第四章风荷载

工程荷载与可靠度设计原理第四章风荷载第四章风荷载

本章内容提要

风速与风压的关系、基本风压的定义和基本风压取值原则;

地面粗糙度对风压的影响、平均风压沿高度变化的规律以及风压高度变化系数的确定方法；风流经建筑物表面时的气流分布状况和建筑物体型对风压分布影响；

结构顺风向风振(和横风向风振)产生的原因及结构抗风振设计方法；风对桥梁的静力作用和动力作用以及对于大跨度桥梁结构必须考虑结构的风致振动的机理；桥梁静力风荷载计算。

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，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。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。

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，还会引起多种类型的振动效应。第四章风荷载

第一节风的基本知识一、风的形成第四章风荷载

第一节风的基本知识二、两类性质的大风

1.台风台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在暖热带洋面上空，在合适的环境下，气流产生上升和对流运动。

2.季风由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风。第四章风荷载

第一节风的基本知识三、风级

为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度将风划为若干等级。风力等级（windscale）简称风级，是风强度的一种表示方法。

国际通用的风力等级是由英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的，故又称蒲福风力等级(Beaufortscale)。

由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分等级，最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小，分为13个等级（0～12级）。

后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由12级台风扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。表4.1蒲福风力等级表风力等级名称海面状况浪高/m海岸渔船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速一般最高km/hmile/hm/s0静风——静,烟直上平静<1<10.0-0.21软风0.10.1烟示风向微波峰无飞沫1-51-30.3-1.52轻风0.20.3感觉有风小波峰未破碎6-114-61.6-3.33微风0.61.0旌旗展开小波峰顶破裂12-197-103.4-5.44和风1.01.5吹起尘土小浪白沫波峰20-2811-165.5-7.95清劲风2.02.5小树摇摆中浪折沫峰群29-3817-218.0-10.76强风3.04.0电线有声大浪白沫离峰39-4922-2710.8-13.87疾风4.05.5步行困难破峰白沫成条50-6128-3313.9-17.18大风5.57.5折毁树枝浪长高有浪花62-7434-4017.2-20.79烈风7.010.0小损房屋浪峰倒卷75-8841-4720.8-24.410狂风9.012.5拔起树木海浪翻滚咆哮89-10248-5524.5-28.411暴风11.516.5损毁重大波峰全呈飞沫103-11756-6328.5-32.612飓风14.0—摧毁极大海浪滔天118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2四、风的破坏作用第四章风荷载

第一节风的基本知识

当风速和风力超过一定限度时，就会给人类社会带来巨大灾害。2005年8月23日，卡特里娜飓风在在美国新奥尔良以西地区登陆，登陆时风速达到225km/h（64.4m／s）。第四章风荷载

第一节风的基本知识

2007年8月2日13级强暴风雨突袭上海国际赛车场，钢构架看台倒塌。第四章风荷载

第一节风的基本知识第四章风荷载

第一节风的基本知识第四章风荷载

第一节风的基本知识第四章风荷载

第一节风的基本知识第四章风荷载

第一节风的基本知识台风“海燕”造成的房屋破坏第四章风荷载

第一节风的基本知识

英国Ferrybridge电站有8座冷却塔，每座高116m，直径93m，其中3座在1965年11月1日由于塔群尾流相互干扰风毁。第四章风荷载

第一节风的基本知识

美国华盛顿州Tacoma大桥毁于风振，该桥为跨度853m悬索桥，1940年在建成后不到4个月，在风速19m/s的大风中，由于振颤而风力失稳。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压一、基本风速基本风速按以下规定的条件定义：(1)风速高度：风速随高度而变化，离地表越近摩擦力越大，因而风速越小。《荷载规范》对房屋建筑取为距地面10m为标准高度；《公路桥规》对桥梁工程取为距地面20m为标准高度。(2)地形地貌:同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关，地面粗糙程度高，风能消耗多、风速则低。测定风速处的地貌要求空旷平坦，应远离城市，城市中心地区房屋密集对风的阻碍及摩擦均大。

风的强度常用风速表示，各气象台站记录下的多为风速资料。确定作用于工程结构上的风荷载时，必须依据当地风速资料确定基本风压。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压机械风速仪第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压机械风速仪第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压超声波风速仪电子叶轮式风速仪第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压（3）测量时距

风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。风速记录表明，10min的平均风速已趋于稳定。（4）风速样本

由于气候的重复性，风有着它的自然周期，我国和世界上绝大多数国家一样，取年最大风速记录值为统计样本。

第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压（5）重现期:取年最大风速为样本可获得各年的最大风速，每年的最大风速值是不同的，为一随机变量。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遭遇到的最大的风速。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。

设重现期为T0年，则1/T0为超过设计最大风速的概率，因为不超过该设计最大风速的概率或保证率p0应为：

我国荷载规范规定：对一般结构，重现期取50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100年。桥梁工程结构重现期可取100年。重现期通常俗称为T0年一遇。(4.1)第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压二、基本风压式中w——单位面积上的风压力（kN/m2）；r——空气密度（t/m3）；g——空气单位体积重力（kN/m3）；g——重力加速度（m/s2）；v——风速（m/s）。基本风压：求出空旷平坦的地面、离地面10m高处、经统计所得的50年一遇的10min平均最大风速；再由风压和风速的关系式，算出自由气流的风速产生的风压力：(4.2)第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压在标准大气压情况下：g=0.012018kN/m3,g=9.80m/s2,可得：《荷载规范》给出了全国各城市50年一遇的风压值。

在不同的地理位置，大气条件是不同的，g和g值也不相同。重力加速度g不仅随高度变化，而且与纬度有关；空气重度g是气压、气温和温度的函数。因此，各地的g/2g的值均不相同，沿海地区的上海该值约为1/1740；内陆地区随高度增加而减小，高原地区的拉萨该值约为1/2600。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压三、风速或风压的换算

基本风压是按照规定的标准条件得到的，在分析当地风速资料时，往往会遇到实测风速的高度、时距、重现期不符合标准条件的情况，因而必须将非标准条件下实测风速资料换算为标准条件下的风速资料，再进行分析。实测风速高度（m）468101214161820高度换算系数1.1581.0851.0361.0000.9710.9480.9280.9100.895（一）不同高度换算当实测风速高度不是10m标准高度时式中V——标准条件10m高度处时距为10分钟的平均风速（m/s）；Vz——非标准条件z高度（m）处时距为10分钟的平均风速（m/s）；a——换算系数，按下表取值。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压实测风速时距60min10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时时距换算系数0.9401.001.071.161.201.261.281.351.391.50（二）不同时距换算当风速记录时距不等于10min时式中V——时距10分钟的平均风速（m/s）；Vt——时距为t的平均风速（m/s）；b——换算系数，按下表取值。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压重现期（年）1006050403020105重现期换算系数1.101.031.000.970.930.870.770.66（三）不同重现期换算重现期为T年时的基本风压与重现期为50年的基本风压的关系为：式中W0——重现期为50年的基本风压（kN/m2）；WT——重现期为T年时的基本风压（kN/m2）；g——换算系数，按下表取值。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压四、山区的基本风压

山区地势起伏多变，对风速影响较为显著，山区基本风压与邻近平坦地区的基本风压有所不同，山区风速有如下特点：

（1）山间盆地、谷地等闭塞地形，由于四周高山对风的屏障作用，一般比空旷平坦地面风速减小10～25%，相应风压要减小20～40%。山间盆地、谷地等闭塞地形第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压

（2）谷口、山口等开敞地形，当风向与谷口或山口趋于一致时，气流由开敞区流入两边为高山的狭窄区，流区压缩，风速必然增大；风速比一般空旷平坦地面增大10～20%。

（3）山顶、山坡等尖孤地形，由于风速随高度增加和气流越过山峰时的抬升作用，山顶和山坡的风速比山麓要大。谷口、山口等开敞地形山顶、山坡等孤尖地形山区建筑物可根据不同地形条件给出风荷载地形修正系数，一般情况下山区的基本风压可按相邻平坦地区基本风压乘以下列修正系数后采用：

（1）对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数按下述公式计算：

(4.3)式中——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当时，取；——系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；H——山顶或山坡全高（m）；z——建筑物计算位置离建筑物地面的高度（m）；当z>2.5H时，取z=2.5H。图4.5山峰和山坡示意图对于山坡和山峰的其他部位，可按下图所示，取A、C处的修正系数、为1，AB间和BC间的修正系数按线性插值确定。第四章风荷载

第二节基本风速和基本风压

风对海面的摩擦力小于对陆地的摩擦力，所以海上风速比陆地要大。沿海地带存在一定的海陆温差，促使空气对流，使海边风速增大。基于上述原因，远海海面和海岛的基本风压值大于陆地平坦地区的基本风压值，并随海面或海岛距海岸距离的增大而增大。可得不同出海距离下，对应的海陆风速比值，即远海海面和海岛基本风压修正系数，见下表。

五、远海海面和海岛基本风压

距海岸距离（km）<4040～6060～100修正系数1.01.0～1.11.1～1.2第四章风荷载

第三节风压高度变化系数地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力，靠近地面的气流速度减慢，该阻力对气流的作用随高度增加而减弱，只有在离地表300～500m以上的高度，风才不受地表粗糙层的影响能够以梯度风速度流动，梯度风速度流动的起点高度称为梯度风高度，又称大气边界层高度，用HT表示。不同地表粗糙度有不同的梯度风高度，地面粗糙度小，风速变化快，梯度风高度比地面粗糙度大的地区低；反之，地面粗糙度越大，梯度风高度将越高。第四章风荷载

第三节风压高度变化系数图4.6不同粗糙度下的平均风剖面第四章风荷载

第三节风压高度变化系数式中v——任一高度z处平均风速；

v0——标准高度处平均风速；

z——离地面任一高度（m）；

z0——离地面标准高度；

a——与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙程度越大，该指数越大。

根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：

(4.4)第四章风荷载

第三节风压高度变化系数整理式（4.5），并将标准高度z0=10m代入，得：由式（4.2）知风压与风速的平方成正比，再将上式（4.4）代入得：式中wa(z)——任一地貌高度z处风压；

w0a——任一地貌标准高度处风压。(4.5)(4.6)第四章风荷载

第三节风压高度变化系数设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为a0，基本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风高度处风压相等的条件，由(4.6)式可导出：(4.7)(4.8)将(4.8)代入(4.6)式，得任一地貌条件下，高度z处风压：(4.9)上式中是任意地貌下风压高度变化系数，应按地面粗糙度指数和假定的梯度风高度HT确定，并随离地面高度z而变化。第四章风荷载

第三节风压高度变化系数A类：指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区我国规范将地貌分成A，B，C，D四类B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区——标准地貌第四章风荷载

第三节风压高度变化系数C类：指有密集建筑群的城市市区第四章风荷载

第三节风压高度变化系数D类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区第四章风荷载

第三节风压高度变化系数第四章风荷载

第三节风压高度变化系数

将以上数据代入的表达式（4.9），可得A、B、C、D四类风压高度变化系数：

根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数，如表4.6所示。表4.6风压高度变化系数μz离地面或海平面高度/m地面粗糙度类别ABCD51.091.000.650.51101.281.000.650.51151.421.130.650.51201.521.230.740.51301.671.390.880.51401.791.521.000.60501.891.621.100.69601.971.711.200.77702.051.791.280.84802.121.871.360.91902.181.931.430.981002.232.001.501.04续表4.6风压高度变化系数μz离地面或海平面高度/m地面粗糙度类别ABCD1002.232.001.501.041502.462.251.791.332002.642.462.031.582502.782.632.241.813002.912.772.432.023502.912.912.602.224002.912.913.762.404502.912.912.912.585002.912.912.912.74≥5502.912.912.912.91第四章风荷载

第四节风荷载体型系数一、风载体型系数问题提出：自由气流并不能理想地停滞在建筑物表面，而是以不同途径从建筑物表面绕过。结构物表面不同部位所受风压不同，而且并不是由风速确定的风压。在风的作用下，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。迎风面的风压力在房屋中部最大，侧风面和背风面的风吸力在建筑物角部最大（上图）。第四章风荷载

第四节风荷载体型系数一、风载体型系数处理方法：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,将引起不同部位不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数，主要与建筑物的体型、尺寸有关。风荷载体型系数一般均通过风洞试验方法确定。第四章风荷载

第四节风荷载体型系数风洞试验设施直流式风洞

回流式风洞第四章风荷载

第四节风荷载体型系数风洞试验第四章风荷载

第四节风荷载体型系数建筑物模型第四章风荷载

第四节风荷载体型系数桥梁模型第四章风荷载

第四节风荷载体型系数冷却塔模型第四章风荷载

第四节风荷载体型系数建筑模型风洞试验第四章风荷载

第四节风荷载体型系数示意：双坡屋面建筑的风载体型系数。正值代表风对结构产生压力；负值代表风对结构产生吸力。根据国内外风洞试验资料，《荷载规范》列出了不同类型的建筑物和构筑物风荷载体型系数（老书p201，新书未给出），当结构物与表中列出的体型类同时可参考取用，若结构物的体型与表中不符，一般应由风洞试验确定。第四章风荷载

第四节风荷载体型系数二、群体风压体型系数

当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于尾流作用引起风压相互干扰，而对建筑物产生动力增大效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。1965年英国渡桥电厂的2排8个冷却塔的后排3个塔在风速不太大的情况下发生倒塌第四章风荷载

第四节风荷载体型系数解决方法：（1）可将单体建筑物的体型系数乘以相互干扰系数。相互干扰系数定义为受扰后的结构风荷载和单体结构风荷载的比值。（在1.0~1.2之间选）

（2）群体建筑物、构筑物设计布置上，拉开距离，避免尾流作用引起风压相互干扰.第四章风荷载

第四节风荷载体型系数三、局部风压体型系数问题提出：风载体型系数是整个受风面的风压平均值，不适用于局部范围的风压，如建筑转角处和檐口、阳台等部位。处理方法：计算局部围护构件及其连接的承载力时采用局部风压体型系数。第四章风荷载

第五节顺风向风振水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压沿表面积分可求出作用在结构上的风力，结构上的风力可分为:

（1）顺风向风力;（2）横风向风力;（3）风扭力矩。一般情况下，不对称气流产生的风扭力矩数值很小，工程上可不予考虑，仅当结构有较大偏心时，才计及风扭力矩的影响。

顺风向风力和横风向风力是结构设计主要考虑对象。第四章风荷载

第五节顺风向风振一、风振系数结构顺向的风作用可分解为平均风和脉动风：平均风的作用可通过基压风压反映。脉动风是一种随机动力荷载，风压脉动在高频段的峰值周期约为1～2min，一般低层和多层结构的自振周期都小于它，因此脉动影响很小。

对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构，风压脉动引起的动力反应明显，结构的风振影响必须考虑。《规范》要求：（1）结构基本自振周期T1大于0.25s高耸结构；（2）高度大于30m，且高宽比H/B大于1.5的高柔房屋；均应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振。第四章风荷载

第五节顺风向风振

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机振动理论进行分析。

分析结果表明，对于一般高耸结构，以及高层建筑，第一振型起到控制作用，求得风压值上大下小，大致呈梯形分布，均大于静风压力。《规范》思路：

（1）将梯形化为连续分布的矩形；（2）分段求出风振系数，将效应放大。第四章风荷载

第五节顺风向风振式中g——峰值因子，可取2.5；I10——10m高名义湍流强度，对应A、B、C和D类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23和0.39；R——脉动风荷载的共振分量因子；Bz

——脉动风荷载的背景分量因子。

由于一般高耸结构，以及高层建筑，第一振型起到控制作用，因此，可以仅考虑结构第一振型影响，通过风振系数来计算结构的风荷载。结构在z高度处的风振系数可按下式计算：

第四章风荷载

第五节顺风向风振二、结构基本周期经验公式

在考虑风压脉动引起的风振效应时，常常需要计算结构的基本周期。结构的自振周期应按照结构动力学的方法求解，无限自由度体系或多自由度体系基本周期的计算十分冗繁。在实际工程中，结构基本自振周期T1常采用实测基础上回归得到的经验公式近似求出。1.高耸结构

一般钢结构和钢筋混凝土结构：（4.24）

式中H——结构物总高。钢结构刚度小，结构自振周期长，可取高值；钢筋混凝土结构刚度相对较大，结构自振周期短，可取低值。

2.高层建筑钢结构（4.25）钢筋混凝土结构（4.26）式中n——建筑层数。钢筋混凝土框架和框剪结构可按下述公式确定：(4.27)

钢筋混凝土剪力墙结构可按下述公式确定：(4.28)

式中H——房屋总高度（m）；B——房屋宽度（m）。第四章风荷载

第五节顺风向风振第四章风荷载

第五节顺风向风振

三、阵风系数

对于围护结构,可不考虑风振影响，但应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数βgz：式中g——峰值因子，可取2.5；I10——10m高名义湍流强度，对应A、B、C和D类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23和0.39。第四章风荷载

第五节顺风向风振

阵风系数βgz也可根据不同粗糙度类别和计算位置离地面高度按表4.10采用。表4.10阵风系数βgz离地面高度/m地面粗糙度类别离地面高度/m地面粗糙度类别ABCDABCD51.651.702.052.401001.461.501.691.98101.601.702.052.401501.431.471.631.87151.571.662.052.402001.421.451.591.79201.551.631.992.402501.411.431.571.74301.531.591.902.403001.401.421.541.70401.511.571.852.293501.401.411.531.67501.491.551.812.204001.401.411.511.64601.481.541.782.144501.401.411.501.62701.481.521.752.095001.401.411.501.60801.471.511.732.045501.401.411.501.59901.461.501.712.01第四章风荷载

第五节顺风向风振四、顺风向风荷载标准值

按基本风压w0、风压高度变化系数mz、风荷载体型系数ms、风振系数bz、阵风系数bgz和局部风压体型系数ms1即可计算垂直于建筑物表面上的顺风向荷载标准值。（1）当计算主要承重结构时，风荷载标准值为：（2）当计算围护结构时，风荷载标准值为：（4.30）（4.31）第四章风荷载

第五节顺风向风振框架剪力墙结构，H=100m，B=45m；w0=0.55kN/m2，C类；wk=？底部弯矩M=？1、风荷载体型系数ms查老书附录四：项次2（p201）：矩形（新书p71图4.16）ms=0.8+0.5=1.3例题（课本p55（新p78））2、风压高度变化系数mz第四章风荷载

第五节顺风向风振具体数值列于下表4.11（新p79）（旧表4.13（p55））将房屋分成每段10m的10个区段，查表4.5（p47）（新表4.6（p68））可得各区段中点处的风压高度变化系数:表4.11脉动风荷载的背景分量因子Bz计算位置离地高度zi/m5152535455565758595风压高度变化系数μz0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47振型系数φ1(z)0.0970.2110.3070.3960.4820.5680.6570.7480.8440.946系数k0.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.295系数α10.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.261脉动风载水平相关系数ρx0.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.292脉动风载竖向相关系数ρz0.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.716脉动风载共振分量因子Bz0.0310.0670.0780.0870.0950.1020.1100.1180.1250.133第四章风荷载

第五节顺风向风振第四章风荷载

第五节顺风向风振3、风振系数bz风振系数bz按下式（4.15（新p73））确定，各区段中点位置处的风振系数计算结果列于下表4.12中。（4.15）表4.12各区段中点位置处的风振系数βz计算位置离地高度zi(m)5152535455565758595风振系数βz1.051.111.131.141.161.171.181.201.211.224、各区段中点处风荷载标准值wk第四章风荷载

第五节顺风向风振表4.13各区段中点高度处风荷载标准值（kN/m2）计算位置离地高度zi(m)5152535455565758595风载体型系数μs1.301.301.301.301.301.301.301.301.301.30风压高度变化系数μz0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47风振系数βz1.051.111.131.141.161.171.181.201.211.22基本风压值w0/kN/m20.550.550.550.550.550.550.550.550.550.55风荷载标准值wki0.490.520.650.770.870.961.051.131.211.28第四章风荷载

第五节顺风向风振

5、基底弯矩计算风荷载引起的基底弯矩，可由右图所示计算简图求出：第四章风荷载

第六节横风向风振横风向风振高层建筑、高耸塔架、烟囱等结构物——横风向风作用引起的结构共振会产生很大的动力效应，甚至对设计起着控制作用。由于时间关系：略第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

一、风对桥梁结构的作用

风荷载是桥梁结构的重要设计荷载，尤其是对于大跨径的斜拉桥和悬索桥，风荷载往往起着决定性作用。风对桥梁结构的作用，可分为不随时间变化的平均风所引起的静力作用和随时间变化的脉动风引起的动力作用两大类。对于大跨桥梁还必须考虑结构风致振动。

（一）风的静力作用

在平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，可将其视为静力风荷载。静力风荷载采用三分力来描述：

升力荷载：气流流经桥梁时，截面表面的风压分布存在差别，上下表面压强差就是桥梁所受的升力荷载；

横风向力：迎风前后表面压强差则是桥梁所受的风阻力荷载，即通常所说的横风向力；

扭矩：当升力与阻力的合力作用点与桥梁截面的形心不一致时，还会产生对形心的扭矩。桥梁风荷载包含升力FV、阻力FH与扭矩MT三个分量，在体轴坐标系下的三分力如下图所示。风荷载在体轴坐标系下的三分力第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

因此，整个截面的风荷载包含升力FV、阻力FH与扭矩MT三个分量，有时（例如风洞试验）需要定义风轴坐标系来分析问题，此时三分力依次定义为升力FL、阻力FD和扭矩MT，如下图所示。

风荷载在风轴坐标系下的三分力

第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

引入无量纲的静力三分力系数，在体轴坐标系下静力风荷载可以表示为：

阻力

(4.45)

升力

(4.46)

扭矩

(4.47)

式中：U——上游来流平均风速；CH、CV、CM——体轴坐标阻力系数、升力系数与扭矩系数；D、B——桥梁截面的高度与宽度。

类似体轴坐标系下静力风荷载的表达式，风轴坐标系下同样可以定义阻力FD、升力FL、和扭矩MT，并相应存在阻力系数CD、升力系数CL与扭矩系数CM。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

(二)风的动力作用

对于大跨度桥梁结构，除了考虑风的静力作用外，还必须考虑结构风致振动。桥梁作为空间结构，振动现象十分复杂，其动力反应是多种因素共同作用的结果。

桥梁风致振动大致可分为两大类：

一类是在风的作用下，由于结构振动对空气力的反馈作用，产生一种自激振动机制，如颤振和驰振达到临界状态时，将出现危险的发散振动，即桥梁振幅不断增大，振动不断加剧；

另一类是在脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，称为抖振。涡激振动（涡振）虽带有自激的性质，但也是限幅振动，因而具有双重特性。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

自激振动是指桥梁在风力的作用下，与流动的气流相互激励而形成的振动，振动结构可以不断从气流中获得能量，以抵消结构本身阻尼对振动的衰减作用，使振幅不断加大，将导致桥梁风毁。

颤振

当风横向吹过桥梁，桥面板端口部位置于风口上，桥面板会产生上下运动和扭转运动，竖向振动和扭转振动相耦合时，引起结构的发散振动称为颤振。颤振是一种空气动力失稳现象，易于在柔性平板中出现，美国塔科玛桥风致破坏就是一种典型的由颤振不稳定引发的事故。

驰振

桥梁在横向风作用下，在垂直于气流方向会产生大振幅弯曲振动，称为驰振。驰振一旦发生便成为剧烈振动，实际上也是一种空气动力失稳现象。自激发散振动对桥梁危害最大。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载美国塔科玛桥风致破坏就是一种由颤振引发的事故第四章风荷载

第七节桥梁风荷载第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

涡振

涡激振动是由于气流绕过物体时，物体尾流中产生交替脱落的旋涡，从而出现周期性的涡激力。涡激振动虽然也带有自激性质，但它和颤振和驰振的发散性振动不同，其振动响应是一种限幅振动。

抖振

当一个结构物处于另一个结构物的涡列之中，大气紊流成份会激发出不规则的强迫振动，称为抖振。抖振发生时的风速低，频度大，会对杆件接头、支座连接造成疲劳破坏，过大的抖振还会引起桥上人员不适，影响正常使用。涡振和抖振均属限幅振动可在低风速下发生，不具备破坏性，通常可通过构造措施解决。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载上海杨浦大桥缆索涡振

和风雨振使得索套破坏九江长江大桥钢拱吊杆发生涡激共振第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

洞庭湖大桥拉索风雨振动控制装置第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

综合上述桥梁结构的风力作用及风致振动类型，下表列出了风对桥梁作用的具体分类。分类现象作用机制静力作用静风载引起的内力和变形平均风的静风压产生阻力、升力和扭转力矩作用静力不稳定扭转发散静（扭转）力矩作用横向屈曲静阻力作用动力作用抖振（紊流风响应）限幅振动紊流风作用自激振动涡振漩涡脱落引起的涡激力作用驰振单自由度发散振动自激力的气动负阻尼效应－阻尼振动扭转颤振古典耦合振动二自由度自激力的气动刚度驱动第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

二、风致静力失稳

在静力风荷载作用下，大跨度桥梁有可能发生因气动力矩过大而引起扭转发散，或因风阻力荷载过大而导致横向屈曲的静力失稳现象。以扭转发散为例，主梁在风力作用下会产生气动扭矩并发生扭转，主梁的扭转使得主梁在风场中的有效攻角增大，如果主梁的扭转力系数随风攻角增大而增大，此时对应的主梁气动扭矩也随之增大。在某一临界风速时，桥梁出现不稳定的扭转发散现象。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

三、静力风荷载计算

作用于桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要计算对象。当计算桥梁的强度和稳定时，《公路桥规》给出了横向及纵向风力的计算方法。

（一）横向风力（横桥方向）

横桥方向风力等于横向风压乘以迎风面积，按下式确定：

(4.54)

(4.54a)

Fwh

:横桥向风荷载标准值（kN）;Wd:设计基准风压（kN/m2）Awh：横向迎风面积（m2），按桥跨结构各部分的实际尺寸计算Vd

：高度z处的设计基准风速（m/s）；

：空气重力密度（kN/m3）第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

(4.54)

(4.54b)

V10——桥梁所在地区的设计基本风速（m/s）；Z——距地面或水面的高度（m）；g——重力加速度，g=9.81m/s2；k0——设计风速重现期换算系数；k1——风载阻力系数；k2——考虑地面粗糙度和梯度风风速高度变化修正系数；k3——地形、地理条件系数；k5——阵风风速系数。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载

1、基本风速V10

基本风速系按平坦空旷地面，离地面10m高，重现期为100年10min平均最大风速计算确定，当桥梁所在地区缺乏风速观测资料时，V10可参照《公路桥规》附录A“全国基本风速图及全国各气象台站基本风速和基本风压值”的有关数据，并通过实地调查核实后采用。

2、设计风速重现期换算系数k0

《公路桥规》中的基本风速值是按照设计风速重现期为100年绘制的。根据桥梁重要性的不同应考虑不同的风速重现期，对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁，k0=1.0，对其他桥梁，k0=0.9；对施工架设期桥梁，k0=0.75；当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适度提高k0值。第四章风荷载

第七节桥梁风荷载3、阵风风速系数k5

阵风风速系数是考虑到瞬时风速较平均风速大而乘的系数，反映时距为1～3s的瞬时风速与时距10min的平均风速的关系系数。对A、B类地表k5=1.38，对C、D类地表k5=1.70。

A、B、C、D地表类别对应的地表状况见下表。地表分类及相关参数指标地表类别地表状况地表粗糙度系数a梯度风高度(m)A海面、海岸、开阔水面0.12300B田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区0.16350C树木及低层建筑物等密集地区、中高层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地0.22400D中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地0.30450第四章风荷载

第七节桥梁风荷载4、风载阻力系数k1

风载阻力系数是指作用在桥梁表面实际平均压力与来流风压之比，该系数与桥梁体型、构件断面形成等因素有关。根据理论分析和风洞试验的结果，风载阻力系数可