荷载及结构设计方法风荷载

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1、第3章 风荷载 1.1 第3章 风 荷 载 返回总目录返回总目录 第3章 风荷载 1.2 风的有关知识 风压 风压高度变化系数 风荷载体型系数 结构抗风计算的几个重要概念 顺风向结构风效应 横风向结构风效应 结构总风效应 思考题 本章内容 第3章 风荷载 1.3 一、风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程 度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压 力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风 。 在低空受指向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流 向低纬地区；在高空气压梯度指向高纬，空气则从低纬流向 高纬地区，这样就形成了如图 3.1 所示的全球性南北

2、向环流。 风的有关知识 图图3.1 3.1 大气热力学环流模型大气热力学环流模型 第3章 风荷载 1.4 二、两类性质的大风 1. 台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面 上空，若有一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩 擦作用使气流产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气 的大量水汽带到涡旋内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升 和对流运动，释放潜热以加热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋 中心变暖，空气变轻，中心气压下降，低涡变强。当低涡变强，反过来又 使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水汽向中心集中，对流更旺盛，中 心变

3、得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直至增强为台风。 2. 季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间 大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。 第3章 风荷载 1.5 三、我国风气候总况 (1) 台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是 我国最大的风区。 (2) 东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由 沿海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明 ，在离海岸100km处，风速约减小一半。 (3) 东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与 寒潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有

4、可能超过寒潮风速。 黑龙江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里 的风速不大。 (4) 青藏高原地势高，平均海拔在45 km，属较大风区。 (5) 长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒 潮风到此也是强弩之末。 (6) 云贵高原处于东亚大气环流的死角，空气经常处于静止状态，加之 地形闭塞，形成了我国的最小风区。 第3章 风荷载 1.6 四、风级13级 风力 等级 名称 海面状况浪高/m 海岸渔船征象陆地地面物征象 距地10m高处相当风速 一 般 最 高 km/hmile/hm/s 0静风-静静、烟直上2.5H时，取z=2.5H。 第3章 风荷载 1.2

5、0 风压高度变化系数 表3-5 风压高度变化系数 第3章 风荷载 1.21 风压高度变化系数 山坡和山峰的其他部位如图3.3所示，取A、C处的修正 系数 、 为1，AB间和BC间的修正系数按 的线性插值确定。 图图3.3 3.3 山坡和山峰示意图山坡和山峰示意图 第3章 风荷载 1.22 风压高度变化系数 (2) 山间盆地、谷地等闭塞地形 =0.750.85；对于与 风向一致的谷口、山口， =1.201.50。 对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化 系数可按A类粗糙度类别，除由表3-5确定外，还应考虑表3-6 中给出的修正系数。 表3-6 远海海面和海岛修正系数 距海岸距离/km4

6、0406060100 修正系数1.01.01.11.11.2 第3章 风荷载 1.23 风荷载体型系数 一、 单体风载体型系数（表3-7） 图 3.4 所示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的 分布，设计时可以直接取用。图中风荷载体型系数为正值， 代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷 载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离 开建筑物表面。 图3.4 封闭式双坡屋面风荷载体型系数 第3章 风荷载 1.24 风荷载体型系数 二、 群体风压体型系数 当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近 时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的 局部风压显著

7、增大。设计时可将单体建筑物的体型系数 乘以 相互干扰增大系数，该系数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。 第3章 风荷载 1.25 风荷载体型系数 三、局部风压体型系数 验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用 ： (1) 建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范(GB 500092001)表 7.3.1中风荷载体型系数采用。 (2) 建筑物外表面负压区，对墙面取 1.0；对墙角边取 1.8；对屋面局部 部位(周边和屋面坡度大于10的屋脊部位)取 2.2；对檐口、雨篷、遮阳板 等突出构件取 2.0。 (3) 对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取

8、 0.2或 +0.2。 第3章 风荷载 1.26 结构抗风计算的几个重要概念 一、结构的风力与风效应 水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压 沿表面积分可求出作用在结构的风力，结构上的风力可分为顺风向风力 、横风向风力 及扭风力矩 ，如图3.5所示。 式中， B结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸； 顺风向的风力系数，为迎风面和背风面体型系数的总和； ， 分别为横风向和扭转力系数。 图3.5 作用于结构上的风力 第3章 风荷载 1.27 结构抗风计算的几个重要概念 二、顺风向平均风与脉动风 实测资料表明，顺风向风速时程曲线中，包括两种成分(图3.6)：一种 是长周

9、期成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有 几秒左右。根据上述两种成分，应用上常把顺风向的风效应分解为平均风 (即稳定风)和脉动风(也称阵风脉动)来加以分析。 图3.6 平均风速和脉动风速 平均风相对稳定，可以忽略，可将其等效为静力作用。 脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉 动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，使结构产生动力响应 。实际上，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。 第3章 风荷载 1.28 结构抗风计算的几个重要概念 三、 横风向风振 横风向风振是由不稳定的空气动力作用造成的，它与结构截面形状及雷诺数有关， 空气在流动中，对

10、流体质点起着重要作用的两种力：惯性力和粘性力。 雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动力相似。雷诺数 可表示 为： (3-11) 式中， 空气密度(kg/m3)； v计算高度处风速(m/s)； D结构截面的直径(m)，或其他形状物体表面特征尺寸； 动粘性系数， 。 在式(3-11)中代入空气动粘性系数1.45l0-5m2/s，则雷诺数 可按下式确定： =69000vD (3-12) 第3章 风荷载 1.29 结构抗风计算的几个重要概念 为说明横风向风振的产生，以圆截面柱体结构为例。当空气流绕过圆截面柱 体时(图3.7(a)，沿上风面AB速度逐渐增大，到B点压力达到最低值，再沿下风面

11、 BC速度又逐渐降低，压力又重新增大，但实际上由于在边界层内气流对柱体表面 的摩擦要消耗部分能量，因此气流实际上是在BC中间某点S处速度停滞，漩涡就 在S点生成，并在外流的影响下，以一定的周期脱落(图3.7(b)，这种现象称为卡门 (Karman)涡街。设脱落频率为 ，并以无量纲的斯脱罗哈(Strouhal)数Sr= 来 表示，其中D为圆柱截面的直径，v为风速。 (a)空气流绕过圆绕过圆 截面柱体 (b) 漩涡周期脱落 图3.7 漩涡的产生与脱落 第3章 风荷载 1.30 结构抗风计算的几个重要概念 当气流漩涡脱落频率 与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振，即产 生横风向风振。 对于

12、其他截面结构，也会产生类似圆柱结构的横风向振动效应，但Strouhal数 有所不同，表3-8显示了一些常见直边截面的Strouhal数。 表3-8 常用截面的Strouhal数 亚临界范围 超临界范围 跨临界范围 第3章 风荷载 1.31 顺风向结构风效应 一、风振系数 脉动风是一随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。分析 结果表明，对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于30m、高 宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，由于频谱比较稀疏，第1振动起到控制作用，此时 可以仅考虑结构第1振动的影响，通过风振系数来计算结构的风荷载。结构在z高度

13、处的风振系 数 可按下式计算： (3-13) 式中， 脉动增大系数； 脉动影响系数； 振型系数； 风压高度变化系数。 第3章 风荷载 1.32 顺风向结构风效应 二、脉动增大系数 脉动增大系数 可由随机振动理论导出，此时脉动风导出并经过一定的 近似简化，可得到： (3-14a) (3-14b) 式中， 结构的阻尼比，对钢结构取0.01，对有墙体材料填充的房屋 结构取0.02，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05； 考虑当地地面粗糙度后的基本风压； T1结构的基本自振周期。 第3章 风荷载 1.33 顺风向结构风效应 将上述不同的结构参数及基本风压值代入式(3-14)可得到相应的脉动增大系 数，

14、为方便起见，制成脉动增大系数表3-9供设计时查用。查表前计算 时，对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压。对A类、C类和D类地区应 按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。 表3-9 脉动增大系数 第3章 风荷载 1.34 顺风向结构风效应 三、结构振型系数 结构振型系数应根据结构动力学方法确定。对于截面沿高度不变的悬臂型高耸结构和高层 建筑，在计算顺风向响应时可仅考虑第1振型的影响，根据结构的变形特点，采用近似公式计算 结构振型系数。对于高耸构筑物可按弯曲型考虑，结构第1振型系数按下述近似公式计算 ： (3-15) 对于高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑

15、，结构第1振型 系数按下述近似公式计算： (3-16) 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。 第3章 风荷载 1.35 表3-10 截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数 顺风向结构风效应 第3章 风荷载 1.36 顺风向结构风效应 四、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，对于无限自由度体系，脉动影响系数 可按下述公式确定： (3-17) 由式(3-17)可知，脉动影响系数 涉及风压空间相关系数和脉动系数 f两个参数。 风压空间相关系数是考虑风压脉