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1、1 荷载与结构设计方法 土木工程学院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4 顺风向风振 荷载与结构设计方法 土木工程学院v二、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 ,是引起结构顺风向振动的原因（ 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，周期一般只有几秒钟 平均风速 v 长周期成分，周期一般在 10 min 以上 vf
2、v(t)t规律： 粗糙度大，平均风速小，而脉动风幅值大、频率高？风的不规则性引起4 顺风向风振 荷载与结构设计方法 土木工程学院 幅值特性 为 零均值正态 随机过程 vf(t), t T 幅值服从 正态分布 ，其概率密度函数为：v：脉动风速的均方差 :vfi： vf的一条时程记录曲线4 顺风向风 振 脉动风 的特性风湍流强度表示： Iv= v/v v随高度变化不明显，故 IV随高度增加而减小。风速脉动程度 荷载与结构设计方法 土木工程学院 频率特性 可用 功率谱密度描述功率谱密度 的定义： 脉动风振动的频率分布自相关函数 ：互为傅立叶变换 均方差，也可由功率谱密度函数积分得到 Davenpor
3、t水平脉动风速功率谱密度 （经验公式）4 顺风向风 振 脉动风 的特性 荷载与结构设计方法 土木工程学院三 、 顺风向风压4 顺风向风振wz= sz(z) w0顺风向风压 = 顺风向平均风压 + 顺风向脉动风压平均风压：脉动风压：？应按随机理论计算或简化哪些结构考虑脉动风压？ GB50009规定： 基本自振周期 T10.25s的各种高耸结构； 对风敏感、或跨度 36m的柔性屋盖结构； 高度 H 30m且高宽比 H/B 1.5的房屋。 荷载与结构设计方法 土木工程学院四、顺风向脉动风效应 脉动风 随机动力作用 按 随机振动理论 进行分析1、 主要承重结构 风振系数 顺风向风压 = 顺风向平均风压
4、 + 顺风向脉动风压即 ， w(z)=wZ(z)+wd(z)=1+wd(z)/ wZ(z) wZ (z)=z sz(z) w0where， z 高度 z处的风振系数4 顺风向风振2 荷载与结构设计方法 土木工程学院4 顺风向风 振 荷载与结构设计方法 土木工程学院4 顺风向风 振 荷载与结构设计方法 土木工程学院4 顺风向风 振 荷载与结构设计方法 土木工程学院4 顺风向风 振 荷载与结构设计方法 土木工程学院T1： 荷载规范附录 F 教材 P56 4.4.6振型 ：荷载规范附录 G 教材 P554 顺风 向风振 荷载与结构设计方法 土木工程学院振型近似公式均匀高层：附录 G4 顺风向风振3
5、荷载与结构设计方法 土木工程学院2、围护结构 -阵风系数对于围护结构（包括门窗），由于其刚度一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，可仅在平均风的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，通过 阵风系数 gz 来计算风效应。即 w(z)= gz s z(z) w0表 8.6.1 规范 P62；教材 57 4 顺风向风振 荷载与结构设计方法 土木工程学院1.沿建筑高度分区段 -10段，每段计算风荷载标准值；2.风荷载体型系数（附录二 37或 47）3.风压高度变化系数（ P49表 4.5）4.风振系数（ 1）共振分量因子 R（结构基本周期）（ 2）背景分量因子 Bz（振型和相关系数）5.据各区段
6、中点风压值求弯矩4 顺风向风振P57【 例 4-1】 ：某钢筋混凝土框架剪力墙建筑 ， 质量和外形沿高度均匀分布 ， 平面为矩形截面 ， 房屋总高度 H=100m， 迎风面宽度B=45m， 建于 C类地区 ， 基本风压值 0.55kN/m2。 求垂直于建筑物表面上风荷载标准值及建筑物基底弯矩 。 荷载与结构设计方法 土木工程学院5 横风向风振5.1 涡激共振 （ 对细柔性结构应考虑 ） 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 （ Reynolds number） Re有关 DvvDDDv Dv
7、R e 222粘性力惯性力雷诺数其中： 流体粘性系数 = / 动粘性D 圆柱截面直径（外流） Re相同，流体动力相似； Re增大，层流向湍流（或紊流）转换。 荷载与结构设计方法 土木工程学院5 横风向风振粘性力 =粘性应力 面积 A =（粘性系数 速度梯度 dv/dy） 面积 A惯性力 =单位面积上的压力 v2/2 面积 A典型雷诺数 Re值：普通航空飞机： 5 000 000 小型无人机： 400 000海 鸥： 100 000 滑翔蝴蝶： 7 000圆形光滑管道： 2 500 橡胶管道： 1 6002 100主动脉中的血流： 1 000 大脑中的血液流 ： 100雷诺数 Re对于空气， =
8、 0.145 10-4 m2/s，则 Re = 69000 vD 如果 Re 1000， 则以惯性力为主， 低 粘性流体； 荷载与结构设计方法 土木工程学院 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，即发生 横向风振 。ABBC5 横风向风振斯脱罗哈数 （ 无量纲 ） 描述： S
9、t=fsD/V=D/(VTs)， 对圆形截面结构取 0.2 荷载与结构设计方法 土木工程学院5 横风向风 振 结构横风向共振现象横向风 旋涡 脱落 频率 （ fs ）与结构横向自振基本频率（ f1）接近时，结构横向产生共振反应 锁住（ lock-in）现象 试验表明，一旦发生涡激共振，结构自振频率就控制旋涡脱落频率 锁定： 一般情况下，脱落频率随风速变化，而横向共振时， 脱落 频率不变，与结构自振周期保持一致 锁住区域： 风旋涡脱落频率 fs保持常数（ =结构频率 f1）的风速区域 当风速大于结构共振风速 1.3倍时，脱落频率重新按新的频率激振5.2 锁住现象及共振区高度vcr 1.3vcrs
10、=2fs= 2St v(z)/D(z)4 荷载与结构设计方法 土木工程学院5 横风向风 振 共振高度临界风速 Vcr： （ 涡激共振发生的初始风速 ）5.2 锁住现象及共振区高度对应 1.3Vcr时 ，Where， Tj：结构第 j 振型自振周期St：斯托罗哈数，对圆形截面结构取 0.2若离地高度 H， 若已知 VH， 则：实际工程一般取 H2=H 荷载与结构设计方法 土木工程学院 对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力跨临界范围（确定性振动）锁住区域 : PL(z)sin1t其它区域： PL(z)sins(z)t亚临界范围（确定性振动） PL(z)sins(z)t超临界范围（随机
11、振动） PL(z)f (t)5 横风向风 振 荷载与结构设计方法 土木工程学院 结构横向风振的等效风荷载按以下规定：1. 平面或立面体型较复杂复杂的高层建筑和高耸结构等效风荷载 wLK宜按风洞试验确定。2. 对于圆形截面高层建筑等效 风荷载 wLK可按规范附录 H.2确定。5.3 横风向风振验算横风向风较顺风向风小的多，对称结构可以忽略但高层建筑、高耸、烟囱、线缆等。 风振效应明显，宜考虑影响因素：结构截面形状、雷诺数（惯性力 /粘性力）。雷诺数作用：动力相似定律、层流与湍流转换尺度5 横风向风振 荷载与结构设计方法 土木工程学院雷诺数 Re= 圆筒式结构三个临界范围3.5 106跨临界3.0
12、 105超临界3.0102亚临界5 横风向风振微风共振 随机不共振 强风涡激共振风速 V极少遇到V很小，可以忽略 防振构造措施 或控制 Vcr不小于 1.5m/s不考虑 结构顶部风速 1.2VH大于 Vcr时应考虑How? 荷载与结构设计方法 土木工程学院2)结构横风向风振验算02000wHH wv Where, 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； ？5 横风向风 振结构顶部风速 VH： 设计时必须按 不同振型 对结构予以验算 横风向风振可能与结构不同振型发生共振。 一般低振型起主导作用，可只考虑前 4阶振型。02000HH wv 荷载与结构设计方法 土木工程学院
13、 规范附录 H.1： 圆形 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/（ 12800j） (kN/m2)其中 ， 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 P62表 4.14 或规范表 7.6.2确定；zj在 z高处结构的 j振型系数 ， 计算或表 4.9；j第 j振型的阻尼比 ， 对第一振型 ， 混凝土结构取 j =0.05。临界风速起算点高度 H1：5 横风向风振2)结构横风向风振验算 附录 H.2： 矩形/11 2.1 HcrvvHH5 荷载与结构设计方法 土木工程学院22cAS S S3）结构总效应 考虑顺风向
14、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。 采用 平方和开方（ SRSS） 近似估算总的风动力效应结构总风效应 结构顺风向 效应， w(z)=z s z(z) w05 横风向风振结构横风向 风振效应 荷载与结构设计方法 土木工程学院5 横风向风振5.3 横风向风振验算例题 4.2 P632012规范修订： 荷载与结构设计方法 土木工程学院6 桥梁风荷载自学 荷载与结构设计方法 土木工程学院课后作业1. 某钢筋混凝土 剪力墙结构 ，质量和外形沿高度均匀分布，平面为矩形截面，房屋总高度 H=100m，迎风面宽度 B=42m，建于 D类 ，基本风压值 0.50kN/m2） 。求垂直于建筑物表面上风荷载标准值及建筑物基底弯矩。2. 某钢筋混凝土烟囱，平面为圆形截面，底部直径 8m，顶部直径 4.8m，总高度 H=90m，截面沿高度均匀变化 ;自振周期 T1=1.2s， T2=0.6s，阻尼比 0.05；建于 C类地区，地面粗糙度指数 0.22，基本风压值 0.50kN/m2。求横风向风振等效荷载 。P71： 4.1 4.5 4.8; 4.10 4.12
