荷载与结构设计方法PPT课件.pptx

第4章风荷载,风的基本知识风压顺风向结构风效应,横风向结构风效应扭转风振风荷载组合工况,1,风的基本知识,第4章风荷载,风压，水平力风振，包括顺风向风振和横风向风振,风对建筑物的影响：,风的形成两类性质的风风力等级,2,风压-基本风速,第4章风荷载,空旷平坦地面距离地面10m高取10min平均风速作为一个样本取1年内的最大样本作为年最大风速取50年或100年内最大的年最大风速，作为基本风速对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按100年重现期的风压值采用（60m）,标准条件：,3,风压-基本风速,第4章风荷载,思考：时距越大，平均风越大还是越小？Why?,风荷载影响因素时距,4,风压-基本风速,第4章风荷载,随高度增加而增大，地面越粗糙，加速度越慢,风荷载影响因素高度、地面粗糙度,5,风压-基本风速,第4章风荷载,A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇C：有密集建筑群的城市市区D：有密集建筑群且房屋较高的城市市区,地面粗糙度四中分类：,6,风压-基本风速,第4章风荷载,重现期越长，风速越大，风压也越大哈尔滨：10年0.35，50年0.55，100年0.70,风荷载影响因素重现期,7,风压-基本风速,第4章风荷载,时距越大，风速越小高度越大，风速越大（梯度风高度范围内）地面越粗糙，风速越小重现期越长，风速越大,风荷载影响因素总结：,8,风压-风速与风压的关系,第4章风荷载,理想状态：,9,风压-风速与风压的关系,第4章风荷载,比窦娥还冤的某农牧学院,10,风压-基本风压的采用,第4章风荷载,按新版高规的规定，超过60m的高层建筑，在计算风荷载作用下构件的承载力时，风压值取基本风压的1.1倍；在计算风荷载作用下结构或构件的变形时，风压值仍取基本风压。,11,风压-山区基本风压,第4章风荷载,山峰和山坡，顶部B处的修正系数：,山间盆地、谷地等闭塞地形，取0.750.85；对于与风向一致的谷口、山口，取1.201.50。,12,风压-远海海面和海岛风压,第4章风荷载,海面上的摩擦力比陆地小，风速大海陆温差，空气对流，增大了海边的风速,思考：海面风大还是陆地风大？,13,风压-风压高度变化系数,第4章风荷载,梯度风高度：风速从地面到高空，逐渐增大，直至某一高度趋于稳定，这个高度即为梯度风高度。,风压高度变化系数：任一高度、任一地貌条件下的风压与基本风压的比值，表4-8。,新规范提高了C、D两类地面粗糙度（大城市市区）的梯度风高度，why?,14,风压-风荷载体型系数：风压分布规律,第4章风荷载,结构物多带棱角会形成旋涡风压分布不均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中部大，侧风面和背风面的角部大,15,风压-风荷载体型系数：风压分布规律,第4章风荷载,有旋涡的地方可能会产生负压立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动,16,风压-风荷载体型系数：风压分布规律,第4章风荷载,坡度小,负压；30,0；45,正压,17,风压-风荷载体型系数：定义及确定方法,第4章风荷载,理论分析：达不到实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物中进行风洞试验：选测点实测风压/理想风压加权平均风荷载体型系数,定义：建筑物实际风压与理想风压的比值,确定方法：,18,风压-风荷载体型系数：定义及确定方法,第4章风荷载,选测点，测建筑物表面上顺风向的静风压力，再除以建筑物前方来流风压，即得该点的风压力系数。各测点系数取加权（类似于柱的从属面积）平均值，得到风荷载体型系数。,风洞试验：,19,风压-风荷载体型系数：风洞简介,第4章风荷载,哈尔滨工业大学风浪联合实验室,海洋平台风浪试验人工降雨,20,风压-风荷载体型系数：风洞简介,第4章风荷载,同济大学汽车风洞实验室,风洞实验室外观东方明珠塔,21,风压-风荷载体型系数：风洞简介,第4章风荷载,同济大学汽车风洞实验室,22,风压-风荷载体型系数：风洞简介,第4章风荷载,同济大学汽车风洞实验室,23,风压-风荷载体型系数：风灾,第4章风荷载,塔克马海峡大桥853m,开车体会开船的感觉19m/s，共振好莱坞拍电影,24,风压-风荷载体型系数：风灾,第4章风荷载,塔克马海峡大桥新桥,25,风压-风荷载体型系数：风灾,第4章风荷载,塔克马海峡大桥新桥,26,风压-风荷载体型系数：取值,第4章风荷载,圆形：0.8一般的矩形：1.3正多边形：V形、Y形、弧形等：1.4荷载规范7.3.1条,27,风压-群体风压体型系数,第4章风荷载,美国硅谷,28,风压-群体风压体型系数,第4章风荷载,中国上海,29,风压-群体风压体型系数,第4章风荷载,当L/B7.5时，增大系数取1.0（不考虑）当L/B3.5时，顺风向增大系数及当L/B2.5时横风向增大系数按表4-9取值,同经验表格4-9相比，新规范中的建筑群体相互干扰系数规定略显模糊，且数值偏小,30,风压-局部体型系数,第4章风荷载,在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位，局部风压会超过按风荷载体型系数计算出的平均风压。,封闭式矩形平面房屋的局部体型系数非直接承受风荷载的围护构件的折减系数,31,顺风向结构风效应-平均风与脉动风,第4章风荷载,平均风：静力荷载脉动风：结构振动，引起结构顺风向振动的主要原因,32,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,其物理意义与动力系数相似，用增大系数静载效应的方式近似考虑振动影响其大小由随机振动理论计算得出设计时查荷载规范8.4.3条,33,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,脉动风荷载的共振分量因子R：,，,x、1、kw、f1分别表示什么意思，如何计算？,34,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,脉动风荷载的背景分量因子Bz:,，,k、1、x、z、1(z)、z(z)分别表示什么意思，如何计算？,35,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,脉动风荷载的空间相关性系数:,，,竖直方向的相关系数:,水平方向的相关系数:,36,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,结构振型系数：,，,对顺风向响应一般可仅考虑第1振型的影响对横风向的共振响应，一般考虑4个振型的影响,振型：结构在振动中各质点的相对位移。,一阶振型二阶振型三阶振型,37,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,结构振型系数：,，,弯曲型：高耸结构（或剪力墙结构）弯剪型：高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时剪切型：低层建筑结构,38,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,结构基本周期经验公式高耸结构：,，,钢结构可取高值，钢筋混凝土结构可取低值。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，可参考荷载规范附录F.1.2。,39,顺风向结构风效应-风振系数,第4章风荷载,结构基本周期经验公式高层结构：,，,钢结构钢筋混凝土结构,钢筋混凝土框架、框剪结构钢筋混凝土剪力墙结构,40,顺风向结构风效应-阵风系数,第4章风荷载,，,阵风系数：在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平均风要大所乘的系数,阵风系数，可以理解为阵风风速与平均风速的比值。,41,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,，,承重结构：wk=zszw0围护结构：wk=gzslzw0,思考：公式中各系数的意义是什么？,42,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,，,计算步骤：,确定基本风压确定风荷载体型系数或局部风压体型系数确定风压高度变化系数确定结构基本周期确定脉动风荷载的空间相关系数确定振型系数确定脉动风荷载的背景分量因子确定脉动风荷载的共振分量因子确定风振系数。确定风荷载标准值,43,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,，,不同高度结构风荷载总值的新旧差异，说明了什么？,44,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,例题：,，,某钢筋混凝土框架-剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布，截面为正方形，房屋总高度H=100m，迎风面宽度B=45m，建于C类地区，基本风压值w0=0.55kN/m2，求垂直于该建筑物表面上的风荷载标准值及建筑物基底弯矩。,45,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,解：,，,风荷载标准值按wk=zszw0计算，为简化起见，将建筑物沿高度分为10个区段，每个区段的高度均为10m，取其中点位置的风荷载作为该区段的平均风荷载。由于该建筑的总高度为100m，基本风压应按50年一遇风压值的1.1倍取用，即w0=1.10.55=0.605kN/m2,46,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（1）风荷载体型系数,，,该高层建筑平面为正方形，高宽比D/B=1，s=1.4。,（2）风压高度变化系数,由教材表4-8，根据场地粗糙度类别为C类，可查出各区段中点位置的风压高度变化系数，列于表4-11中。,47,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（3）风振系数,，,48,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（3）风振系数,，,49,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（3）风振系数,，,50,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（3）风振系数,，,51,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（4）各区段中点高度处的风荷载标准值,，,52,顺风向结构风效应-风荷载标准值,第4章风荷载,（5）风荷载引起的基底弯矩值,，,53,横风向结构风效应,第4章风荷载,，,54,横风向结构风效应-考虑对象,第4章风荷载,，,塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构,55,横风向结构风效应-考虑对象,第4章风荷载,，,高层建筑：满足H150m或H/B5高耸结构：满足H30m或H/B4,56,横风向结构风效应-雷诺数,第4章风荷载,惯性力与黏性力：,，,惯性力：惯性力是流体冲击在垂直表面所形成的压力，对空气而言，就是风作用在垂直面上所产生的风压力,黏性力：黏性是流体抵抗剪切变形的能力，黏性越大，流体抵抗剪切变形的能力越强,57,横风向结构风效应-雷诺数,第4章风荷载,，,雷诺数：惯性力/黏性力；此值相同，流体动力特性相似,流速大时，雷诺数大，惯性力起控制作用流速小时，雷诺数小，黏性力起控制作用雷诺数相同，流体动力特性相似,58,横风向结构风效应-产生机理,第4章风荷载,，,当漩涡脱落的频率与结构振动频率接近时，会引起结构振动，即横风向风振卡门涡街,层流分离旋涡脱落,59,横风向结构风效应-产生机理,第4章风荷载,，,风速很小时，Re1，气流附着在圆柱体表面，不分离速略大，5Re40，层流分离，形成旋涡但不脱落风速继续增大，旋涡脱落，这种现象称之为卡门涡街,60,横风向结构风效应-产生机理,第4章风荷载,，,斯托罗哈数：,亚临界范围超临界范围跨临界范围,思考：三种临界的旋涡脱落有何特点？结构设计上如何处理？,61,横风向结构风效应-产生机理,第4章风荷载,，,三种临界范围：,亚临界范围：3.0102Re3.0105时，周期性脱落明显，周期接近于常数，St0.2；风速小，构造处理超临界范围：3.0105Re3.5106时，脱落具有随机性，St离散性很大；不共振，不处理跨临界范围：当Re3.5106时，脱落又重新出现大致的规则性，St=0.270.3,风速大，易共振，应进行横风向风振验算,62,横风向结构风效应-风振实例