第4章风荷载讲述

1、第第4章章 风荷载风荷载第第4 4章章 风荷载风荷载内容提要内容提要 第一节第一节 风的有关知识风的有关知识 第二节第二节 风压风压 第三节第三节 结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念 第四节第四节 顺风向结构风效应顺风向结构风效应 第五节第五节 横风向结构风效应横风向结构风效应 第一节第一节 风的有关知识风的有关知识 赤道和低纬度地区：受热量较多，气温赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压小高，空气密度小、气压小, ,且大气因加热膨且大气因加热膨胀，胀，由表面向高空上升由表面向高空上升 极地和高纬度地区：受热量较少，极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密

2、度大、气温低，空气密度大、 气压大气压大 ，且大气因冷却收缩由且大气因冷却收缩由高空向地表上升高空向地表上升一、风的形成一、风的形成北极北极赤道赤道大气热力学环流模型大气热力学环流模型 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差在地球上的不同地区产生大气压力差.- 空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成 地表上存在气压差或压力梯度地表上存在气压差或压力梯度二、两类性质的大风二、两类性质的大风1 1、台风、台风弱的

3、热带气旋性涡旋弱的热带气旋性涡旋辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部 形成形成暖心暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）压下降） 低涡增强低涡增强 辐合加强辐合加强 。（循环）。（循环）台风台风(typoon)(typoon)台风名字台风名字热带气旋按中心附近地面最大风速划分为四个等级热带气旋按中心附近地面最大风速划分为四个等级 名称名称 属性属性 台风 （Typhoon） 最大风速出现326 米/秒，也即 12 级以上（64 海里/小时或以上） 强热带风暴 (Severe tropical storm) 最大风速出现

4、245-326 米/秒，也即风力 10-11 级（48-63 海里/小时） 热带风暴 (Tropical storm) 最大风速出现17 2-24 4米/秒， 也即风力8-9级 （34-47海里/小时） 热带低压 (Tropical depression) 最大风速出现17 2 米/秒， 也即风力为 6-7 级 （22-33海里/小时） 发布的信息发布的信息 属性属性 消消 息息 远离或尚未影响到预报责任区时， 根据需要可以发布远离或尚未影响到预报责任区时， 根据需要可以发布“消息消息”， 报道编号热， 报道编号热带气旋的情况，警报解除时也可用带气旋的情况，警报解除时也可用 “消息消息”方式方

5、式 发布发布 警警 报报 预计未来预计未来 48 小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布警报小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布警报 紧急警报紧急警报 预计未来预计未来 24 小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布紧急警报小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布紧急警报 （影响是以沿海开始出现（影响是以沿海开始出现 8 级风或暴雨为标准。 ）级风或暴雨为标准。 ） 2 2、季风、季风(season wind)(season wind) 冬季冬季: :大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋风从大陆吹向海洋

6、 夏季夏季: :大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高、气压高 风从海洋吹向大陆风从海洋吹向大陆三、风级三、风级（根据（根据风对地面或海洋物体影响程度风对地面或海洋物体影响程度） 1313个等级（个等级（0 0级级 1212级）级）（P37P37，表，表4-14-1） 0 0级级 1 1级级 2 2级级 3 3级级 4 4级级 5 5级级 6 6级级 7 7级级 8 8级级 9 9级级 1010级级 1111级级1212级级静风静风 软风软风 轻风轻风 微风微风 和风和风 清劲风清劲风 强风强风 疾风疾风 大风大风 烈风烈风 狂风狂风 暴风暴

7、风飓风飓风u1926年9月，美国迈阿密17层高的Meyer-Kiser大楼在一次飓风袭击下，维护结构受到严重破坏，钢框架结构发生塑性变形，大楼在风暴中严重摇晃，顶部残留位移达0.61m。 风灾实例 当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍物产生压力。物产生压力。 风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引起多种类型的振动效应。起多种类型的振动效应。第4章 风荷载u美国约翰汉考克大楼（Jo

8、hn Hancock），自1972年夏天至1973年的1月，由于外饰玻璃经常遭受大风破坏，不得不更换所有的玻璃，耽误了三年半的使用，还增加了830万美元的预算。 第4章 风荷载u1988年美国Missouri一座高610m的电视桅杆在阵风下倒塌。 第4章 风荷载u1965年11月1日，英国渡桥（Ferrybridge）热电厂的8座大型冷却塔，每座塔高116m，直径93m，其中有3座塔在风暴袭击中被吹毁，该事故促使人们开始注重群体风效应的研究。 第4章 风荷载u位于上海嘉定的国际赛车场F1看台设计时考虑了12级强台风影响，但在事故当天，嘉定区部分地段遭受了13级（40m/s）的强台风，是造成这起

9、事故的主要原因，赛车场损失上千万元 。 第4章 风荷载u厂房屋面风致破坏第4章 风荷载u膜结构风致破坏 第4章 风荷载u广告牌风致破坏 第4章 风荷载20062006年年3 3月月1212日，位于福建泉日，位于福建泉州北峰路段的一块大型户外州北峰路段的一块大型户外广告牌被大风吹倒，压住了广告牌被大风吹倒，压住了两辆行驶中的摩托车，造成两辆行驶中的摩托车，造成3 3人死亡。当天，受强冷空气人死亡。当天，受强冷空气影响，泉州气温持续下降，影响，泉州气温持续下降，并伴有并伴有8 8级大风。级大风。20072007年年7 7月月2929日下午，郑州市日下午，郑州市区瞬时大风吹倒郑州市文化路区瞬时大风吹

10、倒郑州市文化路的巨幅广告牌。将的巨幅广告牌。将4 4辆奇瑞轿辆奇瑞轿车全部压在身下，砸塌了另外车全部压在身下，砸塌了另外2 2辆轿车的车顶。倒塌的广告辆轿车的车顶。倒塌的广告牌下，停放着牌下，停放着1010多辆展销多辆展销轿车。轿车。 1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥塔科马桥（Tacoma Bridge）因风振致毁，这一严重的桥梁事故，开始促使人们对桥梁的风致振动问题进行系统深入的研究。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，虽然设计风

11、速为60m/s，但在19m/s风速下结构就产生强烈扭曲振动而遭破坏。 第4章 风荷载u风致桥梁破坏 第4章 风荷载第4章 风荷载风毁桥梁表第4章 风荷载JGJ3 高层建筑混凝土结构技术规程 高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行建筑结构荷载规范规定的10年一遇的风荷载取值计算顺风向与横风向结构顶点最大加速度amax不应超过下表的限值。必要时，可通过专门的风洞试验结果确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，且不应超过下表的限值。使用功能amax (m/s2)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25第4章 风荷载p抗风减振措施抗风减振措施 台北台北101101大楼（高

12、大楼（高508508米），在米），在9292楼楼层悬挂设置重达层悬挂设置重达800800吨的悬浮阻尼吨的悬浮阻尼球，通过吸收振动能量，避免大楼球，通过吸收振动能量，避免大楼在强风下大幅晃动在强风下大幅晃动第4章 风荷载p抗风减振措施抗风减振措施 上海环球金融中心（高上海环球金融中心（高492492米），在米），在395395米的第米的第9090层安装两台重达层安装两台重达150150吨、长宽吨、长宽各各9 9米的风阻器，中间桔红色的是用钢米的风阻器，中间桔红色的是用钢索悬吊的重索悬吊的重100100多吨的配重物，其下安多吨的配重物，其下安装了驱动装置。装了驱动装置。第二节第二节 风风 压压一、

13、风压与风速的关系一、风压与风速的关系建筑物建筑物小股气流小股气流流向流向高压气幕高压气幕压力线压力线w= v2/2风压：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即为风压。风压：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即为风压。222121gw由于各地地理位置不同，因而由于各地地理位置不同，因而和和g g不同。不同。-为空气单位体积的重力；为空气单位体积的重力；g g为重力加速度。为重力加速度。g2：对于海拔：对于海拔500m500m以下地区，该值约为以下地区，该值约为1/16001/1600，海拔，海拔3500m3500m以上的高原或高山地区，该值减小至以上的高

14、原或高山地区，该值减小至1/26001/2600左右。左右。风速与风压的关系式风速与风压的关系式：得出风压与得出风压与风速的微分风速的微分方程方程据合力等于质量与据合力等于质量与加速度乘积加速度乘积取任一小段取任一小段据已知条件据已知条件对方程求解对方程求解得到得到二、基本风压二、基本风压w w0 0 基本风压符合以下五个规定：基本风压符合以下五个规定：p 基本风压：在空旷平坦的地面、离地面基本风压：在空旷平坦的地面、离地面10m高处、高处、50年一年一遇的遇的10min的平均最大风速为标准，由风压和风速的关系的平均最大风速为标准，由风压和风速的关系式确定的风压值式确定的风压值(w w 0 0

15、= = v v0 02 2/1600 )/1600 )。 地貌（地面粗糙度）地貌（地面粗糙度） 空旷平坦地貌空旷平坦地貌 高度高度 10米高为标准高度米高为标准高度 公称风速时距公称风速时距 =10min 公公称称风风速速 odttvv10, 即即一一定定时时间间间间隔隔内内的的平平均均风风速速 最大风速的样本时间最大风速的样本时间 一年一年 基本风速的重现期基本风速的重现期T T0 0 基本风速出现一次所需要的时间基本风速出现一次所需要的时间取年最大风速记录值为统计样本。取年最大风速记录值为统计样本。 工程设计时，一般应考虑结构在使用过程中几十年时间范围内可能工程设计时，一般应考虑结构在使用

16、过程中几十年时间范围内可能遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时间后遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时间后再出现，这个间隔时间称为重现期。再出现，这个间隔时间称为重现期。每年不超过基本风压的概率或保证率每年不超过基本风压的概率或保证率p p0 0=1-1/=1-1/T T0 0（图中影形面积）（图中影形面积）最大风速最大风速 - - -随机变量随机变量年最大风速年最大风速p基本风速基本风速面积面积 p0=1-1/T0年平均最大风速年平均最大风速年最大风速概率密度分布年最大风速概率密度分布u建筑建筑荷载规范荷载规范：对一般结构，重现期取对一般结构，重现期取

17、50年，对于特别重要和有特殊要求年，对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取的高层建筑和高耸结构，重现期可取100年。年。p 设基本风速重现期为设基本风速重现期为T0年，则年，则1/T0为超过设计最大风速的概率，而不为超过设计最大风速的概率，而不超过该设计最大风速的概率或保证率为：超过该设计最大风速的概率或保证率为：0011Tp三、非标准条件下的风速或风压的换算三、非标准条件下的风速或风压的换算1、非标准高度的换算、非标准高度的换算式中：式中：VZ任一点的平均风速和高度。任一点的平均风速和高度。sVsZ标准高度处的平均风速和高度，我国标准高度为标准高度处的平均风速和高度，我国标

18、准高度为10m。a与地貌或地面粗糙度有关的指数，地面粗糙程度越大，与地貌或地面粗糙度有关的指数，地面粗糙程度越大，越大。越大。222121gw因为：因为：2、非标准地貌的换算、非标准地貌的换算梯度风：梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风，称为梯度风。不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风，称为梯度风。梯度风高度：梯度风高度：出现梯度风的高度出现梯度风的高度HT不同粗糙度影响下的风剖面不同粗糙度影响下的风剖面加拿大风工程专家整理的风剖面：加拿大风工程专家整理的风剖面：接近地表的风速随着离地接近地表的风速随着离地面距离的减小而降低面距离的减小而降低离地离地300-500m

19、以上的以上的地方，风才不受地表地方，风才不受地表的影响。的影响。地面越粗糙（地面越粗糙（越大），风速变化越慢，梯度风高度越高；越大），风速变化越慢，梯度风高度越高；地面越平坦（地面越平坦（越小），风速变化越快，梯度风高度越小。越小），风速变化越快，梯度风高度越小。城市城市乡镇和郊区乡镇和郊区开阔水面开阔水面同一大气环境中各类地貌梯度风速相同，则可得同一大气环境中各类地貌梯度风速相同，则可得任意地貌的基本风压与标准地貌基本风压的关系：任意地貌的基本风压与标准地貌基本风压的关系：任意地貌的任意地貌的基本风速基本风速据风速与风压的关系据风速与风压的关系风压高度变化系数：任意地貌下任意高度处的平均风压

20、与标准地貌下基本风压的比值任意地貌下任意高度处的平均风压与标准地貌下基本风压的比值aaasazCzzHzHwzwwwaaTaSTSaazaaaaa22220200101010建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范的地面粗糙度分类：的地面粗糙度分类： A类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取a aA=0.12，HTA=300m； B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和市郊，取镇和市郊，取a aB=a as=0.16，HTB=HTS=350m； C类：指有密集建筑群的城市市区，取类：指有

21、密集建筑群的城市市区，取a aC=0.22，HTC=400m； D类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取a aD=0.30，HTD=450m。GB50009-2012地面的粗糙度类别：地面的粗糙度类别： A类类近海海面和海岛、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类类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C类类有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区 D类类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类别地面粗糙度类别 粗糙度

22、指数粗糙度指数a a 梯度风高度梯度风高度HG 风压高度变化系数风压高度变化系数 z A类类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009表表8.2.1确定。确定。 【思考题思考题】1、规范规范GB50009对远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压对远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数高度变化系数 z如何确

23、定？如何确定？【思考题思考题】2、上表、上表风压高度变化系数风压高度变化系数 z中的中的1.379、1.0、0.616、0.318如何得来的？如何得来的？距海岸距离（km）40406060100修正系数1.01.0代入四类地貌下粗糙度指数以及梯度风高度，可得代入四类地貌下粗糙度指数以及梯度风高度，可得A类：类： ca=1.379B类：类： ca=1.000 C类：类： ca=0.616 D类：类： ca=0.318 同时规定不同地貌的标准参考高度同时规定不同地貌的标准参考高度z0a：z0a = 5m（A类）类） z0a = 10m（B类）类）z0a = 15m（C类）类） z

24、0a = 30m（D类）类） 并规定并规定z0a以下的风压高度变化系数取常数，分别为：以下的风压高度变化系数取常数，分别为：1.09（A类）；类）；1.00（B类）；类）；0.65（C类）；类）；0.51（D类）类）思考题：为什么表格线下的风压高度变化系数都为思考题：为什么表格线下的风压高度变化系数都为2.91？3、不同时距的换算、不同时距的换算4、不同重现期的换算、不同重现期的换算时距不同，所求得的平均风速将不同。时距不同，所求得的平均风速将不同。重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也就不同。重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也就不同。第三节第三节 结构抗风

25、计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念 PL 截面截面风速风速 B PM PD 流经任意截面物体所产生的力流经任意截面物体所产生的力 结构上的风力结构上的风力顺风向力顺风向力P PD D 、 横风向力横风向力 P PL L 、扭力矩、扭力矩 P PM M 结构的风效应结构的风效应 由风力产生的结构由风力产生的结构位移位移、速度速度、加速度加速度响应、响应、扭转扭转响应响应一、结构的风力和风效应一、结构的风力和风效应v二、顺风向平均风与脉动风二、顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线顺风向风速时程曲线（风的长周期风的长周期 结构的自振周期）结构的自振周期） 顺风向的风效应：平均风效应、脉

26、动风效应顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应脉动风速脉动风速v vf f 短周期成分，周期一般只有几秒钟短周期成分，周期一般只有几秒钟 平平均均风风速速 v长长周周期期成成分分，周周期期一一般般在在 1 10 0m mi in n 以以上上 vf v(t) t 地面粗糙度的影响：地面粗糙度的影响：地面越粗糙，平均风速越小，而脉动风的幅值大且频率高。地面越粗糙，平均风速越小，而脉动风的幅值大且频率高。平均风平均风其作用效应与静力相近，认为其作用性质相当于静力其作用效应与静力相近，认为其作用性质相当于静力（稳定风载）；（稳定风载）；脉动风脉动风其与结构物自振周期较为接近，作用性质完全是动力的，其

27、与结构物自振周期较为接近，作用性质完全是动力的，应按照随机动力荷载来考虑（脉动风载）。应按照随机动力荷载来考虑（脉动风载）。 脉动风特性：脉动风特性： 可见，可见，一般脉动风一般脉动风的频率较小，或周的频率较小，或周期较长。期较长。 水平脉动风速功率谱密度水平脉动风速功率谱密度三、横风向风振三、横风向风振（对细柔性结构应考虑）（对细柔性结构应考虑） 横风向风振横风向风振由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。现象。 与与结构截面形状结构截面形状和和雷诺数雷诺数R Re e有关有关

28、vBlvlvFlvFvRe690002粘性力惯性力雷诺数sm251045. 1,-空气动力粘性系数粘性力粘性力= =粘性应力粘性应力 面积面积F F = =（粘性系数（粘性系数 速度梯度速度梯度dvdv/dy/dy）面积面积F F惯性力惯性力= =单位面积上的压力单位面积上的压力 v v2 2/2 /2 面积面积F F对于空气：对于空气：vBRe69000雷诺数若若ReRe小于小于1/10001/1000，则以粘性力为主，为高粘性液体；则以粘性力为主，为高粘性液体；若若ReRe大于大于10001000，则以惯性力为主，为低粘性液体。则以惯性力为主，为低粘性液体。1、雷诺数、雷诺数 横向风振的产

29、生横向风振的产生( (圆截面柱体结构圆截面柱体结构) )沿上风面沿上风面ABAB速度逐渐增大（速度逐渐增大（v v ），），B B点压力达到最小值点压力达到最小值; ;沿下风面沿下风面BCBC速度逐渐降低（速度逐渐降低（ v v ），压力重新增大。），压力重新增大。气流在气流在BCBC中间某点中间某点S S处速度停滞（处速度停滞（ v v =0 =0），生成），生成旋涡旋涡，并在外流，并在外流的影响下以一定周期脱落（的影响下以一定周期脱落（脱落频率脱落频率f fs s）-Karman Karman 涡街涡街当气流旋涡当气流旋涡脱落频率脱落频率f fs s与结构与结构横向自振频率横向自振频率接近

30、时，结构发生接近时，结构发生共振，即发生共振，即发生横向风振横向风振 。2、Strouhal数数ABSBSCFs为脱落频率为脱落频率D为圆柱直径，为圆柱直径，V为风速。为风速。u旋涡周期性脱落现象旋涡周期性脱落现象用一个无量纲参数来描述（斯脱罗哈数），表示为：用一个无量纲参数来描述（斯脱罗哈数），表示为：圆柱体流场圆柱体流场Re1：流动将附着在圆柱体表面，即流动不分离；：流动将附着在圆柱体表面，即流动不分离；5Re40：流动分离，分离点靠截面中心前缘，分离流线内有两流动分离，分离点靠截面中心前缘，分离流线内有两个稳定的旋涡；个稳定的旋涡；3、横风向共振、横风向共振试验表明：试验表明：气流漩涡脱

31、落频率或气流漩涡脱落频率或St 与气流的雷诺数有关：与气流的雷诺数有关：（a）5Re40Re3.0105：分离出的旋涡将交替脱落，向下游流动形成涡列，若旋分离出的旋涡将交替脱落，向下游流动形成涡列，若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时引起结构涡激共振，即产生横向风振；涡脱落频率接近结构横向自振频率时引起结构涡激共振，即产生横向风振；（b）40Re3.0105（c）3.0105Re3.5106（d）Re3.5106Re3.5106：又呈现了有规律的旋涡脱落，若旋涡脱落频：又呈现了有规律的旋涡脱落，若旋涡脱落频率与结构自振频率接近，结构将发生强风共振。率与结构自振频率接近，结构将发生强风共振。3.

32、0105Re3.5106：尾流在分离后十分紊乱，出现比较：尾流在分离后十分紊乱，出现比较随机的旋涡脱落，没有明显的周期；随机的旋涡脱落，没有明显的周期；雷诺数雷诺数 Re= 圆筒式结构三个临界范围：圆筒式结构三个临界范围：根据气流漩涡脱落的三段现象而分根据气流漩涡脱落的三段现象而分跨临界范围跨临界范围： R Re e 3.5 3.5 10 106 6 强风共振强风共振超临界范围超临界范围： 3.03.0 10105 5 R Re e 3.5 3.5 10 106 6 呈随机性呈随机性亚临界范围亚临界范围： 3.03.0 10102 2 R Re e 3.0 3.0 10 105 5 微风共振微

33、风共振3.5 106跨临界跨临界3.0 105超临界超临界3.0 102亚临界亚临界工程设计时，对跨临界范围的横风向共振问题应特别注意。工程设计时，对跨临界范围的横风向共振问题应特别注意。塔科马海峡吊桥崩塌 美国国家航空航天局拍摄的智利海岸的卡门涡街 第四节第四节 顺风向结构风效应顺风向结构风效应222121gw一、顺风向平均风效应一、顺风向平均风效应1、风载体型系数（、风载体型系数（ s） 仅表征自由气流的风速因阻碍而完全停滞所产生的对障碍物仅表征自由气流的风速因阻碍而完全停滞所产生的对障碍物表面的压力表面的压力 实际风到达结构物表面并不能理想地使气流停滞，而是让气流以不同形实际风到达结构物

34、表面并不能理想地使气流停滞，而是让气流以不同形式在结构物表面绕过，因此上式需要修正，但伯努利方程仍成立。式在结构物表面绕过，因此上式需要修正，但伯努利方程仍成立。问题提出：结构物表面所受风压并不是由风速确定的风压。结构物表面所受风压并不是由风速确定的风压。处理方法：应以风荷载体型系数对基本风压进行修正。应以风荷载体型系数对基本风压进行修正。风荷载体型系数风作用在建筑物表面的不同部位将引风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数，起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数，它与建筑物的体型、尺度以及周围环境和地面粗糙度有关。它与建筑物的体型、尺度以

35、及周围环境和地面粗糙度有关。u风荷载体型系数的确定：采用相似原理，在边界层风洞内对采用相似原理，在边界层风洞内对建筑物模型进行测试。建筑物模型进行测试。 规范规范GB50009-2012GB50009-2012 给出了给出了3838项不同类型的建筑物和各类结构项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数体型及其体型系数 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用按表规定取用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，房屋和构筑物与表中的体

36、型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由宜由风洞试验确定风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定应由风洞试验确定。 风洞试验风洞试验-在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气大气紊流纵向分量紊流纵向分量 -建筑物长度尺寸具有相同的相似常数建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽建筑物的风洞尺寸：宽2 2 4m4m、高、高2 2 3m3m，长，长5 5 30m30m 模拟风剖面

37、模拟风剖面-要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似频谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少） 风洞试验模型分类风洞试验模型分类（1 1）刚性压力模型）刚性压力模型-主要量测建筑物表面的风压力（吸力）主要量测建筑物表面的风压力（吸力） 建筑模型材料：采用有机玻璃建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约建筑模型比例：约1 1：300300 1 1：500500 建筑模型本身

38、、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。模拟。 风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 。 风洞试验一次需持续风洞试验一次需持续60s60s左右，相应实际时间左右，相应实际时间1h1h（2 2）气动弹性模型）气动弹性模型 对高宽比大于对高宽比大于5 5，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几

39、何尺精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。（3 3）刚性高频力平衡模型）刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，模型尺寸较小，1 1：500500量级量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。产生的动力效应。 模拟结构刚度或高频力平衡系统模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆模拟结构刚度的基座杆 长约长约150mm150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等

40、合，可测倾覆力矩和扭矩等侧风面迎风面背风面侧风面+-建筑物表面风流示意 风压在房屋平面上的分布u建筑物周围气流流动及风压分布建筑物周围气流流动及风压分布 气流碰撞和分离，表面风压分布不均匀。迎风面产生压气流碰撞和分离，表面风压分布不均匀。迎风面产生压力，侧风面和背风面由于旋涡作用呈现吸力。迎风面中部的力，侧风面和背风面由于旋涡作用呈现吸力。迎风面中部的正压较大，侧风面和背风面角部的负压最大。正压较大，侧风面和背风面角部的负压最大。驻涡区停滞点旋涡区尾流区u单体建筑物立面流线单体建筑物立面流线 迎风面大约迎风面大约2/3高度处存在气流停滞点（正压最大）；紧高度处存在气流停滞点（正压最大）；紧靠地

41、面处形成水平滚动的驻涡区，建筑物的背风面，存在背靠地面处形成水平滚动的驻涡区，建筑物的背风面，存在背风涡旋区（背风面出现负压）；背风涡旋区以外是尾流风涡旋区（背风面出现负压）；背风涡旋区以外是尾流区。区。u单体建筑物平面流线单体建筑物平面流线 迎风转角处气流分离，建筑物背后存在一对近尾回流，迎风转角处气流分离，建筑物背后存在一对近尾回流，尾涡区的形状和近尾回流的分布取决于分离流线边缘的气流尾涡区的形状和近尾回流的分布取决于分离流线边缘的气流速度及结构物截面形状。速度及结构物截面形状。22220vppvpCiipiu风荷载体型系数的试验确定风压力系数：测得建筑物表面上任一点的净风压力，再将此测得

42、建筑物表面上任一点的净风压力，再将此压力除以建筑物前方来流风压，即得该测点的风压力系数。压力除以建筑物前方来流风压，即得该测点的风压力系数。式中式中 Cpi第第i测点风压力系数；测点风压力系数； p0i第第i测点净风压力；测点净风压力； pi第第i测点风压值；测点风压值； p上游远前方参考高度处静压上游远前方参考高度处静压力值；力值；V 参考高度平均风速，为参考高度平均风速，为10m高度处的，高度处的，也可采用建筑物顶部高度处的平均风速或梯度风高度处平均也可采用建筑物顶部高度处的平均风速或梯度风高度处平均风速，但需换算；风速，但需换算； 空气质量密度。空气质量密度。测点测点AACniipis1

43、风荷载体型系数：同一面上各测点的风压分布是不均匀的，风荷载体型系数：同一面上各测点的风压分布是不均匀的，通常采用面上各测点的加权平均风压系数，得到表面风荷载通常采用面上各测点的加权平均风压系数，得到表面风荷载体型系数。体型系数。式中式中 n测点数；测点数；Cpi建筑物某表面上第建筑物某表面上第i测点的风压系数；测点的风压系数；Aii测点所属的面积；测点所属的面积；A该面的全面积。该面的全面积。s15-0.603060+0.8+0.8-0.5-0.5s中间值按插入法计算+0.8-0.5-0.7-0.7示意：双坡屋面建筑的风载体型系数。正值代表风对示意：双坡屋面建筑的风载体型系数。正值代表风对结构

44、产生压力；负值代表风对结构产生吸力。结构产生压力；负值代表风对结构产生吸力。荷载规范荷载规范列出了结构物风荷载体型系数，当结构物列出了结构物风荷载体型系数，当结构物与表中的体型类同时可参考取用，若不符或重要且体型复与表中的体型类同时可参考取用，若不符或重要且体型复杂的结构物，应由风洞试验确定。杂的结构物，应由风洞试验确定。a150300600 s-0.60+0.8风载体型系数风载体型系数 s s【例例1 1】 封闭式双坡屋面：封闭式双坡屋面：迎风面、背风面、侧面、迎风屋面和背风屋面迎风面、背风面、侧面、迎风屋面和背风屋面【例例2 2】封闭式房屋和构筑物封闭式房屋和构筑物( (正多边形正多边形)

45、 )+0.8-0.5-0.5 s+0.8-0.5-0.7-0.7注：中间值按插入法计算注：中间值按插入法计算+0.8-0.5-0.7 -0.7a矩形平面高层建筑顺风向总体型系数矩形平面高层建筑顺风向总体型系数s=0.8+0.5=1.3正多边形平面高层建筑顺风向总体型系数正多边形平面高层建筑顺风向总体型系数s= n为多边形边数为多边形边数n2 . 17 . 0正值代表风对结构产生压力；负值代表风对结构产生吸力。正值代表风对结构产生压力；负值代表风对结构产生吸力。？ 当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋

46、某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。规范规范GB50009GB50009规定：将单独建筑物的体型系数规定：将单独建筑物的体型系数 s s 乘以相互干扰系乘以相互干扰系数数( (可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出) )以以考虑风力相互干扰的群体效应考虑风力相互干扰的群体效应。 ？ 风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风

47、压会超棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压过按表所得的平均风压规范规范GB50009GB50009规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为- -1.0 1.0 -2.2-2.2？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。规范规范GB50009GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外

48、表面风压的正负情况取面风压的正负情况取-0.2-0.2或或0.20.22 2、风压高度变化系数、风压高度变化系数 z z 地面的粗糙度、温度垂直梯度地面的粗糙度、温度垂直梯度 在大气边界层内，在大气边界层内，风速随离地面高度而增大风速随离地面高度而增大当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度和温度垂直梯度 通常认为在离地面高度为通常认为在离地面高度为300m 300m 500m 500m时，风速不再受地面粗糙度的影响，时，风速不再受地面粗糙度的影响，达到达到“梯度风速梯度风速”，该高度称为，该

49、高度称为梯度风高度梯度风高度H HG G 地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低。 GB50009 GB50009 地面的粗糙度类别地面的粗糙度类别 A A类类近海海面和海岛、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 B类类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C C类类有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区 D D类类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 地面粗糙度类别地面粗糙度类别 粗糙度指数粗糙度指数a

50、 a 梯度风高度梯度风高度HG 风压高度变化系数风压高度变化系数 z A类类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 风压高度变化系数风压高度变化系数 z (z)=任意粗糙度任意高度处的风压任意粗糙度任意高度处的风压wa(z)/标准粗糙度标准高度下的基本风压标准粗糙度标准高度下的基本风压w00)()(wzwzazaa 地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数a a

51、） 以拟建房以拟建房2km2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；导风； 以半圆影响范围内建筑物的平均高度以半圆影响范围内建筑物的平均高度h h平均平均来划分地面粗糙度类别来划分地面粗糙度类别，当，当h h平均平均 18m18m，为，为D D类，类，9m9m h h平均平均 18m18m为为C C类，类， h h平均平均 9m9m，为，为B B类。类。 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外

52、延影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；叠部分的高度取大者； 平均高度平均高度h h平均平均取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。3 3、平均风下结构的静力风载、平均风下结构的静力风载 w wz z= = s s z z(z) (z) w w0 0 一、风振系数 平均风以静力荷载反映，脉动风为随机动力荷载（结构物平均风以静力荷载反映，脉动风为随机动力荷载（结构物可能产生动力响应），目前采用静力计算方法，即将脉动风载可能产生动

53、力响应），目前采用静力计算方法，即将脉动风载转化为静力风载施加于结构物，按静力方法求解结构内力及侧转化为静力风载施加于结构物，按静力方法求解结构内力及侧移。移。u结构物风振的影响结构物风振的影响一般建筑（低层或多层）： 自振周期小于风压脉动的周期，可以不考虑风振影响。自振周期小于风压脉动的周期，可以不考虑风振影响。二、顺风向脉动风效应二、顺风向脉动风效应1、风振系数高耸构筑物和高层建筑等柔性结构： 荷载规范荷载规范规定：规定：（1）对于高度大于）对于高度大于30m且高宽比大于且高宽比大于1.5的房屋；的房屋；（2）基本自振周期）基本自振周期T1大于大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋的各种

54、高耸结构以及大跨度屋盖结构；盖结构； 均应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振。均应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振。 脉动风是一种随机动力作用，脉动风是一种随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。机振动理论进行分析。 对于一般高耸结构及高层建筑，对于一般高耸结构及高层建筑，第一振型起到控制作用，求出的风第一振型起到控制作用，求出的风压值上大下小，大致呈梯形分布，压值上大下小，大致呈梯形分布，均大于静风压力。均大于静风压力。10m10m10m10m10m10m10m10m10m10mwk10k9wwk9wk8wk6wk5wk4wk3wk2w

55、k1规范规范思路：思路：1.将梯形化为连续分布的矩形；将梯形化为连续分布的矩形；2.分段求风振系数，将效应放大。分段求风振系数，将效应放大。zzz1荷载规范荷载规范:结构在结构在z高度处的风振系数高度处的风振系数 z可按下式计算：可按下式计算：式中式中 脉动增大系数；脉动增大系数； 脉动影响系数；脉动影响系数； z振型系数；振型系数； z风压高度变化系数风压高度变化系数。理论分析表明：理论分析表明：对于一般悬臂型结构，例如框架、塔架、烟对于一般悬臂型结构，例如框架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于囱等高耸结构，以及高度大于30m，高宽比大于，高宽比大于1.5且可忽略扭且可忽略扭转影响的高柔建

56、筑，均可仅考虑结构第一振型影响，通过风振转影响的高柔建筑，均可仅考虑结构第一振型影响，通过风振系数来考虑风压脉动的影响。系数来考虑风压脉动的影响。3/422)1 (6/1xx210/30Twx 2、脉动增大系数由由随机振动理论导出（达文波特水平风速谱密度公式）：随机振动理论导出（达文波特水平风速谱密度公式）：式中式中 结构的阻尼比，对钢结构取结构的阻尼比，对钢结构取0.01，对有墙体材料，对有墙体材料填充的房屋钢结构取填充的房屋钢结构取0.02，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05； w0考虑当地地面粗糙度后的基本风压；考虑当地地面粗糙度后的基本风压； T1结构的

57、基本自振周期。结构的基本自振周期。w0T12 (kNs2/m2)0.010.020.040.060.000.600.801.002.004.006.008.0010.020.030.0钢结构1.471.571.691.771.831.882.042.242.362.462.532.803.093.283.423.543.914.14有填充墙的房屋钢结构1.261.321.391.441.471.501.611.731.811.881.932.102.302.432.522.602.853.01混凝土及砌体结构31.281.3

58、41.381.421.441.541.651.721.771.821.962.06注意：设计时可查表，计算注意：设计时可查表，计算w0T12时，对时，对B类地区直接代入基本类地区直接代入基本风压，对风压，对A类、类、C类和类和D类地区应按当地的基本风压分别乘以类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和和0.32后代入。后代入。3、结构振型系数 顺风向响应可仅考虑第一振型影响，采用近似公式或查表顺风向响应可仅考虑第一振型影响，采用近似公式或查表确定结构的第一振型系数。确定结构的第一振型系数。脉动增大系数脉动增大系数 44322346HzHzHzz7 . 0)(4tanHzzu高耸构筑物

59、（按弯曲型考虑）：高耸构筑物（按弯曲型考虑）：u以剪力墙的工作为主的高层建筑结构（按弯剪型考虑）：以剪力墙的工作为主的高层建筑结构（按弯剪型考虑）：u悬臂型高耸结构的截面沿高度按连续规律变化时，可根据结悬臂型高耸结构的截面沿高度按连续规律变化时，可根据结构迎风面顶部宽度构迎风面顶部宽度BH与底部宽度与底部宽度B0的比值，按表确定第的比值，按表确定第1振振型系数。型系数。截面沿高度规律变化的高耸结构第截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数振型系数相对高度z/H高耸结构BH/B01.020.020.010.010.010.20.060.060.050.040.

60、020.110.090.030.50.340.320.290.260.440.410.370.310.70.590.570.550.510.450.80.790.710.690.660.610.90.860.860.850.830.801.01.001.001.001.001.00H02zH0fddzzvzz4、脉动影响系数反映风压脉动相关性对结构的影响，由公式确定：反映风压脉动相关性对结构的影响，由公式确定：式中式中 z结构振型系数；结构振型系数； z风压高度变化系数；风压高度变化系数； H结构高度。结