风洞试验数据利用及风荷载计算分析

钢结构设计公开课课程主题：风洞试验数据利用及风荷载计算分析目录一、风荷载计算三、风振系数四、阵风系数二、体型系数五、总结课程主题：风洞试验数据利用及风荷载计算分析课程内容：风洞试验结果的重点在于体型系数和风振系数。结合实际工程、规范、教材等进一步认识体型系数和风振系数。小跨度结构是否可以不用考虑风振系数？结构的风振系数与其跨度成正比关系吗？什么时候需要采用阵风系数？两者有何区别？通过这一节的讲解，将对风荷载计算作系统的梳理和探讨。知识点：风洞试验数据分析与运用、风荷载计算一、风荷载计算一、风荷载计算一、风荷载计算二、体型系数二、体型系数风速压仅代表自由气流所具有的功能，不能直接作为风荷载的取值。为获得作用在建筑物表面的平均风压值，需根据气流在受到阻碍后的运动情况，用风速压乘上体型系数。

设H高度处的来流风速为VH，静压为PH，则建筑物H高度i点处的风压Pi通常以无量纲系数的形式表达，即“点体型系数”：对于贝努利关系式成立的区域，得出：二、体型系数二、体型系数二、体型系数二、体型系数所谓“敏感”指的是流动情况的微小变化（屋面倾角的小幅变化、来流方向的微小改变或风速脉动强度的变化等各种因素）就可能造成风荷载作用方向的改变。右图给出了某屋面整体风荷载的作用时程，尽管平均风荷载体现为风吸力(Fz<0），但在某些时刻，可能会出现反向作用的风荷载（Fz>0）。因此，设计时应考虑µs变号的情况。

由此带来的问题是µs变号后如何取值。由右图可知，风荷载反向的主要原因是风荷载脉动幅度过大，超过了平均风荷载。因此，µs变号只是为了获得反向风荷载的技术处理，其取值水平应当小于表征平均风压大小的真实的µs值。鉴于反向作用的风荷载情况较为复杂，规范并没有对µs变号后的取值方法做出明确规定，应用中可根据屋面的体型特征、结合工程经验适当取值。基本原则是：表征平均风压大小的真实的μs值绝对值越高，则考虑反向作用的风荷载时，取定的μs的绝对值应当越小

。在未获得相关风洞试验资料或未取得可靠依据时，us反号取值可取0.2。二、体型系数二、体型系数学校网址：

扫码添加客服：二、体型系数学校网址：

扫码添加客服：二、体型系数二、体型系数二、体型系数二、体型系数180°0°二、体型系数0°三、风振系数在风力作用下，结构将产生振动；振动着的结构又会改变其表面风荷载分布，即和风力之间产生了相互耦合作用。风对结构的动力作用可用空气动力学方法进行描述，而结构和风力之间的搞合作用可用气动弹性力学方法进行描述。

当结构振动幅度不大时，结构和风力之间的搁合作用可以忽略不计。此时，可将风对结构的作用理解为是一种理想动力荷载作用。由于风是具有随机性的空气流动，因而其对结构的动力作用也具有随机性，由此产生的结构振动也具有随机性。从这个意义上讲，结构风振问题可以归结为在随机动力荷载作用下的结构动力学问题。

风振系数法定义峰值响应与平均响应之比为“风振系数”，以此来表征结构对脉动风荷载在不同方向上的放大作用，即：三、风振系数目前规范中规定的荷载风振系数主要针对高层建筑等以一阶振型为主要振动的结构，采用了一阶模态位移响应来计算动力风荷载。

对于复杂空间结构的有限元风振时程分析中采用规范所规定的这一定义计算荷载风振系数会遇到很多问题。首先，由于复杂空间结构有多振型参与结构振动，参振模态的选取是个难以解决的问题；其次由于风振系数最初是针对像高耸结构那种以第一振型为主的悬臂结构提出的，且其结构极值响应(顶端位移和基底剪力)明确，而对于大型复杂结构，结构的不同部位、不同构件之间的等效目标不同，因而较难确定荷载风振系数。一般采用基于结构位移响应的风振系数，即采用位移风振系数。三、风振系数采用结构各点的位移风振系数，会得到很多计算结果，一般采用最不利风振系数，即以最大动力响应为控制指标的整体位移风振系数：式中，{U

wi}

max和{βdi

×Uwi}

max分别为静风荷载作用下的结点位移最大值和动力风荷载作用下结点位移极值的最大值。从统计的角度看，上式包含了结点的最大动响应信息，又包含了静力计算时结点的最大静变形，避免了对风振系数选取的过分保守，因而是比较合理的。尽管对于某些结点来说，β*d可能要比实际的βdi要小，但由于其相应的动响应值较小，对构件设计不起控制作用，因此并不影响整个结构的安全度。三、风振系数从工程设计角度，需要提出一个针对整个结构的风振系数。但是，若取所有结点的位移中的最大值的风振系数作为整个结构的位移风振系数，当结构各部分的振动特性相差较大时，可能不见得合理。为此，对结构进行有效分区，并对风振计算结果进一步统计处理，从而得到针对结构不同振动特点区域的分区位移风振系数，第j个分区的位移风振系数为：三、风振系数三、风振系数响应类型Z向竖向位移（竖直向上）Z向竖向位移（竖直向下）X向水平位移Y向水平位移起控制作用的风向60°255°15°255°关键节点号342328835743237响应极值（mm）101.70-92.7097.86105.50相应平均值（mm）58.18-53.4258.6866.04风振响应因子1.751.671.671.60整体表示法：三、风振系数结构分区某个风向角下的分区风振系数三、风振系数三、风振系数三、风振系数三、风振系数四、阵风系数自然界的风都是脉动的，其作用在建筑表面的风压也是脉动的。右图给出了一段典型的压力系数时程曲线。由这段时程可得出一个平均值（平均压力系数）；而由于风压是脉动的，在曲线中会有最高压力和最低压力。

四、阵风系数

四、阵风系数引入准定常假定，即假定建筑结构表面风压和来流的风速压同步脉动。换言之，就是认为体型系数不随时间变化。在此前提假定下，经推导计算，脉动风压与平均风压的比值等于揣流度的2倍，即：式中z为离地高度，α为风剖面指数，I10

则为各地貌下10m高度的揣流度，A、B、C和D四类地貌分别0.12、0.14、0.23和0.39。此外，由于近地面风的不确定性较高，湍流度剖面也和平均风速剖面一样规定了截止高度，即A、B、C、D四类地貌高度取值分别不应小于5m、l0m、15m和30m，也即阵风系数分别不大于1.65,l.70,2.05和2.40。五、总结1、体型系数表征建筑形体对风荷载的影响，设计时既要注意风吸力的不利影响，又要注意对风荷载敏感时，正风压力的影响，四边封闭式风压力体型系数不小于0.1，四边敞开式风压力体型系数建议取值0.2。2、风振系数表征主体结构在风荷载作用下的动力响应，与结构的动力特性有关，结构刚度越大，风振系数越小，结构刚度越小，风振系数越大，一般以结构动力响应的最大位移与静力荷载下最大位移的比值来表示，可区分为分块风振系数或整体结构风振系数。3、严格意义上讲，任何主体结构都存在风振系数，小跨度网架的风振系数