第4章风荷载分析课件.ppt

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1、第4章 风荷载,荷载与结构可靠度,临沂大学建筑学院郑国栋2013年9月,本章内容,4.1 基本风速和基本风压,4.2 风压高度变化系数,4.3 风荷载体型系数,4.4 顺风向风振,4.5 横风向风振,4.6 桥梁风荷载,风的形成风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。,压力差,风,结构物,风压,理想模型,三圈环流模型,地球自转,大陆与海洋吸热差异,两类性质的大风1.台风弱的热带气旋引入暖湿空气在涡旋内部产生上升和对流运动加强涡旋 台风2.季风冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆海洋夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋大陆,从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214 km/h（59.4m/s）,

2、飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人在佛罗里达。 飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。,飓风伊万摧毁的房屋,伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁,台风云娜登陆时卫星云图,台风云娜袭击浙江, 截至16日12时的统计，台风云娜已在浙江造成164人不幸遇难，失踪24人，受灾人口达1299万人，直接经济损失达181.28亿元。,4.1 基本风速和基本风压,4.1.1 基本风速,取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值为一个样本。,最大风速的样本,最大风速的重现期,设重现期为T0年，则1/ T0为超过设计最大风速的概率，因此不超过该设计最大风速的概率或保证率

3、P0应为：,我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为 30 年，对于高层建筑和高耸结构，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。重现期为T0年通常俗称为T0年一遇。,4.1.2 基本风压,1、标准高度的规定：房屋建筑类统一取10m为标准高度 2、标准地貌的规定：标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。 3、平均风速的时距：取50年一遇的平均风速时距为10分钟（风的卓越周期约在1分钟）,风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：,式中，w单位面积上的

4、风压力(kN/m2)； 空气密度(kg/m3)； 空气单位体积重力(kN/m3)； g重力加速度(m/s2)； v风速(m/s)。,在不同的地理位置，大气条件是不同的， 和 g值也不相同。资料缺乏时，空气密度可假设海拔高度为0m，取 =1.25(kg/m3)；重力加速度 g不仅随高度变化，而且与纬度有关；空气重度 是气压、气温和温度的函数，因此，各地的 /g的值均不相同。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。 根据统一规定，建筑结构荷载规范给出了全国各城市50年一遇的风压值。当城市或建设地区的基本风压值在表中未列出时，也可按建筑结构荷载规范中全国基本风压分布图查得。在进

5、行桥梁结构设计时，可按公路桥涵设计通用规范中全国基本风压分布图查得基本风压值。,在标准大气压情况下， =0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：,4.1.3 风速或风压的换算,1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。,表4.1 实测风速高度换算系数,2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧烈，气象台站瞬时风速记录时距小于10m

6、in，因此在某些情况下需要进行不同时距之间的平均风速换算。实测结果表明，各种不同时距间平均风速的比值受到多种因素影响，具有很大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似按表4.2取值。,表4.2 不同时距与10 min时距风速换算系数,应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。,3. 不同重现期换算 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不同。我国目前按重

7、现期50年的概率确定基本风压。重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现期的基本风压，以调整结构的安全水准。不同重现期风速或风压之间的换算系数可按表4.3取值。,表4.3 不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数,对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修正系数分别按下述规定采用： (1) 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用：,4.1.4 山区的基本风压,式中，山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当tan 0.3时，取tan =0.3； k系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4； H山顶或山坡全高(m)； z建筑

8、物计算位置离建筑物地面的高度(m)，当z2.5H时，取z=2.5H。,山坡和山峰的其他部位如图4.1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4.1 山坡和山峰示意图,(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。,4.1.5 远离海面和海岛基本风压,对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，基本风压可按A类粗糙度类别，还应考虑表4.4中给出的修正系数。,表4.4 远海海面和海岛修正系数,4.1.6 我国基本风压分布特点,我国的风气候总体情况如下。 (1) 台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台

9、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

10、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。,4.2 风压高度变化系数,地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区低。根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：,式中，v 任一高度z处平均风速； v0标准高度处平均风速；z 离地面任一高度(m)；z0离地面标准高度，通常取为10m； 与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度越大， 越大。,由式(4.2)可知，风压与风速的平方成正比，将式(4.4)代入，可得：,式中，wa(z)任一地貌高度z处风压； w0a任一地貌标准高度处风压。,将标准高度z0=10m代入，可得：,设标准地貌下梯度风

11、高度为HT0，粗糙度指数为0，基本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风高度处风压相等的条件，由式(4.6)可导出：,可得任一地貌条件下，高度z处的风压为：,式中，za为任意地貌下的风压高度变化系数， 应按地面粗糙度指数 和假定的梯度风高度 确定，并随离地面高度z而变化。,不同粗糙度下的平均风剖面,将以上数据代入式(4.9)，可得四类风压高度变化系数： A类：z=1.379(z/10)0.24 B类： z=1.000 (z/10)0.32 C类： z=0.616 (z/10)0.44 D类： z=0.318 (z/10)0.60 根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数

12、。对于平坦或稍有起伏的地形，高度变化系数直接按表4.5取用。对于山区的建筑物，还应考虑地形的修正。,建筑结构荷载规范将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度指数A =0.12，梯度风高度HTa=300m。B类是指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取地面粗糙度指数 B =0.16，梯度风高度HTb=HT0=350m。C类是指有密集建筑群的城市市区，取地面粗糙度指数 C =0.22，梯度风高度HTc=450m。D类是指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取地面粗糙度指数 D =0.30，梯度风高度HTd=500m。,表4.5

13、 风压高度变化系数,4.3 风荷载体型系数,单体房屋和构筑物风荷载体型系数,图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。,封闭式双坡屋面风荷载体型系数,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。,群体风压体型系数,验算局部围护构件及其连接

14、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表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 0.2或+0.2。,局部风压体型系数,4.4 顺风向风振,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

15、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。,1.风振系数,第6.4.1条 对于高度大于30m且高宽比大于1.5 的房屋结构，以及基本自振周期T1大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。,7.4.1 对于基本自振周期 T1大于0.25s的工程结构，如房屋、(大跨）屋盖及各种高耸结构，以对于高度大于30m且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构自振周期应按结构动力学计算。,风振系数的一般表达式,老规范：,称为第一振型动力系

16、数，或称脉动增大系数,式中,称为脉动影响系数,为,式中,根据达文波特脉动风速谱,新规范：,2.脉动风荷载的共振分量因子,3.脉动风荷载的背景分量因子,4.脉动风荷载空间相关系数,5.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：,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，结构第1振型系数按下述近似公式计算：,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

17、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，按表确定第1振型系数。,6.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)。 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

18、凝土剪力墙结构可按下述公式确定：式中，H房屋总高度(m)； B房屋宽度(m)。,7.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：,式中字母的物理意义见课本56页。,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4.10采用。,表4.10 阵风系数,8.顺风向风荷载标准值,练习：,已知一矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变。H = 100 m，B = 33m，地面粗糙度指数a=0.22，基本风压按粗糙度指数为s=0.16的地貌上离地面高度

19、zs=10m处的风速确定，基本风压值为w0=0.44kN/m2。结构的基本自振周期T1=2.5s。求风产生的建筑底部弯矩。,某10层钢筋混凝土框架剪力墙办公楼，总高39.3m，一层层高6m，二层层高4.5m，310层层高3.6m，平面形状为矩形，50.1515m，各楼面荷载及质量、侧移刚度沿高度变化均匀。当地基本风压0.7kN/m2，地面粗糙度为C类，房屋使用寿命50年。求该建筑横向各楼层风力标准值。,4.5 横风向风振,1.涡激共振的产生,空气在流动中，对流体质点起着重要作用的两种力：惯性力和粘性力。空气流动时自身质量产生的惯性力为单位面积上的压力 乘以面积，其量纲为 (D为圆柱体的直径)。

20、粘性力反映流体抵抗剪切变形的能力，流体粘性可用粘性系数 来度量，粘性应力为粘性系数 乘以速度梯度dv/dy或剪切角 的时间变化率，而流体粘性力等于粘性应力乘以面积，其量纲为 。,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Re可表示为：,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。,在式中代入空气动粘性系数1.45l0-5m2/s，则雷诺数可按下式确定：,Re=69000vD,雷诺数与风速的大小成比例，风速改变时雷诺数发生变化。如果雷诺数很小，如小于1/1000，则惯性力与粘性力之比可以忽

21、略，即意味着高粘性行为。相反，如果雷诺数很大，如大于1000，则意味着粘性力影响很小。空气流体的作用一般是这种情况，惯性力起主要作用。 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4.12(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4.12(b)，这种现象称为卡门(Karman)涡街。设脱落频率为fs，并以无量纲的斯脱罗哈(Strouhal)数St=f

22、s/v来表示，其中D为圆柱截面的直径，v为风速。,空气流绕过圆截面柱体 (b) 漩涡周期脱落 图4.12 漩涡的产生与脱落,试验表明，气流漩涡脱落频率或 Strouhal 数 St 与气流的雷诺数Re有关：当 时，周期性脱落很明显，接近于常数，约为0.2；当 时，脱落具有随机性，St的离散性很大；而当 时，脱落又重新出现大致的规则性，St=0.270.3。当气流漩涡脱落频率fs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，下表显示了一些常见直边截面的Strouhal数。表 常用截面的St

23、rouhal数 工程上雷诺数 极少遇到。因而根据上述气流漩涡脱落的 3 段现象，工程上将圆筒式结构划分3个临界范围，即亚临界(Subcritical)范围， ；超临界(Supercritical)范围， ；跨临界(Transcritical)范围， 。,2.锁定现象及共振区高度,实验研究表明，当横风向风力作用力频率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。此时若风速继续增大，风漩涡脱落频率仍保持常数，而不是按下式变化。,只有当风速大于结构共振风速的1.3左右时，风漩涡脱落频率才重新按上式规律变化。将风漩涡脱落频率保持常数(为结构自振频率)的风速区域，称为锁住区域。,锁定现象,

24、共振区高度,在一定的风速范围内将发生共振，共振发生的初始风速为临界风速，临界风速 可由式(4.34)导出：,式中，St斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2； Tj 结构第j振型自振周期。 由锁定现象可知，在一定的风速范围内将发生涡激共振。对图4.14所示圆柱体结构，可沿高度方向取(1.01.3) 的区域为锁定区，即共振区。对应于共振区起点高度H1的风速应为临界风速vcr，由式(4.36)给出的风剖面的指数变化规律，取离地标准高度为10m有：,对应于风速1.3 的高度H2，由式(4.4)的指数变化规律，取离地标准高度为10m，同样可导出：,若取离地高度为H，则得H1的另一表达式： 式中，H结构总高度

25、(m)； v结构顶部风速(m/s)。,式(4.39)计算出的H2值有可能大于结构总高度H，也有可能小于结构总高度H，实际工程中一般均取 H 2=H，即共振区范围为 H H1 。,结构横风向共振计算简图及等效共振风力,共振风速高度,1.3倍共振风速高度但小于H,3.横风向风振验算,对圆形截面的结构，应根据雷诺数 的不同情况进行横风向风振(漩涡脱落)的校核。当结构沿高度截面缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3结构高度处的风速和直径。 (1) 亚临界范围(Re3.0105)。 对结构顶部风速vH，有：,式中， w风荷载分项系数，取1.4； H 结构顶部风压高度变化系数； w0基本风压(kN

26、/m2)； 空气密度(kg/m3)。 对临界风速vcr，有：,式中，T1结构基本自振周期； St斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2。 当结构顶部风速超过vcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速vcr不小于15m/s。 (2) 超临界范围(3.0105 Re3.5106)。 此范围漩涡脱落没有明显周期，结构的横向振动呈现随机特征，不会产生共振响应，且风速也不是很大，工程上一般不考虑横风向振动。 (3) 跨临界范围( Re3.5106)。 当风速进入跨临界范围时，结构有可能出现严重的振动，甚至于破坏，国内外都曾发生过很多这类的损坏和破坏的事例，对此必须引起注意。,细长结构横风向风力分布

27、,已知：钢筋砼烟囱H=100m,顶端直径5m，底部直径10m，基本频率f1=1Hz,10米高度处基本风速v0=25m/s. 问：烟囱是否发生横向风共振？ 解： 烟囱顶点风速为： 烟囱顶点共振风速为： 共振风速下烟囱顶点处雷诺数： 属跨临界范围，横风向会发生共振。,Re3.5106且结构顶部风速大于vcr时(跨临界的强风共振)，在z高处j振型的等效风荷载可由下式确定：式中， j 计算系数，按表3-15采用，表中临界风速起始点高度H1按式(4.38)确定； zj在z高处结构的j振型系数，由计算确定或参考表4.9确定； 第j振型的阻尼比：对第1振型，钢结构取0.01，房屋钢结构取0.02，混凝土结构

28、取0.05；对高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第1振型的值取用。 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。式(4.42)中的计算系数 是对 振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数。若临界风速起始点在结构底部，整个高度为共振区，它的效应最为严重，系数值最大；若临界风速起始点在结构顶部，则不发生共振，也不必验算横风向的风振荷载。一般认为低振型的影响占主导作用，只需考虑前4个振型即可满足要求，其中以前两个振型的共振最为常见。,在风荷载作用下，结构出现横向风振效应的同时，必然存在顺风向风载效应。结构的风载总效

29、应应是横风向和顺风向两种效应的矢量叠加。 风的荷载效应S可将横风向风荷载效应SC与顺风向荷载效应SA按下式组合后确定： 对于非圆形截面的柱体，如三角形、方形、矩形、多边形等棱柱体，都会发生类似的漩涡脱落现象，产生涡激共振，其规律更为复杂。对于重要的柔性结构的横向风振等效风荷载宜通过风洞试验确定。,已知一等截面圆形钢烟囱，总高=50m,外径2.5m，地面粗糙度a0.16。基本风压按粗糙度指数s=0.16的地貌上离地面高度zs10m处的风速v0=30m/s确定。已知结构的基本周期T12.0s，风脉动影响系数=0.65。问：顺风向风产生的烟囱底部弯矩；该烟囱是否可能发生横风向共振。,练习：,4.6

30、桥梁风荷载,风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。,桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉，造成75人死亡的惨剧。一

31、系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用，最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的风毁事故,才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。,桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的一些术语介绍如下：基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年最大风速。设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载。跨度较小、刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的

32、动力风荷载作用。,风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高风速时的平均攻角约在3之间。阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风荷载时应采用时距为13s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系数乘以设计基准风速求得。静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现一种不稳定的扭转发散现象。静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象

33、。,颤振：是一种危险性自激发散振动，当其达到临界风速时，振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量从而使振幅逐步增大直至最后使结构破坏。驰振：对于非圆形的边长比在一定范围内的类似矩形断面的钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能够从风流中不断吸取能量，当达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻尼所消耗的能量，形成一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动。涡激共振：风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构时都有可能发生旋涡的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当旋涡脱落频率接近或等于结构的自振频率时，将由此激发出结构的共振。抖振：大气中的紊流成分所激起的强迫振动，也称为紊流

34、风响应。抖振是一种限幅振动，由于它发生频度高，可能会引起结构的疲劳。过大的抖振振幅会引起人感不适，甚至危及桥上高速行车的安全。,静力三分试验：采用主梁或桥塔的刚性节段模型，在风洞中测定平均风绕流的静作用力的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩。无量纲的三分力系数和攻角的关系曲线反映出断面的基本气动性能，是分析桥梁各种风致振动和静力稳定的重要参数。节段模型试验：将主梁的代表性做成刚性模型，用弹簧悬挂在支架上形成一个有竖向平动、转动（及侧向）自由度的振动模型，在风洞中测定风的动力作用。满足相似条件的节段模型试验可直接测定二维颤振的临界风速，也可识别出用气动导数表示的非定常动力，是桥梁最重要的风洞试验之

35、一。全桥气动弹性模型试验：将全桥按一定几何缩尺制成并满足各种必要的空气动力学相似条件的三维弹性模型，在大型边界层风洞中观测其在均匀流及紊流风场中的各种风致振动现象，用于考察桥梁从施工期各阶段到成桥的抗风性能。是研究桥梁风致振动最精确的试验方法。,1、风对桥梁结构的作用,1. 风的静力作用,式中：为空气密度，D为梁高，B为梁宽， 为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数，它们由节段模型试验提供。,升力,力矩,阻力,在体轴坐标系下，静力三分力表达为：,式中：为空气密度，B为梁宽， 为气流的动压。CD、CL、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数。,在风轴坐标系下

36、，静力三分力表达为：,2. 风的动力作用,表4.15 风对桥梁作用的分类,2、风致静力失稳,令扭转弹簧刚度为K ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动力矩。扭转角为，平均风速为U，桥面宽为B，则单位长度的气动力矩为 ：,为绕扭转轴转动的气动力参数。,(1)扭转角计算,(2)临界风速,1. 已知一矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变。H=100m，B=33m，地面粗糙度为A类，基本风压w0=0.44kN/m2。结构的基本自振周期T1=2.5s。求风产生的建筑底部弯矩。(注：为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区段20m高，取其中点位置的风荷载值作为该区段的平均风载值) 2. 钢筋混凝土烟囱H=100m，顶端直径为5m，底部直径为10m，顶端壁厚0.2m，底部壁厚0.4m。基本频率f1=1Hz，阻尼比=0.05。地貌粗糙度指数=0.15，空气密度=1.2kg/m3。10m高处基本风速v0=25m/s。问烟囱是否发生横风向共振，并求烟囱顶端横风向的最大位移。 3. 在某大城市中心有一钢筋混凝土框架核心筒结构的大楼，外形和质量沿房屋高度方向均基本呈均匀分布。房屋总高H=120m，通过动力特性分析，已知T1=2.80s，房屋的平面LB=40m30m，该市基本风压为0.6kN/m2。试计算该楼迎风面顶点(H=120m)处的风荷载标准值。,习 题,习题3图,