结构抗风设计原理(简本)

1、结构抗风设计原理结构抗风设计原理主要参考书主要参考书1. 黄本才，结构抗风分析原理及应用，同济大学出版社，2001 2. 张相庭编著，结构风压与风振计算，同济大学出版社，1981 3. Simiu,E, Scanlan, RH, 风对结构的作用-风工程导论，同济大学出版社，19924. 贺德馨等，风工程与工业空气动力学，国防工业出版社，20055. 建筑结构荷载规范，GB 500092001 第一章 结构风效应、结构抗风设计理论的发展1.发展概述茅屋为秋风所破歌茅屋为秋风所破歌 八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅。 茅飞渡江洒江郊，高者挂罥长林梢，下者飘转沉塘坳。 1890年，澳大利亚W. C.

2、Kernot建筑物模型屋面上的风压分布。 1894年，丹麦J. O. Irminger也在风洞中测量了建筑物模型表面上的风压分布，并与实测结果进行了比较。 1889年，法国G. Eiffel在设计当时世界最高（300m）的巴黎埃弗尔铁塔时，计算了塔的挠度；铁塔建成后，他又在地面用望远镜测量了塔顶移动的轨迹呈椭圆形，平均挠度为78cm Ferrybridge 热电厂冷却塔群H: 116mD: 93m 20世纪50年代后，人们开始研究建（构）筑物的结构响应问题，美国Liepmann首先研究了由大气湍流产生的结构响应。但将Liepmann理论应用到建（构）筑物时，需要发展近地脉动风的模型。1961年

3、，加拿大Davenport提出了这种模型，并在此基础上建立了计算建（构）筑物顺风向响应的方法，并编入了建筑结构荷载规范。 建（构）筑物横风向响应远比顺风向响应复杂，其激励机理与气动弹性联系在一起。虽然已有不少学者对横风向响应进行了研究，但至今还没有从基本原理出发推导出计算建（构）筑物横风向响应的解析公式。 在建（构）筑群中，各建（构）筑物间的空气动力干扰一直是人们十分关注的问题，自80年代后，许多学者对此进行了研究。 随着城市建（构）筑物高度和密度的增加，建（构）筑物周围的局部风环境不仅会影响人们的舒适性，而且会使城市的空气污染加剧，因此，近年来越来越引起重视。 随着大跨度柔性建（构）筑物的出

4、现，对其风荷载特别是风致响应的研究成为建（构）筑物空气动力学的热点问题之一。 （英国一座体育场主看台悬挑钢看台被破坏）2. 风对结构的作用 使结构或其构件受到过大的风力或不稳定 使结构或其构件产生过大的变形，引起外墙、外装饰材料的破坏 由风振作用导致的结构或其构件的疲劳破坏 由于结构气动弹性失稳，加剧了结构在风中运动产生的风荷载 过大的振动导致建筑物使用者的不舒适感 行人高度风环境的舒适性)(),(tGhhhFKhhChM hAhAhAhhhF321),( 1）如果A1=A2=0，气动弹性静力问题 A3=0，静力响应 G=0, 静稳定性问题2）如果 G=0 ，气动弹性动稳定性问题（颤振、驰振）

5、 其它情况，问题响应问题（抖振）3. 结构抗风问题的分类 第二章 作用于结构上的风荷载 由于自然风的湍流特性，风速可分成准定常的时均风速和非定常的脉动风速，因此，作用在建（构）筑物上的风荷载包括平均风荷载和动态风荷载两部分。 平均风荷载平均风荷载 1）力和力矩 对于建（构）筑物来说，平均风荷载主要指作用在建（构）筑物上的风力，包括顺风向力Fx（阻力）、横风向力Fy（侧力）、竖风向力Fz（升力）、顺风向弯矩My（倾覆力矩）、横风向弯矩Mx（横侧力矩）和扭矩Mz。2）风压 当风以一定速度向前运动遇到阻碍时，将对阻碍物产生压力。constPV221伯努利方程V=0，得到最大静压力P0。 在建（构）筑

6、物结构设计时，可以将平均风荷载的大小用风压来表示的。当速度为V的气流流经建（构）筑物上时，作用在其单位面积上的风的动压（又称风压，净压力）可表示为 221Vw由于空气密度随地理位置的不同而不同，因此，又提出了基本风压的概念。基本风压是以当地比较空旷平坦地面上，离地10m高度处统计的50年一遇的10min平均最大风速V0为标准，按 确定的风压值，用w0表示。 2021V基本风压的特点基本风压的特点基本风压的获取途径基本风压的获取途径1）设定的重现期为50年2）全国基本风压不小于0.3KN/m2；3）东南沿海地区的风压比内陆地区大；4）全国最大基本风压达0.9KN/m2。1）可根据建筑结构荷载规范

7、（GB 50009 2001 )确定;2）对于特定地区，可根据年最大风速（一般25年，至少 10年）通过统计方法确定50年一遇的最大风速；3）大于50年重现期，应根据年最大风速通过统计方法确 定重现期内一遇的最大风速。3）风压高度变化系数 基本风压是在标准地貌（当地比较空旷平坦地面上）10m高度处的风压值。但是在建（构）筑物结构设计时，需要知道任一地貌和任一高度z处的风压wz与基本风压w0的关系，因此，引入了风压高度变化系数z，即 0wwzz2210( )3.1210zgzzz地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类：A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区（=0.12,zba=5,zg=30

8、0m)；B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 （=0.16,zba=10,zg=350m)； C 类指有密集建筑群的城市市区（=0.22,zba=15,zg=400m)；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区（=0.30,zba=20,zg=450m) 。4）风载体型系数 为了得到各种建（构）筑物表面风压的大小和分布，目前，主要通过风洞试验测量模型上各点的压力系数，即 212iipppCVnCnjpjs1当测压点均匀布置时AACnjjpjs1误差2%在得到建（构）筑物表面各点的压力系数值后，要对其进行加权平均，得到该表面的风载体型系数s(z)，即 由于沿建（构）筑物

9、高度方向各点的基本风压不同，因此，实际计算时可沿高度分区域进行，在每个区域内可认为其风载体型系数和风压高度变化系数均为常值。 风载体型系数主要取决于建（构）筑物的体型，在国内外建筑结构荷载规范中，给出了各种典型的单体建（构）筑物的风载体型系数，可供参考使用。当建（构）筑物的体型变化较大时，或者位于密集的建筑群中时，则应通过风洞试验来确定其风载体型系数，以进行合理的结构设计。 5）平均风荷载计算 0)()()(wzzzwzs平均风荷载的用途：平均风荷载的用途：进行静风作用下的结构内力和位移分析。动态风荷载动态风荷载 1. 顺风向风荷载顺风向风荷载 脉动风作用在建（构）筑物上的荷载除了平均风荷载外

10、，还有动态风荷载。动态风荷载一般分为顺风向动态风荷载和横风向动态风荷载。 1）风振系数 在我国的建筑荷载规范中，采用等效静力荷载来表示脉动风引起的顺风向动态风荷载，即用平均风荷载乘以荷载风振系数（简称风振系数）z。在脉动风作用下，结构的风振系数定义为总风力的最大概率统计值与最大设计风速下的静风力之比。即)z(w)z(w)z(w)z(w)z(w)z(sdsds1（1）对于高耸结构，第一振型对响应的贡献起决定性作用；（2）结构的最大内力按各阶振型的平方和开方计算，高阶振型对响应的影响比第一振型小；（3）动力荷载在总荷载中仅是其中一部分，高阶的贡献并不重要。严格地讲，风振系数只对简单形状的高层建筑或

11、高耸结构较适用。对于形状较复杂的结构，则存在平均风荷载大，动态风荷载小，或刚好相反的情况，这时，采用风振系数往往给出偏差较大的估计。另外，它也不适用于大跨度屋面结构。位移风振系数是另外一种可以采用的参数。 zzzv/1按现行规范的定义式中脉动增大系数； 脉动影响系数； (z) 振型系数； z风压高度变化系数2)动态风荷载计算 作用在建（构）筑物上的动态风荷载可表示为 0)()()()(wzzzzwzsz 2. 横风向风荷载横风向风荷载 与顺风向风荷载相比，建（构）筑物在横风向的动态风荷载的产生机理比较复杂，它主要是由来流湍流，尾流旋涡以及建（构）筑物本身的振动所产生。目前尚无通用的解析方法来计

12、算建（构）筑物的横风向荷载，一般依靠风洞试验来获得。 第三章第三章建（构）筑物风荷载和结构响应特性建（构）筑物风荷载和结构响应特性 主要讨论高层建筑、冷却塔、电视塔、烟囱、架空输电线路系统、低矮建筑等建（构）筑物的风荷载和结构响应的基本特性。 风作用下，矩形截面高层建筑的风荷载和结构响应特性有以风作用下，矩形截面高层建筑的风荷载和结构响应特性有以下的一些特点下的一些特点：（1）顺风向平均风荷载大于横风向平均风荷载；横风向动态风荷载大于顺风向动态风荷载。（2）地貌条件对动态风荷载有影响，在B类风场中（即平坦地貌）顺风向动态风荷载要比D类风场中（即粗糙地貌）小，但横风向动态风荷载则相反。（3）在通

13、常风速下，结构的横风向响应及顺风向响应都随风速的增大而增大。当风速大到邻近结构涡振风速时，由于受涡激力的作用，横风向响应将随风速急剧增大，在涡振风速时出现峰值。但当风速超过结构涡振风速而继续增大时，横风向响应往往要回落到一定值，然后再随风速的增大而增大。（4）旋涡脱落所引起的涡激力对横风向响应和顺风向响应都有贡献，但是，在横风向上其频率为旋涡脱落频率，而在顺风向上其频率接近于两倍旋涡脱落频率，横风向响应大于顺风向响应。（5）随着风速的增大，结构响应受风向的影响也增大。通常，当 = 90时，结构响应最大； = 45时，结构响应最小。（6）通常，在D类风场中（即粗糙地貌）的结构响应最大，B类风场中

14、次之，均匀风场中最小。电视塔风荷载和结构响应特性有以电视塔风荷载和结构响应特性有以下的一些特点下的一些特点： 1)作用在电视塔上的风荷载主要是顺风向力和顺风向弯矩，横风向力和横风向弯矩很小；雷诺数对由圆柱体构件组成的电视塔的风荷载有一定的影响。2)对于电视塔这类高耸构筑物结构，由于其柔度大，阻尼小，在风的作用下，结构响应非常显著。一般，横风向响应与顺风向响应值有相同的量级，有时，横风向响应要大于顺风向响应。 冷却塔 冷却塔是火力发电厂或核电站的重要设施之一，随着发电机组容量的增加，用来冷却循环水的大型冷却塔的高度已超过150m，属于高耸结构。早在1965年，英国渡桥电站的八座呈双排交错布置的高

15、114m的双曲型冷却塔在强风的作用下倒塌了三座，倒塌的冷却塔为2A、1A和1B，如图所示，经研究分析后认为倒塌的主要原因是设计时风荷载取值偏低，另外，冷却塔群的平面布置也不尽合理。在这以后，冷却塔倒塌事件仍时有发生，因此，对冷却塔的风荷载和结构响应的研究，一直是风工程领域中的一个重要内容。 风荷载和动力响应的特点风荷载和动力响应的特点1）不同冷却塔的平均压力分布不同，压力分布除了取决于塔的几何形状、雷诺数和塔体表面粗糙度外，还与近地风特性等有关。2）在60 120范围内，表面粗糙的冷却塔比表面光滑的冷却塔的脉动风压系数值要小。另外，在不同雷诺数和不同高度处，冷却塔的脉动压力系数也是不同的。3）

16、冷却塔刚性较强，因此结构响应很小。 群体干扰问题群体干扰问题英国度桥电站冷却塔倒塌的原因 喉部处平均压力分布 不同高度处平均压力分布 倒塌的三座冷却塔均处于前排冷却塔的尾流区时，电站建筑物和群塔的布置对他们的平均压力分布和脉动压力分布均产生明显影响。特别是1A塔。由于压力分布的变化，使背风区的冷却塔在其子午线方向上的应力要比迎风区的冷却塔高出10%20%。 烟囱烟囱 单筒烟囱动态响应的特点：在高风速时，位移响应主要来自横风向响应。研究结果还表明：在临界雷诺数下，有烟排放时对烟囱位移响应的影响可以忽略；在临界雷诺数下，烟囱的结构响应和风向角无关；烟囱的固有频率对结构响应有明显的影响，当烟囱的结构

17、阻尼很大时，则负气动阻尼的影响可以忽略。 双筒烟囱结构响应研究的结果可以归纳如下： 烟囱的加速度响应均方根值近似地与风速的平方成正比。当来流风向与两个烟囱轴线垂直时，横风向加速度响应均方根值与顺风向加速度响应均方根值没有明显的区别，有时横风向大一些，有时顺风向大一些。当来流风向与两个烟囱轴线平行时，横风向加速度响应均方根值是顺风向加速度响应均方根值的二倍。 架空输电线路系统架空输电线路系统 架空输电线路是电力传输的最主要形式。架空输电线路系统由铁塔、输电导线和金具组成。随着电力工业的发展，电网的电压等级不断提高，铁塔高度和挡距也随之增加。因此，在风的作用下会引起线路系统振动而导致导线断股，金具

18、损坏，铁塔损伤，严重时会造成铁塔倒塌、线路破坏的事故。因此，对架空输电线路系统的风荷载和结构响应的研究十分必要 。 输电导线是一根细长的柔性体，其振动包括三种形态：横向（包括垂直方向与水平方向）振动；跨间绕两端固定点的摆动；导线绕自身轴线的扭转振动。其中主要是横向振动和扭转振动。 为了防止输电导线舞动，采取了各种防舞动装置和防舞动措施，如失谐摆、防振锤等。失谐摆是用来调整扭振固有频率，使其与横向振动的高阶固有频率分离，防止产生耦合而诱发舞动；防振锤的原理是增加导线的质量，提高发生舞动的临界风速。另外，还有采取弹簧防振装置、扰流防舞器、双摆防舞器、偏心重锤防舞器等 低矮建筑物低矮建筑物 低矮建筑

19、物处于大气边界层底部，风速剪切大，湍流强度高，形状各异，而且又处于建筑群中，绕流十分复杂。在现行的建筑结构荷载规范中关于低矮建筑物的风荷载资料主要适用于典型的单体民用建筑物。因此，必须根据具体的低矮建筑物，特别是大跨度曲面屋盖结构的低矮建筑物，对其进行风荷载和结构响应的研究，下面介绍平面屋盖建筑物和曲面屋盖建筑物。1平面屋盖建筑物 平面屋盖建筑物是最普通的低矮建筑物构型，特别是在住宅区，成群体排列。对于单体的平面屋盖建筑物一般可以在现行的建筑结构规范中得到关于风荷载的资料。 从极端风对低矮建筑物破坏的研究中表明：低矮建筑物风荷载的大小与建筑物的外形及其排列方式有关，因此，对低矮建筑物，特别是建

20、筑群的风荷载研究非常重要。 处于建筑群中的低矮建筑物，其受建筑群的干扰影响与建筑物的形状，建筑物所处的位置等有关，在一定的情况下，建筑群的干扰会使作用在其中的单体建筑物的顺风向力增加。 2曲面屋盖建筑物 从功能和美学综合的角度考虑，现代有很多建筑物的屋盖都设计成形状各异的曲面形薄壳三维空间结构，风荷载和结构响应的问题非常突出。在现行的建筑物结构荷载规范中，对这类建筑物没有可供使用的压力系数和风振系数的数据，因此，一般都要通过风洞试验来获取。 1）大跨度曲面屋盖建筑 大跨度曲面屋盖上普遍存在着负压区，负压区的范围和负压值的大小随风向角的变化而变化，因此，在结构设计和选址时必须给予充分的考虑，在外

21、形设计时要做到美学和空气动力学的结合，尽量减少负压区或负压峰值。大跨度曲面屋盖的结构响应特性非常复杂，其加速度响应往往是多模态耦合振动，而且随风向角的变化而变化，因此，抗风设计时要通过风洞试验和数值模拟对其进行稳定性分析。在一定的风向角下，建筑物周围的风环境对建筑物屋盖的风荷载和结构响应会产生重要的影响，必须加以综合考虑。 第四章第四章建（构）筑物其它风效应问题建（构）筑物其它风效应问题1 建筑物风环境和舒适性建筑物风环境和舒适性 当地面风绕过建（构）筑物或建（构）筑群时，将在其周围形成包括分离、再附、旋涡脱落和尾迹在内的复杂流场。随着建（构）筑物高度和密度的增加，局部风速变化亦将明显加强，由

22、此而带来的风环境问题越来越引起人们的重视。在城市中，近地风的形态以相当复杂的形式依赖于建（构）筑物的尺度、外形、建（构）筑物之间的相对位置以及周围的地形地貌，会出现“街道风”和“大厦风”。在一般的气象条件下，它们直接影响城市环境的小气候和人们对环境的舒适性。当遇到大风时，这种影响就会变为灾害，使建（构）筑物外墙局部区域的幕墙玻璃或窗户受到破坏。另外，瞬时改变风向或突然提高风速的“城市风”还会使人摔伤或使行驶的车辆发生车祸等。另外，从环境问题的角度看，气流绕建(构)筑群所引起的“风谷”与“风穴”现象，会阻碍有害气体的高空排放和扩散，使城市的大气污染加剧。因此，在城市建设规划时，必须认真考虑建（构

23、）筑物的风环境和舒适性。 1.1 建筑物周围风环境 当自然风流经建筑物，特别是流经建筑群时会产生各种风效应，这些风效应除了对行人会产生不舒适感外，还会造成建筑物的局部损坏，以及造成局部地区的环境污染，因此，需要通过合理规划来保持一个良好的城市局部风环境。 研究建筑物周围的风环境主要是风洞模拟试验，也可进行数值模拟计算。 一般可以用Ri（又称之为舒适参数）来评估建筑物周围行人高度处（1.6米）的舒适性， iiVRV风场中第i点处行人高度处的平均风速；未受干扰的来流行人高度处的平均风速。 iVV建筑物周围的风效应现象 1）角区气流效应当气流流经建筑物迎风面拐角时，由于迎风面的正压和侧风面的负压的作

24、用，使气流在拐角周围处被加速。2）穿堂风效应当气流流经一个连接迎风面与背风面的过道门洞时，由于迎风面的正压和背风面的负压的作用，使气流在门洞内侧加速；当门洞面积收缩时，气流加速更大。3）环流效应当气流绕过曲面建筑物时，在迎风面会产生压力梯度，在侧风面产生负压，使周围形成环流，气流被加速。4）巷道效应巷道效应是由建筑物之间的巷道所形成的，对来流起到导流的作用，从而改变气流的速度。5）逆流效应逆流效应是由建筑群的布局引起的，当气流流经建筑群时，由于局部地区的逆向压力梯度，会产生与来流方向相反的流动。 体育场的风环境特性对室外体育运动成绩好坏有重要的影响，因此，有的运动项目如田径运动中的短跑和跳远比

25、赛时，对风速大小有一定的限制，根据田径比赛规则：赛场内风速不能超过2m/s（顺风向时）。为了保持体育场内良好的风环境特性，一般都要获得离地一定高度处的风速和风向分布。 1.2 建（构）筑物舒适性 建（构）筑物舒适性问题主要有两个方面：一是风荷载作用下引起的结构响应对居住者的舒适性影响；另一个是建（构）筑物周围的风环境对行人的舒适性影响。 1）舒适性准则舒适性要求可描述为建（构）筑物设计时应使其居住者和其周围行人不会感到难以接受的不舒适。所谓“难以接受的不舒适”可以这样来理解：在任一给定的设计中，不同程度的不舒适可望以一定的频率发生，这种频率取决于对应的不舒适程度，如果判断有一个频度太高，则对应

26、的这种不舒适度就是难以接受的。检验一个设计是否符合给定的舒适性准则所提出的要求，包括两个步骤：第一，估算在多大的风速下，所考虑的参数将超过舒适性准则的规定值（该值可视为临界值）；第二，根据相应的气候资料，估算这些风速所发生的频度。如果估算出的频度低于舒适性准则规定的最大可接受频度，则符合舒适性设计要求。 2）结构响应对居住者舒适性的影响结构响应对居住者舒适性的影响可以分别从位移响应的影响与加速度响应的影响来考虑。在加拿大国家建筑规范中对建筑物的最大水平极限位移定为建筑物高度的1/2501/1000，初步分析时，可以取1/500。另外，规范还指出，建筑物在10年重现期内的最大加速度应小于0.01g0.03g时，其中低值适用于住宅楼，高值适用于办公楼。3）风环境对行人舒适性的影响2m高度处风对人的作用以及人们的适应程度，可以下列不同平均风速界定： 5m/s时，开始感到不舒适；10m/s时，明显感到不舒适；20m/s时，则出现危险。 在实际应用中，舒适性常用各种不舒适度的风出现的概率来描述。加拿大建筑荷载规范要求：当有80%以上的时间满足舒适性要求时，则该位置处就满足对应状态（