建筑结构抗风设计53

266.1风灾及其其成因6.2风荷载计计算6.3结构顺风风向抗风风设计6.4结构横风向向风振计算算建筑结构抗抗风设计教学要求了解大气层层、风的分分类；了解风力等等级与风速速的关系；；掌握梯度风风高度的概概念；了解风致结结构破坏现现象；理解风压与与风速关系系的推导过过程；掌握风荷载载的计算原原理和计算算方法；了解结构顺顺风向设计计和横风向向风振。建筑结构抗抗风设计6266.1风灾及其成成因6.2风荷载计算算6.3结构顺风向向抗风设计计6.4结构横风向向风振计算算建筑结构抗抗风设计主要内容风及其产生生机理风致结构灾灾害6.1风灾及其成成因一.风及其产生生机理风是地球表表面的空气气运动，空空气从气压压大的地方方向气压小小的地方流流动，就形形成了风。。风是表示空空气水平运运动的物理理量，包括括风向和风速速，是个二维矢量。风的大小小用风力等等级来描述述(表6-1)。工程结构中中涉及到的的风主要有有两类：一类是大尺度风(温带及热带带气旋)；一类是小尺度的局局部强风(龙卷风、雷雷暴风、焚焚风、布布拉风及类类似喷气效效应的风等等)。6.1风灾及其成成因

风级海浪高（m）名称风速（米）*陆地物象海面波浪海岸渔船征象一般最高000无风0.0-0.2烟直上平静静10.10.1软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫寻常渔船略觉摇动20.20.3轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎渔船张帆随风移行2-3km/h30.61.0微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂觉簸动，随风移行2-3km/h41.01.5和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰满帆时倾于一方52.02.5劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群渔船缩帆63.04.0强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫渔船加倍缩帆74.05.5疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条渔船停息港中，在海者下锚85.57.5大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花近港渔船皆停留不出97.010.0烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷汽船航行困难109.012.5狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮汽船航行颇危险1111.516.0暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫汽船遇之极危险1214.0━飓风32.7-摧毁巨大海浪滔天海浪滔天表6－1风力等级表表*注：本表所所列风速是是指平地上上离地10米处的风速值值二.风致结构灾灾害MaterialsfromtheInternet:1940年美国Tacoma桥风毁国内外统计计资料表明明，在所有有自然灾害害中，风灾灾造成的损损失为各种种灾害之首首。输电塔倒塌塌桥梁破坏大跨结构破破坏高楼维护结结构破坏6.1风灾及其成成因工程结构在在大风作用用下，可能能发生以下下几种破坏坏情况：由于变形过大，隔墙开裂裂，甚至主主体结构遭遭到损坏；；由于长时间振动动，结构因材材料疲劳、、失稳而破破坏；装饰物和玻玻璃幕墙因因较大的局部风压而破坏；高楼不停地地大幅度摆动动，使居住者者感到不适适和不安。1965年英国冷却却塔被吹毁毁/images/towers2.jpg悬挑屋盖被被吹毁6.1风灾及其成成因266.1风灾及其成成因6.2风荷载计算算6.3结构顺风向向抗风设计计6.4结构横风向向风振计算算建筑结构抗抗风设计主要内容风速与风压压的关系结构上的平平均风荷载载时距取值重现期地貌的规定定离地面标准准高度风压高度变变化系数风荷载体型型系数风振系数高层建筑群群围护结构的的风荷载6.2风荷载计算算概述风压随风速速、风向的的紊乱变化化而不断地地改变。从风速记录录来看，各各次记录值值不重现，，波形是随随机的，风风力可看作作为各态历历经的平稳随机过过程输入。在风的顺风向风速曲线(如图所示的的风速记录录)中，包括两两部分：长周期部分分(10min以上的平均均风压)常称稳定风，其作用性性质相当于于静力作用，该作用将将使建筑物物发生侧移移；短周期部分分(只有几秒钟钟左右)，常称阵风脉动。其作用性性质是动力力的，引起起结构的振动（位移、速速度和加速速度），使使结构在平平均侧移的的附近左右右摇摆。6.2风荷载计算算风速与风压压的关系气流原先的压力强度为

wb产生最大压力wm建筑物受气流冲击的净压力wm-wb，即为所求的风压w

风压是在最大风风速时，垂垂直于风向向的平面上上所受到的的压力，单单位是kN/m2。6.2风荷载计算算结构上的平平均风荷载载建筑物的平平均风荷载载不仅取决决于来流速速度，而且且还与地面面粗糙度和和高度有关关，以及建建筑物的外外轮廓等。。我国荷载规规范把结构构上平均风压计算公式规定为为：式中----风荷载体型型系数；----风压高度变变化系数；；----基本风压（（kN/m2）。6.2风荷载计算算时距取值计算基本风风压的风速速，称为标准风速。我国现行行的荷载规规范规定为为：当地比比较空旷平平坦地面上上离地10m高，统计所得得的50年一遇，10min平均最大风风速v0（m/s）。平均风速的的数值与统统计时时距的取值有很很大关系。。根据大量风风速实测记记录的统计计分析，10min到1h时距内，平均风速速基本上可可以认为是是稳定值。。6.2风荷载计算算重现期我国规范采采用了50年一遇的年最大平平均风速来来考虑基本本风压的保保证率。重现期在概概率意义上上体现了结结构的安全全度，称之之为不超过过该值的保保证率。若若重现期用用T0（年）来表表示，则不不超过基本本最大风速速的概率为为：上式对于50年的重现期，其保证率为98.00%。

6.2风荷载计算算若实际结构构设计时所所取的重现现期与50年不同，则则基本风压压就要修正。为了能适适应不同的的设计条件件，风荷载载也可采用用与基本风风压不同的的重现期，，规范给出出了全国各各台站重现现期为10年、50年和100年的风压值值，其他重重现期R的相应值可可按下式确确定：对于对风荷荷载比较敏敏感的结构，考虑适当提提高其重现现期。6.2风荷载计算算地貌的规定定地表愈粗糙糙，能量消耗耗也愈厉害害，因而平均风速也也就愈低。由于地表表的不同，，影响着风风速的取值值，因此有有必要为平平均风速或或风压规定定一个共同同的标准。。目前风速仪仪大都安装装在气象台台，它一般般离开城市市中心一段段距离，且且一般周围围空旷平坦坦地区居多多，因而规规范规定标准风速或或风压是针针对一般空空旷平坦地地面的，海洋或城市市中心等不不同地貌除除了实测统统计外，也也可通过空空旷地区的的值换算求求得。6.2风荷载计算算离地面标准准高度风速是随高高度变化的的，离地面面愈近，由由于地面摩摩擦和建筑筑物等的阻阻挡而速度度愈小，在到达梯度度风高度后后趋于常值值，因而标准准高度的规规定对平均均风速有很很大的影响响。我国规范规规定，当风风速仪高度度与标准高高度10m相差过大时时，可按下下式换算为为标准高度度的风速：：式中：——风速仪在高高度处的观观察风速（（m/s）；——风速仪实际际高度（m）——空旷平坦地地区地面粗粗糙度指数数，取0.16。6.2风荷载计算算风压高度变变化系数平均风速沿沿高度的变变化规律，，常称为平均风速梯梯度。地表摩擦使使接近地表表的风速随随着离地面面高度的减减小而降低低，在离地地300～500米以上的地方方，风才不受受地表的影响响，达到梯度风速。开阔场地的风风速比在城市市中心更快地地达到梯度风风速，对于同同一高度处的的风速，在城城市中心处远远较开阔场地地为小。6.2风荷载计算平均风速沿高高度变化的规规律可用指数函数数来描述，即即：式中、——任一点的平均均风速和高度度；、——标准高度处的的平均风速和和高度，大部部分国家，标标准高度常取取10米；——地面的粗糙度度系数，地面面粗糙程度愈愈大，也愈愈大。通常采采用的系数如如下：表6－5地面粗糙度系系数

海面开阔平原森林或街道城市中心125～0.100167～0.1252503336.2风荷载计算因为风压与风风速的平方成成正比，因而而风压沿高度度的变化规律律是风速的平平方。设任意高度处处的风压与10米高度处的风风压之比为风风压高度变化化系数，则对于任意意地貌：其中：——任意高度处的的风压——10米高度处的风风压——空旷平坦地区区10米高度处的风风压——空旷平坦地区区10米高度处的风风压6.2风荷载计算由上式，可求求得任意地貌貌z高度处的风压压为：（6-11）对于空旷平坦坦的地貌，上上式变成：可根据该地区区风的实测资资料，按概率率统计方法求求得。缺少资资料时要根据据附近的气象象台站的风速速资料换算求求得。因为在同一大大气环流下，，不同地区上上空，在其梯梯度风高度处处的风速（风风压）应相同同，将规范建议议的取0.16，梯度风高度度取350米，得：6.2风荷载计算可得任意地区区10米高处的风压压:代入（6-11）式即得任意意高度处的风风压为为：此时的风压高度变化化系数为:6.2风荷载计算荷载规范将地地貌按粗糙度度分为A、B、C、D四类，取对应应的值。。取相应的梯梯度风高度可可求得得不同地区10米高处的实际际基本风压，，如下下表所示：地貌类别ABCDα0.120.160.220.30

（米）3003504004501.3790.6160.318表6－7各地貌下10米高处的实际际基本风压6.2风荷载计算规范规定，对对于山区的建建筑物，风压压高度变化系系数除由表6-5中地面粗糙度度系数确定外外，还应考虑虑地形条件的修修正系数。山顶B处为：：6.2风荷载计算式中----山顶或山坡在在迎风面一侧侧的坡度；当时时，，取；；----系数，对山峰峰取3.2，对山坡取1.4；H----山顶或山坡全全高（m）；----建筑物计算位位置离地面的的高度（m）；当时时，。。取A、C处的修正系数数、为为1，AB间和BC间的修正系数数按的的线性插值确确定。山间盆地、谷谷地等闭塞地地形；对于与风向一一致的谷口、、山口。。对于远海海面面和海岛的建建筑物或构筑筑物，还应按按离海岸的距距离修正。6.2风荷载计算风荷载体型系系数如下图所示，，不同的建筑筑物体型，在在同样的风速速条件下，平平均风压在建建筑物上的分分布是不同的的。建筑物表面风风压分布（现场实测）在正风面风力力作用下，迎迎风面一般均均受正压力。。此正压力在在迎风面的中中间偏上为最最大，两边及及底部最小。。荷载规范中迎迎风面的体型型系数常为0.8。6.2风荷载计算建筑物的背风风面全部承受受负压力（吸吸力），一般般两边略大、、中间小，整整个背面的负负压力分布比比较均匀。荷载规范中中背风面的体体型系数常为为-0.5。当风平行于建建筑物侧面时时，两侧一般也承承受吸力，一般近侧大大，远侧小。。分布也极不不均匀，前后后差别较大。。6.2风荷载计算由于风向风速速的随机性，，因而迎风面面正压、背风风面负压以及及两侧负压也也是随机变化化的。6.2风荷载计算模型上的表面面风压分布（（风洞试验））风压除了与建建筑物体型直直接有关外，，它还与建筑筑物的高度与宽度有关，一些资资料指出，随随着高宽比的的增大，也也增大。风荷载体型系系数表示了风风荷载在建筑筑物上的分布布，主要与建建筑物的体型型有关，并非非空气的动力力作用。对于于外型较复杂杂的特殊建筑筑物，必要时时应进行风洞洞模型试验。。6.2风荷载计算风振系数在随机脉动风风压作用下，，结构产生随机振动。结构除了顺风向风振响应外，，还有横风向风振响应。对对于非圆截面面，顺风向风风振响应占主主要地位。我我国荷载规范规定定：对于基本自自振周期T1大于0.25s的工程结构，，如房屋、屋屋盖及各种高高耸结构，如如塔架、桅杆杆、烟囱等，，以及高度大大于30m且高宽比大于于1.5的高柔房屋，，均应考虑风风压脉动对结结构发生顺风风向风振的影影响。6.2风荷载计算每一振型都对对风振力及响响应有所贡献献，但第一振型一般般起着决定性性的作用。荷载规范规规定，对于一一般悬臂型结结构，例如构构架、塔架、、烟囱等高耸耸结构，以及及高度大于30m，高宽比大于于1.5且可忽略扭转转影响的高层层建筑，均可可仅考虑第一振振型的影响。。6.2风荷载计算对于主要承重重结构，风荷荷载标准值的的表达可由两两种形式，其一为平均风风压加上由脉脉动风引起导导致结构风振振的等效风压压；另一种为为平均风压乘乘以风振系数数。由于在结构的的风振计算中中，一般往往往是第一振型型起主要作用用，因而我国国与大多数国国家相同，采采用后一种表表达方式，即即采用风振系系数，，即式中----风荷载标准值值（kN/m2）；----高度z处的风振系数数它综合考虑了了结构在风荷荷载作用下的的动力响应，，其中包括风速随时间、、空间的变异异性和结构的的阻尼特性等因素。6.2风荷载计算考虑空间相关关性的风振系系数简化后得得：6.2风荷载计算——峰值因子，取取2.5；——10m高度名义湍流流强度，对应应A、B、C和D类地面粗糙度度,分别取0.12、0.14、0.23和0.39；——脉动风荷载的的背景分量因因子——脉动风荷载的的共振分量因因子脉动风的共振振分量因子：：6.2风荷载计算——结构阻尼比———结构构的的第第一一自自振振频频率率———地面面粗粗糙糙度度系系数数，，对对A、B、C和D类分分别别取取1.28、1.0、0.54和0.26脉动动风风的的背背景景分分量量因因子子：：6.2风荷荷载载计计算算———系数数，，按按表表1-1取———结构构的的第第一一振振型型系系数数———结构构的的高高度度6.2风荷荷载载计计算算风振振系系数数确确定定后后，，结结构构的的风风振振响响应应可可按按静静荷荷载载作作用用下下进进行行计计算算。。高层层建建筑筑群群对于于多多个个建建筑筑物物特特别别是是群群集集的的高高层层建建筑筑，，当当相相互互间间距距较较近近时时，，由由于于旋旋涡涡的的相相互互干干扰扰，，所所受受的的风风力力要要复复杂杂和和不不利利得得多多，，房房屋屋某某些些部部位位的的局局部部风风压压会会显显著著增增大大，，此此时时宜宜考考虑虑风风力力相相互互干干扰扰的的群群体体效效应应。。一般般可可将将单单独独建建筑筑物物的的体体型型系系数数乘乘以以相相互互干干扰扰增增大大系系数数，该系系数数可可参参考考类类似似条条件件的的试试验验资资料料确确定定，，必必要要时时宜宜通通过过风风洞洞试试验验得得出出。。6.2风荷荷载载计计算算围护护结结构构的的风风荷荷载载对于于围围护护结结构构，，由由于于其其刚刚性性一一般般较较大大，，在在结结构构效效应应中中可可不不必必考考虑虑其其共共振振分分量量，，此此时时可可仅在在平平均均风风压压的的基基础础上上，，近近似似考考虑虑脉脉动动风风瞬瞬间间的的增增大大因因素素，通通过过阵阵风风系系数数来来计计算算其其风风荷荷载载。。参参考考了了国国外外规规范范的的取取值值水水平平，，阵阵风风系系数数按按下下述述公公式式确确定定：：6.2风荷荷载载计计算算266.1风灾及其其成因6.2风荷载计计算6.3结构顺风风向抗风风设计6.4结构横风风向风振振计算建筑结构构抗风设设计顺风向的的风力常常分为平均静风风力和脉脉动风力力，前者者作用于于受风面面积，后后者作用用于质量量中心。因此要使使风荷载载作用下下不产生生扭转，，应使刚刚度中心心与受风面积积中心、、质量中中心三心心一致。。抗风设计计都考虑虑在弹性范围围内，进行弹弹性计算算，不考考虑出现现塑性变变形的情情况。风荷载作作用下结结构的层间位移移、顶点点位移与与结构总总高度之之比值不得超过过下表中中的限值值。6.3结构顺风风向抗风风设计结构类型风荷载框架填充墙实心砖1/400（1/400）空心砖1/500（1/400）框剪1/600（1/400）剪力墙1/800（1/400）筒体1/700（1/400）结构类型风荷载框架填充墙实心砖1/450（1/500）空心砖1/500（1/500）框剪1/800（1/500）剪力墙1/1000（1/500）筒体1/900（1/500）层间位移移Δμ/H限值顶点位移移μ/H限值注：括弧弧外数字字用于钢钢筋混凝凝土结构构，括弧弧内数字字用于钢钢结构。钢筋混凝凝土结构构由于易易开裂，，要乘以以刚度折折减系数数。6.3结构顺风风向抗风风设计加速度限限值：风荷载振振幅和频频率到达达某一关关系时，，人体会会产生不不舒服感感。通常对弯曲振动动，以加速度为度量指指标，扭转振动动以角速度为度量指指标，下表是是国内外外有关规规范的建建议值。。振动类型弯曲振动加速度（m/s2）扭转振动角速度（rad/s）旅馆、公寓办公楼限值0.20.30.0016.3结构顺风风向抗风风设计266.1风灾及其其成因6.2风荷载计计算6.3结构顺风风向抗风风设计6.4结构横风风向风振振计算建筑结构构抗风设设计作用在结结构上的的风力一一般可表表示为顺风向风风力、横横风向风风力和扭扭风力矩矩，如下图图。在一一般情况况下，不不对称气气流产生生的风力力矩一般般不大，，工程设设计时可可不考虑虑，但对对有较大大不对称称或较大大偏心的的结构，，应考虑虑风力矩矩的影响响。结构上的的风力6.4结构横风风向风振振计算结构在顺风向风风力、横横风向风风力和扭扭风力矩矩作用下，，可以发发生以下下三种类类型的振振动。顺风向弯弯剪振动动或弯扭扭耦合振振动当无偏心心力矩时时，在顺顺风向风风力作用用下，结结构将产产生顺风风向的振振动，对对高层结结构来说说，一般般可为弯弯曲型（（剪力墙墙结构）），也有有剪切型型（框架架结构））和弯剪剪型（框框剪结构构）。当有偏心心力矩时时，将产产生顺风风向和扭扭矩方向向的弯扭扭耦合振振动；当当抗侧力力结构布布置不与与x、y轴一致,而严重不不对称时时，还可可产生顺顺、横、、扭三向向的弯曲曲耦合振振动。6.4结构横风风向风振振计算横风向风风力下涡涡流脱落落振动当风吹向向结构，，可在结结构周围围产生旋旋涡，当当旋涡脱脱落不对对称时，，可在横横风向产产生横风风向风力力，所以横风风向振动动在任意意风力情情况下都都能发生生涡激振振动现象象。在抗风风计算时时，除了了必须注注意第一一类振动动外，还还必须同同时考虑虑第二类类振动现现象。特特别是，，当旋涡涡脱落频频率接近近结构某某一自振振频率时时，可产产生共振振现象，，即使在在考虑阻阻尼存在在的情况况下，仍仍将产生生比横向向风力大大十倍甚甚至几十十倍的效效应，必必须予以以高度重重视。6.4结构横风风向风振振计算空气动力力失稳（（驰振、、颤振））结构在顺顺风向和和横风向向风力甚甚至风扭扭力矩作作用下，，当有微微小风力力攻角时时，在某某种截面面形式下下，这些些风力可可以产生生负号阻尼尼效应的的力。如果结结构阻尼尼力小于于这些力力，则结结构将处处在总体体负阻尼尼效应中中，振动动将不能能随着时时间增长长而逐渐渐衰减，，却反而而不断增增长，从从而导致致结构破破坏。这这时的起起点风速速称为临临界风速速，这种振振动犹犹如压压杆失失稳一一样，，但受受到的的不是是轴心心压力力，而而是风风力，，所以以常称称为空空气动动力失失稳，，在风风工程程中，，通常常称为为弛振（弯或或扭受受力））或颤振（弯扭扭耦合合受力力）。空气气动力力失稳稳在工工程上上视为为是必必须避避免发发生的的一类类振动动现象象。6.4结构横横风向向风振振计算算在空气气流动动中，，对流流体质质点起起着主主要作作用的的是两两种力力：惯性力力和粘性力力。根据据牛顿顿第二二定律律，作作用在在流体体上的的惯性性力为为单位位面积积上的的压力力乘乘以以面积积。粘粘性力力是流流体抵抵抗变变形能能力的的力，，它等等于粘粘性应应力乘乘以面面积。。代表表抵抗抗变形形能力力大小小的这这种流流体性性质称称为粘粘性。。工程科科学家家雷诺诺在十十九世世纪末末期，，通过过大量量实验验，首首先给给出了了惯性性力与与粘性性力之之比，，以后后被命命名为为雷诺数数。只只要雷雷诺数数相同同，动动力学学便相相似，这样样，通通过风风洞实实验便便可预预言真真实结结构所所要承承受的的力。。雷诺诺数（（Reynoldsnumber）为:式中称为动动粘性性。空空气的的雷诺诺数很很大，，粘性性力的的影响响很小小。6.4结构横横风向向风振振计算算横风向向