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1、第4章 风荷载,第4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,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而形成 地表上存在气压差或压力梯度,二、两类性质的大风
2、 1、台风 弱的热带气旋性涡旋 辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部 形成暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降） 低涡增强 辐合加强 。（循环） 台风(typoon) 台风名字,2、季风(season wind) 冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋 夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高 风从海洋吹向大陆 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
3、风 狂风 暴风飓风,1926年9月，美国迈阿密17层高的Meyer-Kiser大楼在一次飓风袭击下，维护结构受到严重破坏，钢框架结构发生塑性变形，大楼在风暴中严重摇晃，顶部残留位移达0.61m。,风灾实例,当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍物产生压力。,风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引起多种类型的振动效应。,第4章 风荷载,美国约翰汉考克大楼（John Hancock），自1972年夏天至1973年的1月，由于外饰玻璃经常遭受大风破坏，不得不更换所有的玻璃，耽误了三年半的使用，还增加了830万美元的预算。,第4章
4、风荷载,1988年美国Missouri一座高610m的电视桅杆在阵风下倒塌。,第4章 风荷载,1965年11月1日，英国渡桥（Ferrybridge）热电厂的8座大型冷却塔，每座塔高116m，直径93m，其中有3座塔在风暴袭击中被吹毁，该事故促使人们开始注重群体风效应的研究。,第4章 风荷载,位于上海嘉定的国际赛车场F1看台设计时考虑了12级强台风影响，但在事故当天，嘉定区部分地段遭受了13级（40m/s）的强台风，是造成这起事故的主要原因，赛车场损失上千万元 。,第4章 风荷载,厂房屋面风致破坏,第4章 风荷载,膜结构风致破坏,第4章 风荷载,广告牌风致破坏,第4章 风荷载,2006年3月1
5、2日，位于福建泉州北峰路段的一块大型户外广告牌被大风吹倒，压住了两辆行驶中的摩托车，造成3人死亡。当天，受强冷空气影响，泉州气温持续下降，并伴有8级大风。,2007年7月29日下午，郑州市区瞬时大风吹倒郑州市文化路的巨幅广告牌。将4辆奇瑞轿车全部压在身下，砸塌了另外2辆轿车的车顶。倒塌的广告牌下，停放着10多辆展销轿车。,1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥（Tacoma Bridge）因风振致毁，这一严重的桥梁事故，开始促使人们对桥梁的风致振动问题进行系统深入的研究。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日
6、建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，虽然设计风速为60m/s，但在19m/s风速下结构就产生强烈扭曲振动而遭破坏。,第4章 风荷载,风致桥梁破坏,第4章 风荷载,第4章 风荷载,风毁桥梁表,第4章 风荷载,JGJ3 高层建筑混凝土结构技术规程,高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行建筑结构荷载规范规定的10年一遇的风荷载取值计算顺风向与横风向结构顶点最大加速度amax不应超过下表的限值。必要时，可通过专门的风洞试验结果确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，且不应超过下表的限值。,第4章 风荷载,抗风减振措施,台北101大楼（
7、高508米），在92楼层悬挂设置重达800吨的悬浮阻尼球，通过吸收振动能量，避免大楼在强风下大幅晃动,第4章 风荷载,抗风减振措施,上海环球金融中心（高492米），在395米的第90层安装两台重达150吨、长宽各9米的风阻器，中间桔红色的是用钢索悬吊的重100多吨的配重物，其下安装了驱动装置。,第二节 风 压,一、风压与风速的关系,建筑物,小股气流,流向,高压气幕,压力线,w=v2/2,风压：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即为风压。,由于各地地理位置不同，因而和g不同。,-为空气单位体积的重力；g为重力加速度。,：对于海拔500m以下地区，该值约为1/1600，海拔3
8、500m以上的高原或高山地区，该值减小至1/2600左右。,风速与风压的关系式：,得出风压与风速的微分方程,据合力等于质量与加速度乘积,取任一小段,据已知条件对方程求解,得到,二、基本风压w0,基本风压符合以下五个规定：,基本风压：在空旷平坦的地面、离地面10m高处、50年一遇的10min的平均最大风速为标准，由风压和风速的关系式确定的风压值(w 0= v02/1600 )。, 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,取年最大风速记录值为统计样本。,工程设计时，一
9、般应考虑结构在使用过程中几十年时间范围内可能遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时间后再出现，这个间隔时间称为重现期。,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）,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,建筑荷载规范：对一般结构，重现期取50年，对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取100年。,设基本风速重现期为T0年，则1/T0为超过设计最大风速的概率，而不超过该设计最大风速的概率或保证率为：,三、非标准条件下的风速或风压的换算,1、非标准高度的换算,式中：,
10、任一点的平均风速和高度。,标准高度处的平均风速和高度，我国标准高度为10m。,与地貌或地面粗糙度有关的指数，地面粗糙程度越大，越大。,因为：,2、非标准地貌的换算,梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风，称为梯度风。,梯度风高度：出现梯度风的高度HT,不同粗糙度影响下的风剖面,加拿大风工程专家整理的风剖面：,接近地表的风速随着离地面距离的减小而降低,离地300-500m以上的地方，风才不受地表的影响。,地面越粗糙（越大），风速变化越慢，梯度风高度越高；,地面越平坦（越小），风速变化越快，梯度风高度越小。,同一大气环境中各类地貌梯度风速相同，则可得,任意地貌的基本风压与标准地貌基
11、本风压的关系：,任意地貌的,基本风速,据风速与风压的关系,风压高度变化系数：任意地貌下任意高度处的平均风压与标准地貌下基本风压的比值,建筑结构荷载规范的地面粗糙度分类：,A类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取aA=0.12，HTA=300m；,B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和市郊，取aB=as=0.16，HTB=HTS=350m；,C类：指有密集建筑群的城市市区，取aC=0.22，HTC=400m；,D类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取aD=0.30，HTD=450m。,GB50009-2012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
12、 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 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 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009表8.2.1确定。 【思考题】1、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？,【思考题
13、】2、上表风压高度变化系数z中的1.379、1.0、0.616、0.318如何得来的？,代入四类地貌下粗糙度指数以及梯度风高度，可得,A类： ca=1.379 B类： ca=1.000 C类： ca=0.616 D类： ca=0.318,同时规定不同地貌的标准参考高度z0a：,z0a = 5m（A类） z0a = 10m（B类） z0a = 15m（C类） z0a = 30m（D类）,并规定z0a以下的风压高度变化系数取常数，分别为：,1.09（A类）；1.00（B类）；0.65（C类）；0.51（D类）,思考题：为什么表格线下的风压高度变化系数都为2.91？,3、不同时距的换算,4、不同重现
14、期的换算,时距不同，所求得的平均风速将不同。,重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也就不同。,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,（风的长周期 结构的自振周期）, 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,vf,v(t),t, 地面粗糙度的影响：地面越粗糙，平均风速越小，
15、而脉动风的幅值大且频率高。,平均风,其作用效应与静力相近，认为其作用性质相当于静力（稳定风载）；,脉动风,其与结构物自振周期较为接近，作用性质完全是动力的，应按照随机动力荷载来考虑（脉动风载）。, 脉动风特性：,可见，一般脉动风的频率较小，或周期较长。,水平脉动风速功率谱密度,三、横风向风振（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,对于空气：,若Re小于1/1000，则以粘性力为主，为高粘性液体；,若Re大于1000，则以惯性力为主，为低粘性液体。,1、雷诺数, 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B
