《荷载和结构计算方法》第三讲.ppt

第四章风荷载 内容提要一 风的有关知识二 风压三 结构抗风计算的几个重要概念 自学 四 顺风向结构风效应五 横风向结构风效应 第一节风的有关知识 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下降 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 二 两类性质的大风1 台风 赤道海洋面受日照影响 热而湿的水汽上升 形成庞大的水汽柱 热低压区和稳定的高压区之间将产生空气流动 由平衡产生的相互补充的力使之成螺旋状流动 形成暖心 旋转的结果使涡旋内部空气密度减小 下部海面气压下降 大量空气从高压区传来 如此循环不止 台风 typoon 2 季风 季节性的风 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 分为13个等级 0级 12级 P46 表3 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 第二节风压 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 2 基本风压w0 按规定的高度 地貌 时距等量测的风速所确定的风压 高度 10米高为标准高度 桥梁结构规定为20米 地貌 地面粗糙度 空旷平坦地貌 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 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w0 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 第四节顺风向结构风荷载效应计算 PL截面风速BPMPD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 风荷载计算基本公式 1 平均风下结构的静力风载wz s z z w0 s 风荷载体型系数 z z 风压高度变化系数W0 基本风压 1 风载体型系数 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 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 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 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 2 风压高度变化系数 z 地面的粗糙度 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 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 地面粗糙度类别粗糙度指数 风压高度变化系数 zA类0 121 379 z 10 0 24B类0 161 000 z 10 0 32C类0 220 616 z 10 0 44D类0 300 318 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GB50009 2001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 见规范 P26对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物 见规范 P26对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物的建筑物和构筑物 风压高度变化系数可按A类粗糙度类别考虑 但应乘以修正系数 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 风荷载计算实例 1 排架结构组成 1 屋面板2 天沟板3 天窗架4 屋架5 托架6 吊车梁7 排架柱8 抗风柱9 基础10 连系梁11 基础梁12 天窗架垂直支撑13 屋架下弦横向水平支撑14 屋架端部垂直支撑15 柱间支撑 柱顶以下建筑物表面上的风荷载沿高度取为均匀分布 其值分别为 迎风面的风压力 q1和q2 背风面的风吸力 风压高度变化系数 z按柱顶标高取值 其中 作用于柱顶以上的风荷载 通过屋架以集中力Fw形式施加于排架柱顶 其值为屋架高度范围内的外墙迎风面 背风面的风荷载及坡屋面上风荷载的水平分力的总和 排架风荷载计算 作业 排架风荷载计算 框架结构风荷载计算实例基本公式 开间 层高 开间 层高 答案 计算风荷载标准值 F2 5 2KN F1 10 52KN 2 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 顺风向总风效应 顺风向平均风效应 顺风向脉动风效应计算主要承重结构时 w z z s z z w0计算围护结构时 w z gz s1 z z w0 z 高度z处的风振系数 且 z 1 z gz 高度z处的阵风系数 GB50009规定 基本自振周期T1 0 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 否则按静风考虑 第五节横风向结构风效应 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 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 Lsin st风旋涡脱落圆频率 s 2 fs 2 Stv z B z P62 4 68 St 斯脱罗哈数 对圆形截面结构取0 2 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vH vcr 4 70 f1 结构基本自振频率 St 斯脱