中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第四章 风荷载

调课通知,9月17日不上课,补课：世纪楼C10110月27日（9-10节）,第四章风荷载,Breeze，wind,storm,热带气旋,龙卷风,古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起巨浪，越过堤岸，拍打着楼房,美国新奥尔良飓风袭击80%的土地被淹，死亡上千人，2000亿美金的重建费用,飓风丽塔袭击美国,9,飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人在佛罗里达。飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。,10,飓风伊万摧毁的房屋,11,伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁,8月18日台风圣帕,风荷载,雷暴,强风暴云前部是上升气流，后部是下降气流下降气流形成冷空气堆，称为“雷暴高压”突发性强，持续时间短，风力大,风荷载,沙尘暴,风对建筑物的损坏,Meyer-Kiser大楼钢框架发生塑性变形维护结构损坏严重,风对建筑物的损坏,收费站,广告牌,风起前后,塔科马海峡大桥被风吹垮发生于美国太平洋时间1940年11月7日上午11时，原因是气弹颤振。,19,4.1风的有关知识4.2风压4.3结构抗风计算的几个重要概念4.4顺风向结构风效应4.5横风向结构风效应,第4章风荷载,24,风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。,压力差,风,结构物,风压,理想模型,三圈环流模型,地球自转,大陆与海洋吸热差异,4.1风的有关知识,4.1.1风的形成,25,4.1风的有关知识,4.1.1风的形成,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，由高空向地表下沉,26,4.1风的有关知识,4.1.1风的形成,全球风环流,27,1.台风,4.1风的有关知识,4.1.2两类性质的大风,弱的热带气旋性涡旋复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）低涡增强复合加强。（循环）台风(typhoon)台风名字,28,4.1风的有关知识,4.1.2两类性质的大风,1.台风,29,4.1风的有关知识,4.1.2两类性质的大风,1.台风,30,4.1风的有关知识,4.1.2两类性质的大风,1.台风,31,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冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆海洋夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋大陆,4.1风的有关知识,4.1.2两类性质的大风,2.季风,32,风力大台湾、海南、南海诸岛东南沿海地区东北、华北、西北地区青藏高原长江、黄河中下游地区云贵高原小,4.1风的有关知识,4.1.3我国的风气候总况,34,风力等级表,4.1风的有关知识,4.1.4风级,35,风力等级表（续）,4.1风的有关知识,4.1.4风级,36,从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214km/h（59.4m/s）,37,风压定义：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。风压的产生,4.2风压,建筑物,小股气流,流向,高压气幕,压力线,w=v2/2,4-38,伯努利方程：,初始条件,气压为101.325kPa常温150C绝对干燥,纬度450海面,4.2风压,4.2.1风压与风速的关系,dl,dl,w1dA,(w1+dw1)dA,39,基本风压的定义：按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。基本风压应符合五个规定：（1）标准高度的规定：一般取为10m。（2）地貌的规定：空旷平坦。A类指近海海面、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中小城市郊区；C类指有密集建筑群的中等城市市区；D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。,4.2风压,4.2.2基本风压,40,（3）公称风速的时距公称风速即一定时间间隔内的平均风速,式中v0：公称风速；v(t)：瞬时风速；：时距。,10min1h的平均风速基本稳定，我国取=10min,4.2风压,4.2.2基本风压,41,(4)最大风速的样本时间风有它的自然周期，每年季节性的重复一次。一般取一年为统计最大风速的样本时间。基本风速的重现期基本风速出现一次所需要的时间50年,=10min,1小时，6个样本1天，144个样本,年最大风速概率密度分布,4.2风压,4.2.2基本风压,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w0=v02/1600确定。,42,1.非标准高度换算实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,基本风压标准高度（10m）,与地貌或地面粗糙度有关的指数,43,1.非标准高度换算,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,国内外大城市中心及其邻近的实测值表4-3,44,2.非标准地貌的换算梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风。梯度风高度HT与地面的粗糙程度有关，一般为300500m，地面越粗糙，HT越大。右图：不同粗糙度影响下的风剖面,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,45,从图中可知，地面越粗糙，风速变化越慢（越大），梯度风高度将越高；反之，地面越平坦，风速变化将越快（越小）；梯度风高度将越小。不同地貌的及HT值,A类,B类,C类,D类,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,46,不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即：则或,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,4-47,不同地貌的及HT值,A类:,C类:,D类:,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,4-48,3.风压高度变化系数,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,风压高度变化系数z地面的粗糙度、温度垂直梯度即任意粗糙度任意高度处的风压与标准高度处的基本风压的比值,49,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,3.风压高度变化系数,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,50,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zA类0.12300m1.379(z/10)0.24B类0.16350m1.000(z/10)0.32C类0.22400m0.616(z/10)0.44D类0.30450m0.318(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。,3.风压高度变化系数,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,51,52,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，9mh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。,3.风压高度变化系数,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,53,4.不同时距的换算由于脉动风的影响，时距越短，公称风速值越大。,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,4-54,各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值,影响因素,10min平均风速值,天气变化,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,4.不同时距的换算,4-55,5.不同重现期的换算不同重现期风压与50年重现期风压的比值,4.2风压,4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算,56,风力：风速风压风力（三个分量）流经任意截面物体所产生的力风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。,在结构物表面,沿表面积分,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.1结构的风力与风效应,顺风向力PD、横风向力PL、扭力矩PM,57,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.2顺风向平均风与脉动风,顺风向风速时程曲线,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,58,风有两种成分构成=平均风+脉动风图：平均风速和脉动风速,地面粗糙度的影响：地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且频率越高。,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.2顺风向平均风与脉动风,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）,引起结构顺风向振动,4-59,脉动风的特性：幅值特性为一随机过程vf(t),tT幅值服从正态分布，其概率密度函数为：,v：脉动风速的均方差:vfi：vf的一条时程记录曲线,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.2顺风向平均风与脉动风,60,频率特性可用功率谱密度描述功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布,自相关函数：,傅立叶变换,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.2顺风向平均风与脉动风,61,Davenport水平脉动风速功率谱密度,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.2顺风向平均风与脉动风,4-62,对称结构可忽略，但细长的高柔结构须考虑动力效应。1.雷诺数式中：流体密度：流体粘性系数l：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。,结构形状,雷诺数相同，动力相似层流向湍流转换,动粘性,动力相似定律,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.3横风向风振,4-63,对于空气：Re=69000vl=69000vB如果Re1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。2.Strouhal数图：旋涡的产生与脱落,Karman涡街现象,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.3横风向风振,64,气流沿上风面AB速度逐渐增大，之后沿下风面BC速度逐渐减小。由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦，气流在BC中间某点S处停滞，生成旋涡，并以一定的周期（或频率fs）脱落。若和结构横向周期接近，即产生横风向风振Strouhal数定义：D：圆柱直径,4.3结构抗风计算的几个重要概念,4.3.3横风向风振,65,实验表明：当3.0 x102Re30m且高宽比H/B1.5的高柔房屋考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,89,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,90,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,91,对于低层建筑结构(剪切型结构),对于高层建筑结构(弯剪型结构),对于高耸结构(弯曲型结构),4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,92,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,93,94,示例已知一矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变。H=100m，B=33m，地面粗糙度指数a=0.22，基本风压按粗糙度指数为s=0.16的地貌上离地面高度zs=10m处的风速确定，基本风压值为w0=0.44kN/m2。结构的基本自振周期T1=2.5s。求风产生的建筑底部弯矩。解：为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区段20m高，取其中点位置的风载值作为该区段的平均风载值，如后页中图所示。,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,95,2.体型系数s=1.3。3.风压高度变化系数为：在各区段中点高度处的风压高度变化系数值分别为：z1=0.62z2=1.00z3=1.25z4=1.45z5=1.62,风载计算简图,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,4-96,确定风振系数。由查表得脉动增大系数=1.51计算各区段中点高度处的第1振型相对位移11=0.1612=0.3513=0.5314=0.7015=0.89,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,4-97,因建筑的高宽比H/B=3，查表得脉动影响系数:=0.49。代入得各区段中点高度处风振系数：1=1.192=1.263=1.314=1.365=1.41按式（4-45）计算各区段中点高度处的风压值,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,4-98,根据图所示的计算简图，由风产生的建筑筑底部弯矩为：,问题,不考虑顺风向脉动影响？,4.4顺风向结构风效应,4.4.3顺风向总风效应,99,速度为v的风流经任意截面物体，都将产生三个力，即物体单位长度上的顺风向力PD、横风向力PL以及扭矩力PM：D结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸；D顺风向风力系数，为迎风面和背风面风荷载体型系数之和；L、M分别为横风向风力和扭转力系数。,4.5横风向结构风效应,4.5.1流经任意截面物体的风力,100,L横风向风力系数，与雷诺数Re有关亚临界范围（3x102Re3x105）L=0.20.6超临界范围（3x105Re3x106）L不确定（随机）跨临界范围（Re3x106）L=0.150.2,4.5横风向结构风效应,4.5.2结构横风向风力,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,风旋涡脱落圆频率,St斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2,101,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),4.5横风向结构风效应,4.5.2结构横风向风力,102,圆形平面结构mL与Re关系,结构横风向共振现象及锁住区域,4.5横风向结构风效应,4.5.2结构横风向风力,频率,自振频率,风速,锁定现象,锁定区,旋涡脱落频率,103,细长结构横风向风力分布,4.5横风向结构风效应,4.5.2结构横风向风力,104,一般情况下，L0.4，而D大于L的3倍以上，故一般情况下，结构横风向效应与顺风向效应相比可以忽略。然而，在亚临界范围，特别在跨临界范围，横向风力为周期性荷载，即：其中,4.5横风向结构风效应,4.5.3结构横风向风效应,跨临界的强风共振引起在z高度处振型j的等效风荷载按下列公式确定,j计算系数，按表3-14确定；j(z)在z高度处结构的j振型系数；j第j振型的阻尼比；对第一振型，钢结构取0.01，有填充材料的房屋钢结构取0.02，混凝土结构取0.05，对于高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第一振型取；,4.5横风向结构风效应,4.5.3结构横风向风效应,表3-14中的H1临界风速的起始点高度，可按下式计算：,式中：为地面粗糙度指数，对A、B、C、D四类分别取0.12、0.16、0.22、和0.30；vH结构顶部风速，m/s。校核横风向风振时所考虑的高振型序号不大于4，对于一般的悬臂型结构，可只取第一或第二振型。上述公式仅适用于圆形截面的结构，对于非圆形截面结构，等效风荷载宜通过风洞试验确定。,4.5横风向结构风效应,4.3.5.3结构横风向风效应,107,结构横风向共振计算简图及等效共振风力,共振风速高度,1.3倍共振风速高度但小于H,4.5横风向结构风效应,4.5.3结构横风向风效应,4-108,当s与结构基本频率接近时，结构将产生共振。共振风速为：共振位移反应为：此时，横风向共振力为：,Re=69000vB,4.5横风向结构风效应,4.5.3结构横风向风效应,4-109,已知：钢筋砼烟囱H=100m,顶端直径5m，底部直径10m，基本频率f1=1Hz,10米高度处基本风速v0=25m/s问：烟囱是否发生横向风共振？解：烟囱顶点风速为：烟囱顶点共振风速为：共振风速下烟囱顶点处雷诺数：属跨临界范围，横风向会发生共振。,4.5横风向结构风效应,4.5.3结构横风向风效应,110,结构抗风设计：将结构横风向风效应与顺风向风效应叠加,4.5横风向结构风效应,4.5.4结构总风效应,考虑顺风向动力作用效应（脉动效应）与横风向动力作用效应（风振效应）的最大值不一定在同一时刻发生,采用平方和开方近似估算总的风动力效应,结构总风效应,结构顺风向静力效应,结构顺风向脉动效应,结构横风向风振效应,横风向风荷载效应,顺风向风荷载效应,111,驰振（galloping）：在某些情况下，外界激励可能产生负阻尼成分，当负阻尼大于正阻尼时，结构振动将不断加剧，直到达到极限破坏。这种现象称为驰振。非圆截面才可能发生驰振。也称为横风向弯曲单自由度振动,4.5横风向结构风效应,4.5.5结构横风向驰振,112,颤振（flutter）：当物体截面的旋转中心与空气动力的作用中心不重合时，将产生截面的平移和扭转耦合振动，对于这种振动形式，也会发生不稳定振动现象，称其为颤振。一般出现在桥梁结构。风作用下产生的结构扭转振动。抖振：在城市中心比较密集的高层建筑中，当一个结构处于另一个结构的卡门涡道中时，后面的结构自振频率接近前面结构漩涡脱落后产生的，对它而言是顺风向风的频率时，抖振就会发生。,4.5横风向结构风效应,4.5.6颤振和抖振,例题,某11层钢砼框架剪力墙结构，地处市郊，基本风压0.5kN/m2，结构总高度33.2m，底层3.2m，其余层3m，试求结构横向总风载。已知结构基本自振周期0.556s。平面如下图，开间7500，进深6600mm，走廊2400mm，翼墙3000mm（从轴线算起），结构轴线总长60m，总宽15.6m,本例题平面为矩形，迎风面背风面风载体型系数之和风压作用方向与计算方向夹角0所以沿建筑高度方向每米风载由于本建筑高度超过30m，高宽比大于1.5，所以还应考虑风振系数的影响，同时还应考虑风压高度系数的影响,按照B类地面，w0T120.16查表得1.26查表得v=0.48,则建筑物在高度Hi处风载集度可查表获得，则列表计算风荷载,（kN/m）,广州亚运综合体育馆风荷载分析,广州亚运综合体育馆是2010年广州亚运会唯一新建的、最大的主场馆，是亚运会的标志性建筑。,建筑方案由广东省建筑设计研究院在多家全球顶级建筑设计机构参与的国际方案竞赛中胜出。,国内重大项目的国际建筑设计竞赛由纯国内设计团队中标是极为罕见的。对推动原创设计具有重要意义。,建成后的实景照三维非线性曲面,大量侧开洞半开敞灰空间,大悬臂双曲拉索式幕墙,倒锥的悬挂结构,不规则的结晶体,由于场馆体形复杂，不能按现荷载设计规范进行结构的抗风设计，根据荷载规范第7.3.1条第3款，本工程需要进行风洞试验，为抗风设计提供依据。由于大跨悬挑屋盖结构具有柔性大,阻尼小,结构自振周期和风速的长卓越周期较接近等特点,因而这种屋面对风荷载十分敏感,风荷载往往成为屋面结构设计的主要荷载。,由体操馆、台壁球馆、历史馆组成,应考虑风力相互干扰的群体效应,数值风洞与风洞试验风荷载的处理方式风荷载敏感部位的数据分析及风荷载确定风振响应取值,利用ANSYS-CFD流体力学软件对场馆群进行数值风洞模拟，初步的确定屋面及墙面的风荷载布置情况，从下图荷载分布云图中可以看到在悬挑部位，屋面中间坡度比较大的部位，侧开洞的部位以及飘带的位置，风荷载比较大，应该重点的分析。,1.数值风洞分析，确定的风敏感区域，指导风洞试验的测点布置。,数值风洞模拟风荷载分析,体操馆风洞试验测点分布图,依据建筑结构杆件的布置特征，及以上敏感位置的分布，风洞实验的测点布置如图所示：其中对应悬挑位置、飘带位置（为四面敞结构形式）、开洞位置的应在相同位置双面布置测点，风荷载为其测点的压差。风洞实验与数值风洞相互校验，判断合理性。,2风荷载的处理方式创新,通常采用体形系数的模式，利用荷载规范公式：高度变化系数需根据规范在一定的范围内差值得到，而且只能是分段输入，其数值没有连续性，积累了计算误差，对多风向角输入繁琐，工作量大，荷载更改不方便。,利用风洞实验的原始数据，以VisualBasic编程实现由实验测点数据风的面荷载桁架结构的节点荷载的转换，实现了数字化输入，这样以风洞试验输入1个风向角的工况