风振系数。 确定风荷载标准值确定风荷载标准值

22、n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值44第第4 4章章 风荷载风荷载 ，不同高度结构风荷载总值的新旧差异，说明了什么？n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值45第第4 4章章 风荷载风荷载 例题：例题：， 某钢筋混凝土框架某钢筋混凝土框架- -剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布，剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布，截面为正方形，房屋总高度截面为正方形，房屋总高度H=100m，迎风面宽度，迎风面宽度B=45m，建于，建于C类地区，基本风压值类地区，基本风压值w0=0.55kN/m2，求垂直于该建筑物表面上的风，求垂直于该建筑物表面上的风荷

23、载标准值及建筑物基底弯矩。荷载标准值及建筑物基底弯矩。n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值46第第4 4章章 风荷载风荷载 解：解：， 风荷载标准值按风荷载标准值按wk=zszw0计算计算，为，为简化起见，将建筑物沿高度分为简化起见，将建筑物沿高度分为10个区段个区段，每个区段的高度均为每个区段的高度均为10m，取其中点位置，取其中点位置的风荷载作为该区段的平均风荷载。由于的风荷载作为该区段的平均风荷载。由于该建筑的总高度为该建筑的总高度为100m，基本风压应按，基本风压应按5 05 0 年 一 遇 风 压 值 的年 一 遇 风 压 值 的 1 . 1 倍 取 用

24、， 即倍 取 用 ， 即w0=1.10.55=0.605kN/m210mwk10wk9wk8wk7wk6wk5wk4wk3wk2wk110m10m10m10m10m10m10m10m10mn顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值47第第4 4章章 风荷载风荷载 （1）风荷载体型系数）风荷载体型系数，该高层建筑平面为正方形，高宽比该高层建筑平面为正方形，高宽比D/B=1，s=1.4。（2）风压高度变化系数风压高度变化系数由由教材教材表表4-8，根据场地粗糙度类别为，根据场地粗糙度类别为C C类，可查出各区段中点位置类，可查出各区段中点位置的风压高度变化系数，列于表的风压高

25、度变化系数，列于表4-11中中。n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值48第第4 4章章 风荷载风荷载 （3）风振系数）风振系数，n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值49第第4 4章章 风荷载风荷载 （3）风振系数）风振系数，n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值50第第4 4章章 风荷载风荷载 （3）风振系数）风振系数，n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值51第第4 4章章 风荷载风荷载 （3）风振系数）风振系数，n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值52第第

26、4 4章章 风荷载风荷载 （4）各区段中点高度处的风荷载标准值各区段中点高度处的风荷载标准值，n顺风向结构风效应顺风向结构风效应- -风荷载标准值风荷载标准值53第第4 4章章 风荷载风荷载 （5）风荷载引起的基底弯矩值风荷载引起的基底弯矩值，n横风向结构风效应横风向结构风效应54第第4 4章章 风荷载风荷载 ，n横风向结构风效应横风向结构风效应- -考虑对象考虑对象55第第4 4章章 风荷载风荷载 ， 塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构n横风向结构风效应横风向结构风效应- -考虑对象考虑对象56第第4 4章章 风荷载风荷载 ， 高层建筑：高层建筑：满足满足H15

27、0m或或H/B5 高耸结构：高耸结构：满足满足H30m或或H/B4n横风向结构风效应横风向结构风效应- -雷诺数雷诺数57第第4 4章章 风荷载风荷载 惯性力与黏性力：惯性力与黏性力：，惯性力：惯性力：惯惯性力是流体冲击在垂直表面所形成的压力，性力是流体冲击在垂直表面所形成的压力，对空气而言，就是风作用在垂直面上所产生的风压力对空气而言，就是风作用在垂直面上所产生的风压力黏性力：黏性力：黏黏性是流体抵抗剪切变形的能力，性是流体抵抗剪切变形的能力，黏黏性越大，性越大，流体抵抗剪切变形的能力越强流体抵抗剪切变形的能力越强n横风向结构风效应横风向结构风效应- -雷诺数雷诺数58第第4 4章章 风荷载

28、风荷载 ，雷诺数：雷诺数：惯性力惯性力/ /黏黏性力性力；此值；此值相同相同，流体动力特性相似流体动力特性相似vD69000Re 流速流速大大时，雷诺数时，雷诺数大大，惯性力惯性力起控制作用起控制作用 流速流速小小时，雷诺数时，雷诺数小小，黏黏性力性力起控制作用起控制作用 雷诺数雷诺数相同相同，流体动力特性，流体动力特性相似相似n横风向结构风效应横风向结构风效应- -产生机理产生机理59第第4 4章章 风荷载风荷载 ， 当漩涡脱落的频率与结构振动频率接近时，会引起结当漩涡脱落的频率与结构振动频率接近时，会引起结构振动，即横风向风振构振动，即横风向风振卡门涡街卡门涡街a()b()B SCABS 层流分离层流分离 旋涡脱落旋涡脱落n横风向结构风效应横风向结构风效应- -产生机理产生机理60第第4 4章章 风荷载风荷载 ，eR 1e5R 40eR eR 1e5R 40eR eR 1e5R 40eR 风速很小时，风速很小时，Re1，气流，气流附着在圆柱体表面，不分离附着在圆柱体表面，不分离 速略大，速略大，5Re40，层流，层流分离，形成旋涡但不脱落分离，形成旋涡但不脱落 风速继续增大，旋涡脱落，风速继续增大，旋涡脱落，这种现象称之为卡门涡街这种现象称之为卡门涡街n横风向结构风效应