第04章_风荷载

1、1风荷载风荷载 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2被飓风严重损坏的新奥尔良多层建筑34.1 风的有关知识风的有关知识4.1.1 风的形成风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。气温高，空气密度低，气压低气温低，空气密度大，气压高大气热力学环流模型三圈环流模型考虑地球自转以及大陆与海洋吸热考虑地球自转以及大陆与海洋吸热差异等差异等44.1.2 两类性质的大风两类性质的大风1.台风 弱的热带气旋引入暖湿空气在涡旋内部产生上升和对流运动加强涡旋台风热带低压 热带风暴 强热带风暴 台风2.季风 冬季：大

2、陆冷，海洋暖，风：大陆海洋 西北风西北风 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋大陆 东南风东南风54.1.3 我国的风气候总况我国的风气候总况大风区大风区 东南沿海东南沿海次大风区次大风区 东北、华北和西北、青藏高原东北、华北和西北、青藏高原最大风区最大风区 台湾、海南和南海岛屿；台湾、海南和南海岛屿；小风区小风区 长江中下游、黄河中下游长江中下游、黄河中下游最小风区最小风区 云贵高原云贵高原64.1.4 风级风级 为区分风的大小，根据风对地面（或海面）物体影响程为区分风的大小，根据风对地面（或海面）物体影响程度，常将风划分为度，常将风划分为13个等级。个等级。风风力力等等级级名称名称海面状况海面状

3、况海岸渔船征象海岸渔船征象陆地地面物征象陆地地面物征象距地距地10m高处相当风速高处相当风速浪高（浪高（m）一般一般最高最高km/hn mile/hm/s静风静风静静静、烟直上静、烟直上1v0v=v0vv0v0v33常见高层建筑体型系数342.2.风压高度变化系数风压高度变化系数 0)(wzwzazmaasssTssTszzzzHzHzm222)(根据4.2.3节内容，可得风压高度变化系数mz为：3.3.平均风下结构的静力风载平均风下结构的静力风载0( )( )szw zz wm m如C类地貌高度100m处694. 110100615. 0615. 0)(44. 02aszzzzm35364.

4、4.2 4.4.2 顺风向脉动风效应顺风向脉动风效应1）脉动风下结构位移反应 在脉动风作用下，结构主要按第一振型振动，则位移反应为)()(),(11tqztzy01)()()(wzzumzPd2）脉动风下等效风作用力 在脉动风作用下，结构等效风作用力可表示为其中 脉动增大系数； u 脉动影响系数m(z) 结构质量函数 1(z) 结构第1振型函数w0 基本风压37结构第结构第1振型函数振型函数对于低层建筑结构对于低层建筑结构( (剪切型结构剪切型结构) )对于高层建筑结构对于高层建筑结构( (弯剪型结构弯剪型结构) )对于高耸结构对于高耸结构( (弯曲型结构弯曲型结构) )432131342)(

5、HzHzHzz7 . 014)(HztgzHzz2sin)(1可按结构力学原理计算得出，也可可按结构力学原理计算得出，也可采用近似公式采用近似公式00.510.20.40.60.81Eq.(4-56a)Eq.(4-56b)Eq.(4-56c)第1振型函数z/Hx剪切型弯剪型弯曲型384.4.3 4.4.3 顺风向总风效应顺风向总风效应)()()()()()(zlzPzwzwzwzwxdd)()()()(1zwzlzwzPxd0)()()()(wzzzzwzsmm顺风向效应 = 平均风效应 + 脉动风效应 脉动增大系数，按照w0T12查表确定。v 脉动影响系数，按照结构总高度，高宽比，地面粗 糙

6、度类别查表确定。1(z) 结构第1振型函数w0 基本风压)()(11zzzzm将w(z)和Pd(z)代入可得394041高层建筑高层建筑424.4.4 4.4.4 示例示例已知一矩形平面钢筋混凝土高层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。建筑，平面沿高度保持不变。H = 100 m，B = 33m，地面粗，地面粗糙度指数糙度指数 a=0.22，基本风压，基本风压按粗糙度指数为按粗糙度指数为 s=0.16的地貌的地貌上离地面高度上离地面高度zs=10m处的风速处的风速确定，基本风压值为确定，基本风压值为w0 = 0.44kN/m2。结构的基本自振。结构的基本自振周期周期T1=2.

7、5s。求风产生的建筑。求风产生的建筑底部弯矩。底部弯矩。43解：解：1）为简化计算，将建筑沿高度划分为）为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区个计算区段，每个区段段20m高，取其中点位置的风载值作为该区段的平均风载高，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。值，如后页中图所示。2）体型系数体型系数s=0.133）求各区段中点高度处的）求各区段中点高度处的风压高度变化系数，按公式风压高度变化系数，按公式或查或查规范规范相应的表，其值分别为：相应的表，其值分别为：z1=0.62 z2=1.00 z3=1.25 z4=1.45 z5=1.62 4）确定风振系数。由确定

8、风振系数。由 查表得查表得脉动增大系数脉动增大系数 =1.51222210/mskN71. 15 . 244. 062. 0Twa44. 02210615. 010350)(zzzzasszm44计算各区段中点高度处的第1振型 相对位移 11=0.16 12=0.35 13=0.53 14=0.70 15=0.89因建筑的高宽比H/B=3，查表4-10得脉动影响系数: =0.49。求各区段中点高度处风振系数：可得1=1.19 2=1.26 3=1.31 4=1.36 5=1.417 . 014)(Hztgz)()(11zzzzm455）计算各区段中点高度处的风压值21mkN42. 044. 0

9、62. 03 . 119. 1w22mkN72. 044. 000. 13 . 126. 1w23mkN94. 144. 025. 13 . 131. 1w24mkN13. 144. 045. 13 . 136. 1w25mkN1.3144. 062. 13 . 141. 1w3320)9031. 1 7013. 15094. 13072. 01042. 0(MmkN1078. 156）根据图4-19所示的计算简图，由风产生的建筑筑底部弯矩为：464.5 横风向结构风效应横风向结构风效应 4.5.1 流经任意截面物体的风力 4.5.2 结构横风向风力 4.5.3 结构横风向效应 4.5.4 结

10、构总风效应 4.5.5 结构横风向驰振与颤振474.5.1 流经任意截面物体的风力式中 B 结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸; mD 顺风向风力系数，为迎风面和背风面风荷载体型系数的总和; mL,mM 分别为横风向风力和扭转力系数。 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，以及扭力矩PM。根据风速与风压的关系式，上述三个力可分别表达为流经任意截面物体所产生的力BvPDD221mBvPLL221mBvPMM221m484.5.2 结构横风向风力圆形平面结构m mL与Re关系BvPLL221m亚临界范围（3x102Re 3x105 ） L

11、=0.20.6超临界范围（3x105Re 3x106） L不确定（随机）跨临界范围（ Re 3x106 ） L=0.150.2L：横风向风力系数一、圆形平面结构m mL与Re关系49二、结构横风向共振及锁住现象 实验发现，当旋涡脱落频率接近结构横向自振基本频率时，结构将产生横向共振。但当风速继续增大时，旋涡脱落频率并不继续增大，而是保持为常数，即结构自振频率控制了旋涡脱落频率，这一现象被称为锁住。当风速大于结构共振风速的1. 3倍左右时，旋涡脱落频率才继续增加，如图所示。 在亚临界范围和跨临界范围结构的旋涡脱落是有周期性的，即横向风作用有周期性，结构横向向风作用力与旋涡脱落频率和风速有关。 5

12、0三、细长结构横风向风力分布51 一般情况下，结构横风向风效应L 0.4，而顺风向风效应D =1.3大于L 的3倍以上， 故一般情况下，结构横风向风效应与顺风向风效应相比可以忽略。 然而，在亚临界范围，特别在跨临界范围，结构横风向作用可能引起结构共振，不能忽略：4.5.3 结构横风向效应)()()(1211zyzmzPL)()()(2)()()()(10211221121zdzzzmdzzzBzvzyHHHLm以第一振型为例52亚临界微风共振（规范）53跨临界强风共振(规范)544.5.4 结构总风效应 结构横风向共振时，同时还作用有顺风向风力，因此应将结构横风向风效应与顺风向风效应叠加，计算结构总风效应，以此进行结构抗风设计。 对于结构某一确定的效应(如果某一结构的内力，或某一位置的位移等)，由于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，因此常采用平方和开平方近似估计总的风动力效应。则结构总风效应按下式计算22dLdDsSSSS规范：554.5.5 结构横风向驰振与颤振驰振（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