风荷载工程结构荷载与结构设计方法.ppt

张丽 丁以兵 安徽工业大学,工程结构荷载与设计方法 （风荷载）,chapter 4,风的破坏力, 赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压小,且大气因加热膨胀，由表面向高空上升, 极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度大、 气压大 ，且大气因冷却收缩由高空向地表上升,一、风的形成 - 空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成 地表上存在气压差或压力梯度,北极,赤道,大气热力学环流模型,风的有关知识,二、两类性质的大风 1、台风 弱的热带气旋性涡旋 辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部 形成暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降） 低涡增强 辐合加强 。（循环） 台风(typoon) 台风名字,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,风的有关知识,2、季风(season wind) 冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋 夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高 风从海洋吹向大陆 三、风级（根据风对地面或海洋物体影响程度） 13个等级（0级12级）（p37，表4-1） 0级 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 10级 11级12级 静风 软风 轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风飓风,风的有关知识,风 压,1、风压与风速的关系,建筑物,小股气流,流向,高压气幕,压力线,w=v2/2,dl,w1da,(w1+dw1)da,风压的形成,边界条件：,风 压,2、基本风压w0 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压 地貌（地面粗糙度） 空旷平坦地貌 高度 10米高为标准高度 公称风速时距 =10min, 最大风速的样本时间 一年, 基本风速的重现期t0 基本风速出现一次所需要的时间,风 压,每年不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/t0（图中影形面积）, gb50009-2001规定： 以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内最大风速v0为标准，按w 0= v02/1600确定。,最大风速 -随机变量,年最大风速,p,基本风速,面积 p0=1-1/t0,年平均最大风速,年最大风速概率密度分布,风 压,风对高楼的危害,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,风荷载标准值的确定,结构抗风计算的几个重要概念,pl 截面 风速 b pm pd 流经任意截面物体所产生的力, 结构上的风力,顺风向力pd 、 横风向力 pl 、扭力矩 pm, 结构的风效应, 由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应,一、结构的风力和风效应,二、顺风向平均风与脉动风, 顺风向风速时程曲线, 平均风 忽略其对结构的动力影响 等效为静力作用,（风的长周期 结构的自振周期）, 脉动风 引起结构动力响应,（风的短周期接近结构自振周期）, 顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应,脉动风速vf 短周期成分，周期一般只有几秒钟,vf,v(t),t,结构抗风计算的几个重要概念,一、顺风向平均风效应 1、风载体型系数（s） 气流未被房屋干扰前的流速v0，压力p0 房屋表面某点的流速v，压力p 伯努里方程： p0+v02/2= p+v2/2 w = p - p0 = (1-v2/v02) v02/2 = sw0 s= 1-v2/v02 风载体型系数，即风作用于建筑物上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值,w /w0= s。 主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关 描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律。,结构抗风计算的几个重要概念, 风载体型系数s一般采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行试验确定。 规范gb50009-2001表7.3.1给出了38项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。,结构抗风计算的几个重要概念, 风洞试验-在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气紊流纵向分量 -建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽24m、高23m，长530m 模拟风剖面-要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少） 风洞试验模型分类 （1）刚性压力模型-主要量测建筑物表面的风压力（吸力） 建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约1：3001：500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。 风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 。 风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间1h,结构抗风计算的几个重要概念,（2）气动弹性模型 对高宽比大于5，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。 （3）刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，1：500量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。 模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等,结构抗风计算的几个重要概念,风载体型系数s,【例1】 封闭式双坡屋面,【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形),+0.8,-0.5,-0.5,s,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,注：中间值按插入法计算,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,结构抗风计算的几个重要概念,风载体型系数s,结构抗风计算的几个重要概念,风载体型系数s,结构抗风计算的几个重要概念,？ 当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。 规范gb50009规定：将单独建筑物的体型系数s 乘以相互干扰系数(可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出)以考虑风力相互干扰的群体效应。 ？ 风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压 规范gb50009规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为-1.0 -2.2 ？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。 规范gb50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2,结构抗风计算的几个重要概念,2、风压高度变化系数z 地面的粗糙度、温度垂直梯度 在大气边界层内，风速随离地面高度而增大 当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度 通常认为在离地面高度为300m 500m时，风速不再受地面粗糙度的影响，达到“梯度风速”，该高度称为梯度风高度hg 地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低。 gb50009-2001地面的粗糙度类别 a类近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 b类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 c类有密集建筑群的城市市区 d类有密集建筑群且房屋较高的城市市区,结构抗风计算的几个重要概念, 地面粗糙度类别 粗糙度指数 梯度风高度hg 风压高度变化系数z a类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 b类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 c类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 d类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 风压高度变化系数z (z)=任意高度处的风压wa(z)/基本风压w0 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由gb500092001表7.2.1确定。 【思考题】规范gb50009对远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数z如何确定？,结构抗风计算的几个重要概念, 地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数 ） 以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风； 以半圆影响范围内建筑物的平均高度h平均来划分地面粗糙度类别，当h平均18m，为d类，9m h平均18m为c类， h平均 9m，为b类。 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者； 平均高度h平均取各面域面积为权数计算。,结构抗风计算的几个重要概念,3、平均风下结构的静力风载 wz= s z(z) w0 二、顺风向脉动风效应 脉动风随机动力作用按随机振动理论进行分析-自学 1、主要承重结构 顺风向总风效应= 顺风向平均风效应+ 顺风向脉动风效应 w(z)=w(z)+wd(z)=(1+wd(z)/w(z)w(z)=z s z(z) w0 z 高度z处的风振系数，且z=1+z/ p59，式（4-65） 脉动增大系数，与w0t12、房屋结构类型； 脉动影响系数，与地面粗糙度类型、h/b、房屋总高h； z振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）。,结构抗风计算的几个重要概念,gb50009规定： 基本自振周期t10.25s的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构） 高度h 30m且高宽比h/b 1.5的高柔房屋 考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响,结构抗风计算的几个重要概念,2、围护结构 对于围护结构，由于其刚度一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，可仅在平均风的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，通过阵风系数gz 来计算风效应。 即 w(z)= gz s z(z) w0 gz阵风系数，按下式确定 gz=k ( 1+2 f ) k 地面粗糙度调整系数, k =0.92（ a类）; k =0.89（ b类）; k =0.85（ c类）; k=0.80（ d类）； f 脉动系数，根据国内实测数据，并参考国外规范资料取 f=0.535 1.8(-0.16)(z/10)- 地面粗糙度， =0.12 （ a类）； =0.16 （ b类）； =0.22 （ c类）； =0.30 （ d类）。,注意： 对低矮房屋围护结构风荷载规范暂时未作具体规定，但容许设计者参照国外对低矮房屋的边界层风洞试验资料或有关规范的规定进行设计。,结构抗风计算的几个重要概念,横风向结构风效应,一、横风向风振（对细柔性结构应考虑） 横风向风振 由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。 与结构截面形状和雷诺数re有关,粘性力=粘性应力 面积f =（粘性系数 速度梯度dv/dy）面积f,惯性力=单位面积上的压力 v2/2 面积f, 横向风振的产生(圆截面柱体结构),沿上风面ab速度逐渐增大（v ），b点压力达到最小值;,沿下风面bc速度逐渐降低（ v ），压力重新增大。,气流在bc中间某点s处速度停滞（ v =0），生成旋涡，并在外流的影响下以一定周期脱落（脱落频率fs）-karman 涡街,当气流旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构发生共振，即发生横向风振 。,横风向结构风效应,雷诺数 re=, 圆筒式结构三个临界范围,跨临界范围： re 3.5 106 强风共振,超临界范围： 3.0105 re 3.5 106 呈随机性,亚临界范围： 3.0102 re 3.0 105 微风共振,3.5 106,跨临界,3.0 105,超临界,3.0102,亚临界,横风向结构风效应,二、结构横向风力和风效应 1、结构横向风力 pl=l(v2/2)b l -横风向风力系数，与雷诺数re有关 跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横向风作用力 pl(z,t)= (v2(z)/2)b(z) lsinst 风旋涡脱落圆频率 s=2fs= 2st v(z)/b(z) p62 (4-68) st-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2,横风向结构风效应, 结构横风向共振现象 横风向风作用力频率（ fs ）与结构横向自振基本频率（ f1）接近时，结构横向产生共振反应 锁住（look-in）区域 风旋涡脱落频率fs保持常数（=结构横向自振频率f1）的风速区域 跨临界范围（确定性振动） 锁住区域: pl(z)sin1t 其它区域： pl(z)sins(z)t 亚临界范围（确定性振动） pl(z)sins(z)t 超临界范围（随机振动） pl(z)f (t),横风向结构风效应,pl(z)sins(z)t 跨临界范围 pl(z)sinst z （确定性振动） s =1 锁住区域 y pl(z)sins(z)t x 超临界范围 v （随机振动） pl f(t) 亚临界范围 （确定性振动）pl(z)sins(z)t 结构横风向风力分布, 对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力,横风向结构风效应,2、结构横风向风效应,对圆形截面的结构,应根据雷诺数re的不同情况进行横向风振(旋涡脱落)的校核。, 当re 3.0 105 时（亚临界的微风共振）,应控制结构顶部风速vh不超过临界风速vcr，即vhvcr。,(4-70),f1结构基本自振频率； st斯脱罗哈数，st =fsd/v ，圆截面结构取st =0.2； w风荷载分项系数，取w =1.4； h结构顶部风压高度变化系数； w0基本风压(kn/m2)； 空