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1、第四章 风荷载,内容提要 第一节 风的有关知识 第二节 风压 第三节 结构抗风计算的几个重要概念 第四节 顺风向结构风效应 第五节 横风向结构风效应 第六节 结构总风效应,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上升,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 发生在热带海洋上空的一种气旋。 2、季风 由于地球表面性质不

2、同，热力反映有所差异引起的。,三、风级（根据风对地面或海洋物体影响程度）* 13个等级（0级12级）（P37，表4-1） 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,风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一。其影响因素有：基本风压、高度、地貌环境等。,为了设计方便，可按规定的量测高度、地貌环境等标准条件确定风速。对于非标准条件下的情况由此进行换算。,风速与风压的关系：,为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、测量高度进行统一规定。,2、基本风压w0

3、 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压 地貌（地面粗糙度） 空旷平坦地貌 高度 10米高为标准高度 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w 0= 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,3、风压高度变化系数z 地面的粗糙度、

4、温度垂直梯度 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 地面粗糙度和温度垂直梯度 通常认为在离地面高度为300m 500m时，风速不再受地面粗糙度的 影响，达到“梯度风速”，该高度称为梯度风高度HG 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 梯度风高度HG 风压高度变化系数z A类 0.12

5、300m 1.379(z/10)0.24 B类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类 0.30 450m 0.318(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。 【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？,4、风荷载体型系数 风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值。主要与建筑物的体型和尺度有关，也

6、与周围环境和地面粗糙度有关。 风载体型系数一般采用相似原理，对拟建的建筑物模型进行试验确定。,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,

7、+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 ？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：

8、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,第三节 结构抗风计算的几个重要概念,PL 截面 风速 B PM PD 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、顺风向平均风与脉动风, 顺风向风速时程曲线, 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）, 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

9、几秒钟,vf,v(t),t,三、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，

10、即发生横向风振 。,雷诺数 Re=, 圆筒式结构三个临界范围,跨临界范围： Re 3.5 106 强风共振,超临界范围： 3.0105 Re 3.5 106 呈随机性,亚临界范围： 3.0102 Re 3.0 105 微风共振,3.5 106,跨临界,3.0 105,超临界,3.0102,亚临界,第四节 顺风向结构风效应,GB50009规定： 基本自振周期T10.25s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 1.风振系数 脉动风是一种随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。对第一

11、振动起控制作用的结构，工程上应用风振系数来考虑:,2.脉动增大系数,3.结构振型系数,弯曲型：,弯剪型：,当悬臂型高耸结构的外形由下向上逐渐收近，截面沿高度按连续规律变化时，其振型计算公式十分复杂。此时可根据结构迎风面顶部宽度BH与底部宽度B0的比值，按表3-10确定第1振型系数。,4.脉动影响系数,脉动影响系数主要反映风压脉动相关对结构的影响。,建筑结构荷载规范(GB 500092001)对于高耸结构和高层建筑，考虑结构外形和质量沿高度分布的不同状态，给出了脉动影响系数表3-11供设计时直接查用。,1） 结构迎风面较小的情况 对于结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)，若外形、质量

12、沿高度比较均匀，脉动系数可按表3-11采用。当高耸结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线规律变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表3-11中的脉动影响系数应再乘以修正系数B和 V 。 B应为构筑物迎风面在z高度处的宽度Bz与底部宽度B0的比值， 可按表3-12确定。,2） 结构迎风面宽度较大的情况 对于结构迎风面宽度较大的情况(如高层建筑等)，若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据结构总高度H及其与迎风面宽度B的比值，按表3-13采用。,5.结构基本周期经验公式,1. 高耸结构 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构为： T1=(0.0070.013)H 式中，H为结构物总高(m)

13、。 一般情况下，钢结构刚度小，结构自振周期长，可取高值；钢筋混凝土结构刚度相对较大，结构自振周期短，可取低值。 2. 高层建筑 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构： 钢结构T1=(0.100.15)n 钢筋混凝土结构T1=(0.050.10)n 式中，n为建筑层数。 对于钢筋混凝土框架和框剪结构可按下述公式确定： T1=0.25+0.5310-3 对于钢筋混凝土剪力墙结构可按下述公式确定： T1=0.03+0.03 式中，H房屋总高度(m)； B房屋宽度(m)。,6.阵风系数 对于围护结构，包括玻璃幕墙在内，脉动引起的振动影响很小，可不考虑风振影响，但应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘

14、以阵风系数。阵风系数参照国外规范取值水平，按下述公式确定： 式中： 脉动系数； k 地面粗糙度调整系数：对A、B、C、D四种类型，分别取0.92、0.89、0.85、0.80。 阵风系数 也可根据不同粗糙度类别和计算位置离地面高度按表3-14采用。 表3-14 阵风系数,7. 顺风向风荷载标准值 当已知拟建工程所在地的地貌环境和工程结构的基本条件后，可按前述方法逐一确定工程结构的基本风压W0、风压高度变化系数 、风荷载体型系数 、风振系数 和阵风系数 ，即可计算垂直于建筑物表面上的顺风向荷载标准值。 (1) 当计算主要承重结构时，风荷载标准值Wk按下述公式计算： (2) 当计算围护结构时，风荷

15、载中标准值wk按下述公式计算：,第五节 横风向结构风效应,横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同的振型发生共振效应。对跨临界的强风共振，设计时必须按不同振型对结构予以验算。（这部分为自学内容） 跨临界范围：,PL(z)sins(z)t 跨临界范围 PL(z)sinst z （确定性振动） s =1 锁住区域 y PL(z)sins(z)t x 超临界范围 v （随机振动） PL f(t) 亚临界范围 （确定性振动）PL(z)sins(z)t 结构横风向风力分布, 对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力,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

16、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vHvcr。,(4-70),f1结构基本自振频率； St斯脱罗哈数，St =fsD/v ，圆截面结构取St =0.2； w风荷载分项系数，取w =1.4； H结构顶部风压高度变化系数； w0基本风压(kN/m2)； 空气密度(kg/m3)。, 当Re 3.5 106 且结构顶部风速vHvcr 时（跨临界的强风共振 ） 设计时必须按不同振型对结构予以验算 跨临界强风共振引起在 z 高处振型 j 的等效风荷载wczj： wczj = j v2crzj/12800 j (kN/m2) j计算系数，是对振型情况下考虑与共振分布有关的折算系数，按规范表7.6.2确定； zj在z高处结构的j振型系数； j 第j振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取 j =0.05。,当结