风灾及抗风设计

1、风灾及抗风设计 土木1204 23 梅雨辰摘要：本文主要讨论自然界的风灾害及工程抗风设计，首先列举了几种常见的风灾，并对它们的形成原因和主要特点作了阐述，并举了几个风灾的实例，然后初步讨论工程抗风设计，着重阐述了抗风设计需要考虑的几项因素，最后综合这几项因素，给出了规范内的风压标准值计算公式，强调设计结构要满足强度，刚度设计要求，一些特定的结构，还有特定的设计要求。关键词：风灾，抗风设计，风压，修正Wind calamities and wind resistant designcivil engineering Class 1204 No.23 Mei YuchenAbstractThis

2、paper mainly discusses the wind natural calamities and wind engineering design,it first enumerated several kinds of common disaster and the cause of formation ,then it describes their main characteristics and lists several examples of disaster.Afterwards,it briefly discusses wind engineering design,

3、 focusing on several factors needed to be considered in the wind resistant design, finally combining the factors,it gives the calculation formula of pressure values within the specification standard, and emphasize the design structure meet the strength, stiffness design requirements. somes pecific s

4、tructure should also meet some specific design requirements.Keywords:wind calamities, wind resistant design,wind pressure,correction第一部分 风灾简述 自然界的风，当风力和风速超过一定的限度时，会对人或建筑物造成伤害，这样的灾害叫作风灾。常见的风灾有热带气旋灾害，龙卷风，沙尘暴等。下面我们依次来介绍这些灾害的形成原因和主要特点。灾害一 热带气旋灾害热带气旋按其中心附近最大风速划分为6个等级，分别是热带低压，热带风暴，强热带风暴，台风，强台风，超强台风。由于热带低压

5、风速很小，不具备破坏力，一般不将其列为灾害，在讨论灾害时，仅讨论后五种，由于它们都属于热带气旋，形成过程相似,先讨论热带气旋形成过程，再一一介绍它们各自不同的特点。1 热带气旋的形成过程 地面相对于海平面比热容小，温度高，气流上升，海面由于大量风和水蒸气的存在，沿地面补充地面空气，海面温度低，吸收地面上升的空气 ，水蒸气补充空间，并在海上天空积聚，由于蒸汽层上层温度低，水蒸气体积缩小比重增大，蒸汽分子下降，在下降过程中吸热，再上升，遇冷，再下降，如此反复，气体分子逐渐缩小，最后水蒸气在蒸汽层的低温区集中，形成云，云团逐渐逐渐扩大，云内部上下对流越来越剧烈，幅度越来越大，对周围的冷却力越来越强，

6、周围的温度降低，形成冷高压区，空气向中心热低压区流动，由于平衡产生相互补充的力使之成螺旋状流动，形成气旋。2各种类型热带风暴 中心附近最大平均风力8-9级（风速为17.2-24.4m/s）的热带气旋。烈风级风力，预先要有一个弱的热带涡旋存在。强热带风暴 中心附近最大平均风力10-11级（风速24.5-32.6m/s）的热带气旋。暴风级风力。台风中心附近最大平均风力12-13级（风速为32.7-41.4m/s）的热带气旋，在北大西洋及东太平洋叫飓风。强台风 中心附近最大平均风力达14-15级（41.5-50.9m/s）的热带气旋,伴有大暴雨，大海潮，大海啸，易造成人员伤亡，建筑物破坏。 超强台风

7、 风力>=16级，风速>=51.0m/s的热带气旋。风最高时速可以达到300公里以上，所到之处，摧枯拉朽，陆地少见极具破坏力，在海上，海浪超过4米，漫天白沫，是世界上最严重的自然灾害之一.3 灾害实例超强台风“海燕”2013年第30号超强台风，11月4日生成，于11月8日凌晨在菲中部东萨马省登陆，中心最大风力达到每小时314公里。登陆菲律宾时达到17级以上，最大风速达75米/秒。这场台风被视作菲律宾有史以来遭遇的最强台风，多个地区，已造成至少3000人死亡,10000受伤和1000人失踪，全国受灾人口多达428万余人。 灾害二 龙卷风灾害 1形成过程水蒸气上升到天空遇冷形成云，云团

8、逐渐变大，云内部上下对流越来越剧烈，云团下面的水蒸气直向上升，水分子在上升过程中受冷体积越来越小，呈漏斗状。云下气体分子不断补充空间形成了大风，当补充空间的气体极度不均匀时便产生了龙卷风。2特点 龙卷风发生的样子可描述成一个猛烈旋转的圆形空气柱，它的上端与雷雨云相连，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转一边向前移动，当发生在海上时，会出现类似于龙吸水的现象，发生在陆地上时，卷扬尘土，卷走房屋和树木，直径小的不过几十米，一般为200-300m,只有极少数的才达到1000 m以上，寿命很短暂，一般只有几分钟到几十分钟，但它的风速却高达50-150m,极端情况下甚至超声速，当内部存

9、在低气压时，扫过的地方犹如吸泵一般，把几乎一切轻的东西吸卷而起，形成高达的柱体，当扫过建筑物或车辆时，会使其内外产生强烈的气压卷，容易产生爆炸，总的来说，龙卷风所到之处的破坏和损失是极其严重的。3灾害实例2013年5月美国强龙卷美国俄克拉何马城穆尔市20日下午遭遇猛烈龙卷风袭击，确认24人死亡，大量建筑被毁。航拍画面显示，整个遇袭社区被夷为平地，房屋屋顶消失不见，汽车相互重叠。另外，由于燃气管道外露，一些区域起火。灾害三 沙尘暴1形成原因由强风将地面大量浮沉细沙吹起，卷入空中，使得空气混浊，需要两个必备条件：一 有足够强大的，持续时间长的风力，二风所吹之处土质松软干燥。2特点飞沙走石，日光昏暗

10、，能见度极差，对航空，交通运输及生产有严重影响，风力强大时也对电线杆等建筑物造成破坏。3灾害实例2014 伊朗罕见沙尘暴6月2日，伊朗首都德黑兰遭遇了一场恐怖沙尘暴。风速达每小时110公里，天昏地暗，大树被连根拔起，高速公路20多辆车连环相撞，如同好莱坞灾难片。目前，沙尘暴已造成至少5人死亡，30多人受伤，许多地区电力中断，部分国际航班取消。第二部分 工程结构抗风设计初步1必要性：风灾是一种自然灾害，尽管有气象卫星的帮助气象台的监测和预报日益精准，人可以在风灾来临前提前疏散，但是向房子，桥梁这些不动的建筑物却避免不了收到一定的破坏，为了减轻风对这些建筑物的破坏，必须对工程结构进行抗风设计。2关

11、于风的一些物理量风压：风以一定的速度向前运动时，对阻塞物产生的单位面积压力。风荷载：风压沿物体表面积分所得到作用力，一般有三个分力成分，以沿着风前进方向的顺向风力为主，另两个是横向风力和风扭力矩，在非细长结构影响很小，可不考虑。平均风：以大量实测资料中风的顺风向时程曲线为依据，将顺向风力中持续10min以上的长周期稳定风，鉴于风长周期远大于结构的自振周期，所以平均风对结构的动力效应很小，可将其等效为静力作用。脉动风：顺向风的短周期成分，一般仅仅持续几秒钟，强度随时间无规则变化，与工程自振周期相接近，将使结构产生动力效应。3抗风设计考虑的四个因素 基本风压wo我国荷载规范规定，当地比较空旷平坦的

12、地面，在离地10m高处，统计50年一遇的10min时距平均年最大平均风速，根据最大平均风速，代入伯努利方程导出公式w=1/2/g*v2(为空气单位体积的重力，g为当地重力加速度)，即为当地的基本风压，用wo表示。风压高度变化系数z 基本风压只是离平坦地面10m的风压，一般建筑物的高度不可能正好为10m，周围的地形不一定空旷平坦，公式是自由气体遇到建筑物停滞的理想状况，实际工程中需加以修正，当考虑风压随高度变化时，用风压高度变化系数z,计算非10m高度处建筑物所受的风压，我国建筑荷载规范将地面粗糙度分为A，B，C，D四类，每一类的风压高度变化系数可查上述规范。体型系数s实际风经过建筑物，往往对正

13、面施加压力，而对侧面和背面为吸力，可见各面上风压是不同的，在计算风压时，为了解决体型不同，风压不同的问题，引入风载体型系数，将其定义为建筑物表面受到的风压与大气中气流风压之比，用s表示，它实际上就是各面上的风压平均值与基本风压的比值，反映各面上的压力变化，一般建筑结构的风载体型系数可查阅建筑结构荷载规范。风振系数zz是衡量脉动风建筑左右振动的剧烈程度，对于自振周期T<0.25s,高度<30m或高宽比<1.5的房屋，脉动风对其影响很小，取=1，但对于高层，高耸，柔性等结构，脉动风对其影响是必须考虑的因素，在忽略扭转，且忽略横向风力的影响，只考虑顺向风力作用，此时在z处风振系数z

14、=1+*z/z，其中脉动增大系数，脉动影响系数，z振型影响系数，均有相关规范表格供取用。4抗风设计要求综合这四个基本因素，我国1987年设计规范将垂直于建筑物表面风压标准值公式定义为 wk=szwo，得出了wk的计算公式，便清楚了实际风对建筑物各点压力分布情况。对一般结构进行抗风设计，在设计风荷载和其他荷载作用下，结构应同时满足强度设计和刚度设计要求。强度设计要求是指建筑物的每个部分的实际承载力要小于极限承载力/ 安全系数，这样才能保证结构不发生开裂破坏，倒塌。刚度设计要求是指结构的变形应控制一定的范围内，尤其征对高层建筑和大跨建筑，如高层建筑在风荷载的作用下，结构顶点的水平位移和各层的相对位移要符合JGB-2002高层建筑混凝土结构技术规程，这样才能避免结构不会因为位移变形过大而损坏。在满足强度和刚度要求的情况下，对一些特殊结构，抗风设计还需符合一些特殊的要求。如高层建筑还需考虑居住者舒适要求，人体的舒适度主要与振动频率，振动加速度和振动持续时间有关，在这三者之中，结构振动的加速度相对容易调节，为此一般限制结构振动加速度来满足舒适度的设计要求，根据人体舒适度界限标准建议，公寓建筑的加速度界限0.20m/s2,