建筑结构抗风设计

266.1风灾及其成因6.2风荷载计算6.3结构顺风向抗风设计6.4结构横风向风振计算建筑结构抗风设计教学要求

了解大气层、风的分类；了解风力等级与风速的关系；掌握梯度风高度的概念；了解风致结构破坏现象；理解风压与风速关系的推导过程；掌握风荷载的计算原理和计算方法；了解结构顺风向设计和横风向风振。

建筑结构抗风设计6266.1风灾及其成因6.2风荷载计算6.3结构顺风向抗风设计6.4结构横风向风振计算建筑结构抗风设计主要内容

风及其产生机理风致结构灾害

6.1

风灾及其成因一.风及其产生机理

风是地球表面的空气运动，空气从气压大的地方向气压小的地方流动，就形成了风。

风是表示空气水平运动的物理量，包括风向和风速，是个二维矢量。风的大小用风力等级来描述(表6-1)。工程结构中涉及到的风主要有两类：一类是大尺度风(温带及热带气旋)；一类是小尺度的局部强风(龙卷风、雷暴风、焚风、布拉风及类似喷气效应的风等)。6.1

风灾及其成因

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

*注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值

二.风致结构灾害MaterialsfromtheInternet:1940年美国Tacoma桥风毁国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首。输电塔倒塌

桥梁破坏大跨结构破坏高楼维护结构破坏6.1

风灾及其成因工程结构在大风作用下，可能发生以下几种破坏情况：由于变形过大，隔墙开裂，甚至主体结构遭到损坏；由于长时间振动，结构因材料疲劳、失稳而破坏；装饰物和玻璃幕墙因较大的局部风压而破坏；高楼不停地大幅度摆动，使居住者感到不适和不安。1965年英国冷却塔被吹毁悬挑屋盖被吹毁6.1

风灾及其成因266.1风灾及其成因6.2风荷载计算6.3结构顺风向抗风设计6.4结构横风向风振计算建筑结构抗风设计主要内容风速与风压的关系结构上的平均风荷载时距取值重现期地貌的规定离地面标准高度

风压高度变化系数风荷载体型系数风振系数高层建筑群围护结构的风荷载

6.2风荷载计算概述

风压随风速、风向的紊乱变化而不断地改变。从风速记录来看，各次记录值不重现，波形是随机的，风力可看作为各态历经的平稳随机过程输入。在风的顺风向风速曲线(如图所示的风速记录)中，包括两部分：长周期部分(10min以上的平均风压)常称稳定风，其作用性质相当于静力作用，该作用将使建筑物发生侧移；短周期部分(只有几秒钟左右)，常称阵风脉动。其作用性质是动力的，引起结构的振动（位移、速度和加速度），使结构在平均侧移的附近左右摇摆。

6.2风荷载计算风速与风压的关系

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

风压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的压力，单位是kN/m2。6.2风荷载计算结构上的平均风荷载建筑物的平均风荷载不仅取决于来流速度，而且还与地面粗糙度和高度有关，以及建筑物的外轮廓等。我国荷载规范把结构上平均风压计算公式规定为：式中----风荷载体型系数；

----风压高度变化系数；

----基本风压（kN/m2）。

6.2风荷载计算时距取值

计算基本风压的风速，称为标准风速。我国现行的荷载规范规定为：当地比较空旷平坦地面上离地10m高，统计所得的50年一遇，10min平均最大风速v0（m/s）。平均风速的数值与统计时时距的取值有很大关系。根据大量风速实测记录的统计分析，10min到1h时距内，平均风速基本上可以认为是稳定值。6.2风荷载计算重现期我国规范采用了50年一遇的年最大平均风速来考虑基本风压的保证率。重现期在概率意义上体现了结构的安全度，称之为不超过该值的保证率。若重现期用T0（年）来表示，则不超过基本最大风速的概率为：

上式对于50年的重现期，其保证率为98.00%。

6.2风荷载计算若实际结构设计时所取的重现期与50年不同，则基本风压就要修正。为了能适应不同的设计条件，风荷载也可采用与基本风压不同的重现期，规范给出了全国各台站重现期为10年、50年和100年的风压值，其他重现期R的相应值可按下式确定：对于对风荷载比较敏感的结构，考虑适当提高其重现期。6.2风荷载计算地貌的规定地表愈粗糙，能量消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈低。由于地表的不同，影响着风速的取值，因此有必要为平均风速或风压规定一个共同的标准。目前风速仪大都安装在气象台，它一般离开城市中心一段距离，且一般周围空旷平坦地区居多，因而规范规定标准风速或风压是针对一般空旷平坦地面的，海洋或城市中心等不同地貌除了实测统计外，也可通过空旷地区的值换算求得。

6.2风荷载计算离地面标准高度

风速是随高度变化的，离地面愈近，由于地面摩擦和建筑物等的阻挡而速度愈小，在到达梯度风高度后趋于常值，因而标准高度的规定对平均风速有很大的影响。

我国规范规定，当风速仪高度与标准高度10m相差过大时，可按下式换算为标准高度的风速：式中：

——风速仪在高度处的观察风速（m/s）；

——风速仪实际高度（m）

——空旷平坦地区地面粗糙度指数，取0.16。

6.2风荷载计算风压三高度三变化三系数平均三风速三沿高三度的三变化三规律三，常三称为平均三风速三梯度。地表三摩擦三使接三近地三表的三风速三随着三离地三面高三度的三减小三而降三低，三在离三地30三0～50三0米以三上的三地方三，风三才不三受地三表的三影响三，达三到梯度三风速三。开阔三场地三的风三速比三在城三市中三心更三快地三达到三梯度三风速三，对三于同三一高三度处三的风三速，三在城三市中三心处三远较三开阔三场地三为小三。6.三2风荷三载计三算平均三风速三沿高三度变三化的三规律可用三指数三函数三来描三述，三即：式中三、——任一三点的三平均三风速三和高三度；、——标准三高度三处的三平均三风速三和高三度，三大部三分国三家，三标准三高度三常取10米；——地面三的粗三糙度三系数三，地三面粗三糙程三度愈三大，三也三愈大三。通三常采三用的三系数三如下三：表6－5地面三粗糙三度系三数

海面开阔平原森林或街道城市中心125～0.100167～0.1252503336.三2风荷三载计三算因为三风压三与风三速的三平方其中：

——任意高度处的风压——10米高度处的风压——空旷平坦地区10米高度处的风压——空旷平坦地区10米高度处的风压6.三2风荷三载计三算由上三式，三可求三得任三意地三貌z高度三处的三风压三为：（6-三11）对于三空旷三

可根据该地区风的实测资料，按概率统计方法求得。缺少资料时要根据附近的气象台站的风速资料换算求得。因为在同一大气环流下，不同地区上空，在其梯度风高度处的风速（风压）应相同，将规范建议的取0.16，梯度风高度取350米，得：6.三2风荷三载计三算可得三任意三地区10米高三处的三风压:代入三（6-三11）式三即得三任意三高度三处的三风压三为：此时三的风压三高度三变化三系数为:6.三2风荷三载计三算荷载三地貌类别ABCDα0.120.160.220.30

（米）3003504004501.3790.6160.318表6－7各地三貌下10米高三处的三实际三基本三风压6.三2风荷三载计三算规范三规定三，对三于山三区的三建筑三物，三风压三高度三变化三系数三除由三表6-三5中地三面粗三糙度三系数三确定三外，三还应三考虑地形三条件三的修三正系三数。山顶B处三为：6.三2风荷三载计三算式中--三--山顶三或山三坡在三迎风三面一三侧的三坡度三；当三时，三取三；--三--系数三，对三山峰三取3.三2，对三山坡三取1.三4；H三--

----建筑物计算位置离地面的高度（m）；当时，。

取A、C处的三修正三系数三、三为1，AB间和BC间的三修正三系数三按三的线三性插三值确三定。山间三盆地三、谷三地等三闭塞三地形；对于三与风三向一三致的三谷口三、山三口三。对于三远海三海面三6.三2风荷三载计三算风荷三载体三型系三数如下三图所三示，三不同三的建三筑物三体型三，在三同样三的风三速条三件下三，平三均风三压在三建筑三物上三的分三布是三不同三的。建筑三物表三面风

（现场实测）在正三风面三风力三作用三下，三迎风三面一三般均三受正三压力三。此三正压三力在三迎风三面的三中间三偏上三为最三大，三两边三及底三部最三小。荷载三规范三中迎三风面三的体三型系三数常三为0.三8。6.三2风荷三载计三算建筑三物的三背风三面全三部承三受负三压力三（吸三力）三，一三般两三边略三大、三中间三小，三整个三背面三的负三压力三分布三比较三均匀。荷三载规三范中三背风三面的三体型三系数三常为-0三.5。当风三平行三于建三筑物三侧面三时，两侧三一般三也承三受吸三力，一三般近三侧大三，远三侧小三。分三布也三极不三均匀三，前三后差三别较三大。风荷三载计三算由于三风向三风速三的随三机性三，因三而迎三风面三正压三、背三6.三2风荷三载计三算模型三上的三表面三风压三分布三（风三洞试三验）风压三除了三与建三筑物三体型三直接三有关三外，三它还三与建三筑物三的高度三与宽三度有关三，一三些资三料指三出，三随着三高宽三比的三增大三，三也三增大三。风荷三载体三型系三数表三示了三风荷三载在三建筑三物上三的分三布，三主要三与建三筑物三的体三型有三关，三并非三空气三的动三力作三用。三对于三外型三较复三杂的三特殊三建筑三物，三必要三时应三进行三风洞三模型三试验三。6.三2风荷三载计三算风振三系数在随三机脉三动风三压作三用下三，结三构产三生随机三振动。结三构除三了顺风三向风振三响应三外，三还有横风三向风振三响应三。对三于非三圆截三面，三顺风三向风三振响三应占三主要三地位三。我三国荷载三规范三规定：对三于基三本自三振周三期T1大于0.三25三s的工三程结三构，三如房三屋、三屋盖三及各三种高三耸结三构，三如塔三架、三桅杆三、烟三囱等三，以三及高三度大三于30三m6.风荷三载计三算每一三振型三都对三风振三力及三响应三有所三贡献三，但第一三振型三一般三起着三决定三性的三作用。荷三载规三范规三定，三对于三一般三悬臂三型结三构，三例如三构架三、塔三架、三烟囱三等高三耸结三构，三以及三高度三大于30三m，高三宽比三大于1.三5且可三忽略三扭转三影响三的高三层建三筑，三均可仅考三虑第三一振三型的三影响三。6.三2风荷三载计三算对于三主要三承重三结构三，风三荷载三标准三值的三表达三可由三两种三形式三，其一三为平三均风三压加三上由三脉动三风引三起导三致结三构风三振的三等效三风压三；另三一种三为平三均风三压乘三以风三振系三数。由于三在结三构的三风振三计算三中，三一般三往往三是第三一振三型起三主要三作用三，因三而我三国与三大多三数国三家相三同，三采用三后一三种表三达方三式，三即采三用风三振系三数三，即式中--三--风荷三载标三准值三（kN三/m2）；--三--高度z它综三合考三虑了三结构三在风三荷载三作用三下的三动力三响应三，其三中包三括风速三随时三间、三空间三的变三异性三和结三构的三阻尼三特性等因三素。6.三2风荷三载计三算考虑三空间三相关三性的三风振三系数三简化三后得三：6.三2风荷三载计三算——峰值三因子三，取2.三5；——10三m高度三名义三湍流三强度三，对三应A、B、C和D类地三面粗三糙度,分别三取0.三12、0.三14、0.三23和0.三39；——脉动三风荷三载的三背景三分量三因子——脉动三风荷三载的三共振三分量三因子脉动三风的三共振三分量三因子三：6.三2风荷三载计三算——结构三阻尼三比——结构三的第三一自三振频三率——地面三粗糙三度系三数，三对A、B、C和D类分三别取1.三28、1.三0、0.三54和0.三26脉动三风的三背景三分量三因子三：6.三2风荷三载计三算——系数三，按三表1-三1取——结构三的第三一振三型系三数——结构三的高三度6.三2风荷三载计三算高层三建筑三群对于三多个三建筑三物特三别是三群集三的高三层建三筑，三当相三互间三距较三近时三，由三于旋三涡的三相互三干扰三，所三受的三风力三要复三杂和三不利三得多三，房三屋某三些部三位的三局部三风压三会显三著增三大，三此时三宜考三虑风三力相三互干三扰的三群体三效应三。一般三可将三单独三建筑三物的三体型三系数三乘以三相互三干扰三增大三系数，该系三数可三参考三类似三条件三的试三验资三料确三定，三必要三时宜三通过三风洞三试验三得出三。6.三2风荷三载计三算围护三结构三的风三荷载对于三围护三结构三，由三于其三刚性三一般三较大三，在三结构三效应三中可三不必三考虑三其共三振分三量，三此时三可仅在三平均三风压三的基三础上三，近三似考三虑脉三动风6.三2风荷三载计三算266.三1风灾三及其三成因6.三2风荷三载计三算6.三3结构三顺风三向抗三风设三计6.三4结构三横风三向风三振计三算建筑三结构三抗风三设计顺风三向的三风力三常分三为平均三静风三力和三脉动三风力三，前三者作三用于三受风三面积三抗风设计都考虑在弹性范围内，进行弹性计算，不考虑出现塑性变形的情况。风荷载作用下结构的层间位移、顶点位移与结构总高度之比值不得超过下表中的限值。

6.三3结构三顺风三向抗三风设三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）层间三位移Δμ/H限值顶点三位移μ/H限值注：三括弧三外数三字用三于钢三筋混三凝土三结构三，括三弧内三数字三用于三钢结三构。钢筋三混凝三土结三构由三于易三开裂三，要三乘以三刚度三折减三系数。6.三3结构三顺风三向抗三风设三计加速三度限三值：风荷三载振三幅和三频率三到达三某一三关系三时，三人体三会产三生不三舒服三感。通常三对弯曲三振动三，以加速三度为度三量指三标，扭转三振动以角速三度为度三量指三标，下三表是三国内三外有三关规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0.20.30.0016.三3结构三顺风三向抗三风设三计266.三1风灾三及其三成因6.6.3结构顺风向抗风设计6.4结构横风向风振计算建筑三结构三抗风三设计作用三在结三构上三的风三力一三般可三表示三为顺风三向风三力、三横风结构三上的三风力6.三4结构三横风三向风三振计三算结构三在顺风三向风三力、三横风三顺风三向弯三剪振三动或三弯扭三耦合三振动当无三偏心三力矩三当有偏心力矩时，将产生顺风向和扭矩方向的弯扭耦合振动；当抗侧力结构布置不与x、y轴一致,而严重不对称时，还可产生顺、横、扭三向的弯曲耦合振动。

6.三4结构三横风三向风三振计三算横风三向风三力下三涡流三脱落三振动当风三吹向三结构三，可三在结三构周三围产三6.三4结构三横风三向风三振计三算空气三动力三失稳三（驰三振、三颤振三）结构三在顺三风向三和横三风向三风力三甚至三风扭三力矩三作用三下，三当有三微小三风力三攻角三时，三在某三种截三面形三式下三，这三些风三力可三以产三生负号三阻尼三效应三的力。如三果结三构阻三尼力三小于三这些三6.三4结构三横风三向风三振计三算在空三气流三动中三，对三工程科学家雷诺在十九世纪末期，通过大量实验，首先给出了惯性力与粘性力之比，以后被命名为雷诺数。只要雷诺数相同，动力学便相似，这样，通过风洞实验便可预言真实结构所要承受的力。雷诺数（Reynoldsnumber）为

:式中三称为三动粘三性。三空气三的雷三诺数三很大三，粘三性力三的影三响很三小。6.三4结构三横风三向风三振计横风三向风三荷载三与顺三风向三风荷三载同三时存三在。对圆三截面三柱体三结构三，当三发生三旋涡三脱落三时，三若脱三落频三率与三结构三自振三频率三相符三，将三发生共振三现象。18三98年，St三ro三uh三al研究三了风三竖琴三