第四章-风荷载

第四章风荷载§4.1风的基本知识§4.2基本风速和基本风压§4.3风压高度变化系数§4.4风荷载体型系数§4.5顺风向风振§4.6恒风向风振§4.7桥梁风荷载§思考题§4.1风的基本知识4.1.1风的形成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。§4.1风的基本知识4.1.2三类性质的大风

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。

3.雷暴雷暴是指伴有雷鸣和闪电的强对流性天气系统，它是由对流旺盛的积雨云引起的。发生雷暴的必要条件是暖湿空气的上升运动，在高空形成高耸的对流云。根据其发生原因，将雷暴相应地分为热对流性雷暴、地形性雷暴和锋面雷暴。§4.1风的基本知识4.1.3我国的风气候总况§4.1风的基本知识4.1.4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§4.1风的基本知识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62-7434-4017.2-20.7§4.1风的基本知识9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§4.1风的基本知识4.1.5风的破坏作用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）。§4.1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。§4.1风的基本知识§4.2基本风速和基本风压4.2.1基本风速风的强度常常用风压来表示，而风压可以根据风速来求出。但是风速随着高度不同，位置越高，风速越大，而且不同的周围环境，风速亦有不同，因而风速随建筑物所在地区的地貌而变化。为了比较不同地区风速的大小，必须对不同地区的地貌、测量风速的高度等有所规定。在规定条件下确定的风速称为基本风速，它是结构抗风设计必须具有的基本数据。根据规定的高度、地貌、时距和样本时间所确定的最大风速的概率分布，按规定的重现期确定基本风速，然后依据风速与风压的关系即可确定基本风压。§4.2基本风速和基本风压基本风速通常应符合以下五个规定：1.标准高度的规定

风速随高度而变化。离地面越近，由于地表摩擦耗能大，因而平均风速越小。因此为了比较不同地点的风速大小，必须规定统一的标准高度。由于我国气象台记录风速仪高度大都安装在8～12m之间，因此我国《建筑结构荷载规范》（GB50009--2012）规定以10m高为标准高度，并定义标准高度处的最大风速为基本风速。

§4.2基本风速和基本风压

2.标准地貌的规定地表越粗糙，例如大城市市中心，风能消耗也越厉害，因而平均风速也就越低。粗糙程度越低，如海岸附近，平均风速很高，空旷平坦地区次之，小城市又次之，大城市市中心最低。由于粗糙度不同，影响着平均风速的取值，因此有必要为平均风速规定一个统一的标准。目前风速仪大都安装在气象台，它一般离城市中心一段距离，且一般周围空旷平坦地区居多，因而我国及世界大多数国家的规范规定，基本风速或风压是按空旷平坦地貌而定的。§4.2基本风速和基本风压

3.平均风速的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。平均风速与时距的大小有密切关系，如果时距取的很短，例如3s，则平均风速只反映了风速记录中最大值附近的较大数值的影响，较低风速在平均风速中的作用难以体现，致使平均风速较高；相反，如果时距取的很长，例如1天，则必定将一天中大量的小风平均进去，致使平均风速值较低。一般来说，时距越大，平均风速越小；反之，时距越小，则平均风速越大。风速记录表明，10min至1h的平均风速基本上是一个稳定值，若时距太短，则容易突出风的脉动峰值作用，使风速值不稳定。另外，风对结构产生破坏作用需要一定长度的时间或一定次数的往复作用，因此我国《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012)所规定的基本风速的时距是10min。§4.2基本风速和基本风压

4.最大风速的样本时间样本时间对最大风速值的影响较大。以时距为10min的风速为例，样本时间为1h的最大风速为6个风速样本中的最大值，而样本为1d的最大风速，为144个样本中的最大值，显然1d的最大风速要大于1h的最大风速。最大风速有它的自然周期，每年季节性地重复一次，因而年最大风速最有代表性，对于工程结构应该能承受一年中任何日子的极大风速。目前，包括我国在内的世界各国基本上都取1年作为统计最大风速的样本时间。§4.2基本风速和基本风压5.基本风速的重现期实际工程设计时，一般需考虑几十年(如30年、50年等)的时间范围内的最大风速所产生的风压，则该时间范围内的最大风速定义为基本风速，而该时间范围可理解为基本风速出现一次所需的时间，即重现期。设基本风速的重现期为T0年，则为每年实际风速超过基本风速的概率，因此每年不超过基本风速的概率或保证率户。为实际每年的最大风速是不同的，因此可认为年最大风速为一随机变量，图为年最大风速的概率密度分布。显然，基本风速的重现期越大，其年保证率加越高，则基本风速越大。

图年最大风速概率密度分布§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压4.2.2基本风压

根据风速，可以求出风压。由于风压在地面附近受到地面物体的阻碍(或称摩擦)，造成风速随离地面高度不同而变化，离地面越近，风速越小。而且地貌环境(如建筑物的密集程度和高低情况)不同，对风的阻碍或摩擦大小不同，造成同样高度不同环境的风速并不同。为了比较不同地区风速或风压大小，必须对不同地区的地貌、测量风速的高度等有所规定。按规定的地貌、高度、时距等量测速所确定的风压称为基本风压。

§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算

基本风压是按照规定的标准条件确定的，但进行实际工程结构抗风计算时，需考虑很多非标准条件情况，如非标准高度、非标准地貌、非标准时距、非标准重现期等，因此有必要了解非标准条件与标准条件之间风速或风压的换算关系。

1.非标准高度换算即使在同一地区，高度不同，风速将不同。要知道不同高度与风速之间的关系，必须掌握它们沿高度的变化规律。§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压2.非标准地貌的换算

基本风压是按空旷平坦地面处所测得的数据求得的，如果地貌不同，则由于地面的摩阻大小不同，使得该地貌处10高处的风压与基本风压将不相同。图是加拿大风工程专家Davenport根据多次观测资料整理出的不同地貌下平均风速沿高度的变化规律，称之为风剖面。可以看出，由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面距离的减小而降低。只有离地300~500m以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气压梯度风高度，可用HT表示。

§4.2基本风速和基本风压图不同粗糙度影响下的风剖面(平均风速分布型)§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压§4.2基本风速和基本风压3．不同时距的换算时距不同，所求得的平均风速将不同。国际上各个国家规定的时距并不完全相同。另外，我国过去记录的资料中也有瞬时、１min、2min等时距，因此在一些情况下，需要进行不同时距之间的平均风速换算。根据国内外学者所得到的各种不同时距间平均风速的比值，经统计得出各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值如表所示。§4.2基本风速和基本风压

4.不同重现期的换算重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也就不同。由于不同结构的重要性不同，结构设计时有可能采用不同重现期的基本风压。因此需了解不同重现期风速或风压间的换算关系。§4.3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。§4.3风压高度变化系数《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）为方便设计人员使用，用风压高度变化系数综合考虑不同高度和不同地貌情况的影响。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数直接按下表取用；对于山区的建筑物，风压高度变化系数除由下表确定外，还应考虑地形条件的修正。表中地貌（地面粗糙程度）分为A、B、C、D四类。A类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类：指有密集建筑群的城市市区；D类:指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。§4.3风压高度变化系数§4.3风压高度变化系数§4.4风荷载体形系数在风的作用下，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）。§4.4风荷载体形系数目前完全从理论上确定受水平气流影响的任意形状物体表面的压力分布还有困难，若通过大风时现场实测会花费较多的时间和财力，且只能在已建的结构物中进行，因而也受到限制，风荷载体型系数一般均通过风洞试验方法确定。进行风洞试验时，首先测得建筑物表面上任一点顺风向的静风压力，再根据国内外风洞试验资料，《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）给出了不同类型的建筑物和构筑物的风荷载体型系数，如下表所示。当结构物与表中列出的体型类同时可参考取用，若用结构物的体型与表中不符，一般由风洞试验确定。§4.4风荷载体形系数§4.4风荷载体形系数风洞试验设施

回流式风洞直流式风洞§4.4风荷载体形系数§4.4风荷载体形系数风洞试验§4.4风荷载体形系数建筑模型风洞试验§4.5顺风向风振水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面产生风压，将风压沿表面积分，将得到三种力的成分，即顺风向力、横风向力，及扭力矩.如图4-15所示。由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等称为结构风效应。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，仅当结构有较大偏斜时，才计及风扭力矩的影响。顺风向和横风向的结构风效应是结构设计时主要考虑的内容。§4.5顺风向风振平均风速和脉动风速

4.5.1平均风与脉动风§4.5顺风向风振

平均风相对稳定，由于其周期较长，远大于一般结构的自振周期，所以尽管平均风本质上是动力的，但其对结构的动力影响很小，可以忽略，可将其等效为静力荷载。

脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，将使结构产生动力响应所以，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。根据观察资料，在不同粗糙度的地面上空同一髙度处，脉动风的性质有所不同。在粗糙度大的地面上空，平均风速小，脉动风的幅值大且频率髙；反之，在粗糙度小的地面上空，平均风速大，脉动风的幅值小且频率低。§4.5顺风向风振4.5.2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，无限自由度或多自由度体系基本周期的计箅十分复杂。在实际工程中，结构基本自振周期，常采用实测基础上回归得到的经验公式近似求解。1.高耸结构

钢结构取髙值，钢筋混凝土结构取低值。对于具体的高耸结构，如烟囱和石油化工塔架，其基本自振周期的计算有更为精确的公式，可参考《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012)附录E。§4.5顺风向风振2.高层结构§4.6横风向风振

很多情况下，横风向力较顺风向力小得多，对于对称结构，横风向力更是可以忽略。然而，对于一些细长的柔性结构，例如高耸塔架、烟囱、缆索等，横风向力可能会产生很大的动力效应，即风振，这时，横风向效应应引起足够地重视。横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，它与结构截面形状及雷诺数(Reynoldsnumber)有关。§4.6横风向风振

在空气流动中，对流体质点起着主要作用的是两种力：惯性力和粘性力。根据牛顿第二定律，作用在流体上的惯性力为单位面积上的压力乘以面积。粘性是流体抵抗剪切变形的性质，粘性越大的流体，其抵抗剪切变形的能力越大。流体粘性的的大小可通过粘性系数来衡量，流体中粘性应力为粘性系数乘以速度梯度或剪切角的时间变化率，而粘性力等于粘性应力乘以面积。§4.6横风向风振

工程科学家雷诺在19世纪80年代，通过大量实验，首先给出了以惯性力与粘性力之比为参数的动力相似定律，该参数以后被命名为雷诺数。只要雷诺数相同，流体动力便相似。后来发现，雷诺数也是衡量平滑流动的层流(1aminarflow)，向混乱无规则的湍流(turbulence)转换的尺度。§4.6横风向风振雷诺数：由于雷诺数的定义是惯性力与粘性力之比，如果雷诺数相当大，例如大于1000则意味着粘性力影响很小，空气流动中的结构常常是这种情况，惯性力起着主要作用。图表示流经圆柱体后的各个阶段的流动特征。可以看出，它经过了三个不同的阶段。当（亚临界范围）时，旋涡形成是很有规律的，并作周期性旋涡脱落运动；当（超临界范围）时，由于旋涡脱落不规则，将产生不规则的随机振动。而当（跨临界范围）时，将又出现周期性的确定性振动。

§4.6横风向风振

实验研究表明，一旦结构产生涡激共振，结构的自振频率就会控制漩涡脱落的频率。当漩涡脱落的频率与结构横向自振基本频率接近时，结构就会在横向产生共振反应，此时若风速继续增大，漩涡脱落的频率仍保持常数，不再随风速变化。只有当风速大于结构共振风速约1.3倍时，漩涡才重新按新的频率脱落，如图所示。这种现象称为锁定现象，而漩涡脱落保持常数的风速区域，称为锁定区域。§4.6横风向风振横风向风振的验算根据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）的规定，对圆形截面的结构，应按下列规定对不同雷诺数的情况进行横风向风振的校核。（1）当且结构顶部风速大于时，可发生亚临界的微风共振。此时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速不小于。（2）当雷诺数为时，则发生超临界范围的风振，漩涡脱落没有明显的周期，结构的横向振动也呈随机性，可不作处理。（3）当且结构顶部风速的1.2倍大于时，处于跨临界范围，此时，重新出现规则的周期性漩涡脱落，一旦与结构自振频率接近，结构将发生强风共振，必须进行横向风振验算。§4.7桥梁风荷载风荷载也是公路桥梁工程设计时考虑的活荷载之一，作用在桥梁上的风荷载可分为垂直桥轴方向的横桥向风荷载、