作用与荷载设计.ppt

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1、第三章 可变作用,3.1 概述,工业与民用建筑中可变作用的类型桥涵结构设计中可变作用的类型土的冻胀力汽车荷载引起的土侧压力,土的冻胀力,冻胀力的形成平均冻胀率冻胀力的分类（按方向）,汽车荷载引起的土侧压力,形成的原因计算方法,3.2 楼屋面活荷载,内容：楼、屋面均布活载屋面积灰荷载施工和检修荷载栏杆水平荷载,一、楼面活荷载的取值原则 1.楼面活荷载的标准值 虽然建筑结构荷载规范(GB 500092001)对一般民用建筑和某些类别的工业建筑有明确的楼面荷载取值规定，但设计中有时会遇到要求确定某种规范中未明确的楼面活荷载的情况，此时可按下列方法确定其标准值。(1)对该种楼面活荷载的观测进行统计，当

2、有足够资料并能对其统计分布作出合理估计时，则在房屋设计基准期(50 年)最大值的分布上，根据协定的百分位取其某分位值作为该种楼面活荷载的标准值。(2)对不能取得充分资料进行统计的楼面活荷载，可根据已有的工程经验，通过分析判断后，协定一个可能出现的最大值作为该类楼面活荷载的标准值。(3)对房屋内部设施比较固定的情况，设计时可直接按给定布置图式或按对结构安全产生最不利效应的荷载布置图式，对结构进行计算。(4)对使用性质类同的房屋，如内部配置的设施大致相同，一般可对其进行合理分类，在同一类别的房屋中，选取各种可能的荷载布置图式，经分析研究后选出最不利的布置作为该类房屋楼面活荷载标准值的确定依据，采用

3、等效均布荷载方法求出楼面活荷载标准值。,楼面和屋面活荷载,2.楼面活荷载准永久值 对建筑结构荷载规范(GB 500092001)未明确的楼面活荷载准永久值可按下列原则确定。(1)按可变荷载准永久值定义，由荷载任意时点分布上的中值确定。(2)对有可能将可变荷载划分为持久性和临时性两类荷载时，可直接引用持久性荷载分布中的规定分位值为该活荷载的准永久值。(3)当缺乏系统的观测资料时，可根据楼面使用性质的类同性，参照建筑结构荷载规范(GB 500092001)中给出的楼面活荷载准永久值系数经分析比较后确定。,楼面和屋面活荷载,3.楼面活荷载频遇值 对建筑结构荷载规范(GB 500092001)未明确的

4、楼面活荷载频遇值可按下列原则确定。(1)按可变荷载准频遇值定义，可近似在荷载任意时点分布上取其超越概率为较小值的荷载值，该超越荷载值建议不大于10%。(2)当缺乏系统的观测资料时，可根据楼面使用性质的类同性，参照建筑结构荷载规范(GB 500092001)中给出的楼面活荷载准频遇值系数经分析比较后确定。,楼面和屋面活荷载,4.楼面活荷载组合值 可变荷载的组合值按其定义是指该荷载与主导荷载组合后取值的超越概率与该荷载单独出现时取值的超越概率相一致的原则确定。在大量数据分析的基础上，认为对楼面活荷载的组合值一般情况可取0.7，此外为偏于保守又规定其取值不得小于频遇值系数。,楼面和屋面活荷载,5.楼

5、面活荷载的动力系数 楼面在荷载作用下的动力响应来源于其作用的活动状态，大致可分为两大类：一类是在正常活动下发生的楼面稳态振动，例如机械设备的运行，车辆的行使，竞技运动场上观众的持续欢腾、跳舞和走步等；另一类是偶尔发生的楼面瞬态振动，例如重物坠落、人自高处跳下等。前一种作用在结构上可以是周期性的，也可以是非周期性的；后一种是冲击荷载，引起振动都将因结构阻尼而消逝。楼面设计时，对一般结构的荷载效应，可不经过结构的动力分析，而直接对楼面上的静力荷载乘以动力系数后，作为楼面活荷载，按静力分析确定结构的荷载效应。在很多情况下，由于荷载效应中的动力部分占比重不大，在设计中往往可以忽略，或直接包含在标准值的

6、取值中。对冲击荷载，由于影响比较明显，在设计中应予以考虑。,楼面和屋面活荷载,二、民用建筑楼面均布活荷载 1.民用建筑楼面均布活荷载标准值及组合值、频遇值和准永久值系数 民用建筑楼面活荷载是指建筑物中的人群、家具、设施等产生的重力作用，这些荷载的量值随时间发生变化，位置也是可移动的，亦称可变荷载。楼面活荷载按其随时间变异的特点，可分为持久性和临时性两部分。持久性活载荷是指楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载，例如住宅内的家具、物品、常住人员等，这些荷载在住户搬迁入住后一般变化不大；临时性活荷载是指楼面上偶尔出现的短期荷载，例如聚会的人群、装修材料的堆积等。,楼面和屋面活荷载,2.民用建筑楼面活

7、荷载标准值折减 目前大多数国家均采用半经验的传统方法，根据荷载从属面积的大小来考虑折减系数。1)国际通行做法在国际标准ISO 2103中，建议按下述不同情况对楼面均布荷载乘以折减系数。(1)在计算梁的楼面活荷载效应时，公式为：对住宅、办公楼等房屋或其房间，公式为：(A18m2)(3-1)对公共建筑或其房间，公式为：(A18m2)(3-2)式中，A为所计算梁的从属面积，指向梁两侧各延伸1/2梁间距范围内的实际楼面面积。(2)在计算多层房屋的柱、墙或基础的楼面活荷载效应时：对住宅、办公楼等房屋，公式为：(3-3)对公共建筑，公式为：(3-4)式中，n为所计算截面以上楼层数，2。,楼面和屋面活荷载,

8、三、工业建筑楼面活荷载 1.工业建筑的楼面等效均布活荷载在建筑结构荷载规范(GB 500092001)附录C中列出了金工车间、仪器仪表生产车间、半导体器件车间、棉纺织造车间、轮胎厂准备车间和粮食加工车间等工业建筑楼面活荷载的标准值，供设计人员设计时参照采用。2.操作荷载及楼梯荷载 工业建筑楼面(包括工作台)上无设备区域的操作荷载，包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷载考虑，其标准一般采用2.0 kN/m2。但堆积料较多的车间可取2.5 kN/m2；此外有的车间由于生产的不均衡性，在某个时期的成品或半成品堆放特别严重，则操作荷载的标准值可根据实际情况确定，操作荷载在设备所占

9、的楼面面积内不予考虑。,楼面和屋面活荷载,3.楼面等效均布活荷载的确定方法(1)楼面、变形及裂缝的等值要求来确定等效均布活荷载。在一般情况下，可仅按控制截面内力的等值原则确定。(2)由于实际工程中生产、检修、安装工艺以及结构布置的不同，楼面活荷载差别可能较大，此情况下应划分区域，分别确定各区域的等效均布活荷载。(3)连续梁、板的等效均布荷载，可按单跨简支梁、简支板计算，但在计算梁、板的实际内力时仍按连续结构进行分析，可考虑梁、板塑性内力重分布，并按弹性阶段分析内力确定等效均布活荷载。(4)板面等效均布荷载按板内分布弯矩等效的原则确定，即简支板在实际的局部荷载作用下引起的绝对最大弯矩，应等于该简

10、支板在等效均布荷载作用下引起的绝对最大弯矩。单向板上局部荷载的等效均布活荷载，可按下式计算：(5)计算板面等效均布荷载时，还必须明确搁置于楼面上的工艺设备局部荷载的实际作用面尺寸，作用面一般按矩形考虑，并假定荷载按 45扩散线传递，这样可以方便地确定荷载扩散到板中性层处的计算宽度，从而确定单向板上局部荷载的有效分布宽度。,楼面和屋面活荷载,四、屋面活荷载和屋面积灰荷载 1.屋面均布活荷载 工业及民用房屋的屋面，其水平投影面上屋面均布活荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准永久值系数按表3-10采用。,楼面和屋面活荷载,屋面均布活荷载,注：不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用；

11、对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0.2kN/m2的增减。上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。,设计时注意屋面活荷载不应与雪荷载同时考虑，此外该活荷载是屋面的水平投影面上的荷载。由于我国大多数地区的雪荷载标准值小于屋面均布活荷载标准值，因此在屋面结构和构件计算时，往往是屋面均布活荷载对设计起控制作用。高档宾馆、大型医院等建筑的屋面有时还设有直升机停机坪，直升机总重引起的局部荷载可按直升机的实际最大起飞重量并考虑动力系数确

12、定，同时其等效均布荷载不低于5.0kN/m2。当没有机型技术资料时，一般可依据轻、中、重3种类型的不同要求，按表2-12规定选用局部荷载标准值及作用面积。直升机的局部荷载及作用面积,楼面和屋面活荷载,注：荷载的组合值系数应取0.7，频遇值系数应取0.6，准永久值系数应取0。,2.屋面积灰荷载(1)机械、冶金、水泥等行业在生产过程中有大量排灰产生，易于在厂房及其邻近建筑屋面堆积，形成积灰荷载。影响积灰厚度的主要因素有除尘装置的使用、清灰制度的执行、风向和风速、烟囱高度、屋面坡度和屋面挡风板等。当工厂设有一定除尘设施，且能坚持正常清灰的前提下，屋面水平投影面上的积灰荷载应按表2-13采用。(2)对

13、于屋面上易形成灰堆处，当设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值可乘以下列规定的增大系数：在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6.0m的分布宽度内(图3.15)取2.0。在天沟处不大于3.0m的分布宽度内(图3.16)取1.4。表3-11 屋面积灰荷载,楼面和屋面活荷载,对有雪地区，积灰荷载应与雪荷载一道考虑；雨季的积灰吸水后重度增加，可通过不上人屋面的活荷载来补偿。因此，积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。【例2.3】要求确定某水泥厂的机修车间天沟处的钢筋混凝土大型屋面板的屋面积灰荷载标准值。解：查表3-10，该车间属水泥厂无灰源的车间且屋面坡度a25，因此，其屋面积灰荷

14、载标准值为0.5kN/m2，但根据规定天沟处的屋面积灰荷载标准值应乘以增大系数1.4，故该处的屋面积灰荷载标准值qak。,楼面和屋面活荷载,五 施工、检修荷载及栏杆水平荷载 1.施工和检修荷载标准值 设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，除了考虑屋面均布活荷载外，还应按下列施工、检修集中荷载(人和工具自重)标准值出现在最不利位置上进行验算。(1)屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐和预制小梁，施工或检修集中荷载应取1.0kN，并应作用在最不利位置处进行验算。(2)计算挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载；在验算挑檐、雨篷倾覆时，应沿板宽每隔2.53.0m取一个集中荷载，

15、集中荷载的位置作用于挑檐、雨篷端部(图2.15)。(3)对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设计承受。2.栏杆水平荷载标准值 设计楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆时，考虑到人群拥挤可能会对栏杆产生侧向推力，应在栏杆顶部作用水平荷载进行验算(图 3.20)。栏杆水平荷载的取值与人群活动密集程度有关，可按下列规定采用。,楼面和屋面活荷载,楼面和屋面活荷载,(2)倾覆点至墙外边缘的距离。雨篷倾覆时，参照砌体结构设计规范(GB 500032001)第7.4.2条关于挑梁倾覆点的规定，由于雨篷板支于雨篷梁上，即埋入墙深度为雨篷梁的宽度，其值小于2

16、.2倍的梁高，因此，计算倾覆点离墙外边缘的距离 应为0.13倍的雨篷梁宽度，即：(3)倾覆弯矩标准值。由施工荷载或检修荷载产生的倾覆弯矩标准值为：,楼面和屋面活荷载,(1)住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所、幼儿园，栏杆水平荷载应取0.5kN/m；(2)学校、食堂、剧场、电影院、车站、礼堂、展览馆或体育场，应取1.0kN/m。(3)当确定栏杆构件的荷载准永久组合设计值时，可不考虑栏杆的水平荷载。【例2.4】验算某食堂的支承于 梁上的宽度为2.72m，挑出1.1m的雨篷由于施工及检修集中荷载产生的倾覆弯矩标准值。解：(1)倾覆荷载。雨篷总宽度为2.72m。按规定验算倾覆时，沿板宽每隔2.5m

17、3m考虑一个集中荷载，故本例情况只考虑一个集中荷载，其作用的最不利位置在板端，其值取1.0kN。,思考题,1.土的自重应力计算可以分几种情况，如何确定？2.屋面活荷载都应考虑哪些内容，如何计算？3.如何确定桥面上的荷载？4.吊车荷载应考虑哪些方面，如何计算？5.楼面活荷载如何取值，应注意哪些问题？,一、吊车工作制等级与工作级别 按吊车在使用期内要求的总工作循环次数分成10个利用登级，又按吊车荷载达到其额定值的频繁程度分成4个载荷状态(轻、中、重、特重)。根据要求的利用等级和荷载状态，确定调查的工作级别，共分8个级别作为吊车设计的依据。建筑结构荷载规范(GB 500092001)在吊车荷载的规定

18、中也相应采用按工作级别划分，现在采用的工作级别与以往采用的工作制等级存在对应关系，如表所示。表 吊车的工作制等级与工作级别的对应关系,吊 车 荷 载,二、吊车竖向荷载和水平荷载 1.吊车竖向荷载标准值 最小轮压则往往需由设计者自行计算，其计算公式如下。(1)对每端有两个车轮的吊车(如电动单梁起重机、起重量不大于50t的普通电动吊钩桥式起重机等)，其最小轮压为：(3-15)(2)对每端有4个车轮的吊车(如起重量超过50t的普通电动吊钩桥式起重机等)，其最小轮压为：式中，吊车的最小轮压(kN)；吊车的最大轮压(kN)；G 吊车的总重量(t)；Q 吊车的额定起重量(t)；g 重力加速度，取等于9.8

19、1m/s2。,吊 车 荷 载,2.吊车竖向荷载的动力系数 当计算吊车梁及其连续的强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。动力系数可按表3-15取用。表3-15 吊车竖向荷载的动力系数,吊 车 荷 载,3.吊车水平荷载标准值 吊车水平荷载有纵向和横向两种。1)吊车纵向水平荷载标准值 吊车纵向水平荷载标准值应按作用在吊车一端轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用。该项荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道方向一致。2)吊车横向水平荷载标准值 吊车横向水平荷载标准值应按下式计算：(3-20)式中，H 吊车横向水平荷载标准值；系数，对软钩吊车：当额定起重量不大于10t时，应取0.12；当额

20、定起重量为1650t时，应取0.10；当额定起重量不小于75t时，应取0.08；对硬钩吊车：应取0.20；Q 吊车的额定起重质量；G1横行小车质量。吊车横向水平荷载应等分于吊车桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正反方向刹车情况。,吊 车 荷 载,4.多台吊车的组合 对于多层吊车的单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数应按实际情况考虑；当有特殊情况时，参与组合的吊车台数也应按实际情况考虑。计算排架考虑多台吊车水平荷载时，对单跨或多跨的每个排架，参与组合的吊车台数不应多于两台。按照以上组合方法，吊车荷载不论是由两台还是由4台吊车引起，都按照各台吊车同时处于最

21、不利位置，且同时满载的极端情况考虑，实际上这种最不利情况出现的概率是极小的。从概率观点来看，可将多台吊车共同作用时的吊车荷载效应组合予以折减。在实测调查和统计分析的基础上，可得到多台吊车的荷载折减系数表3-17 多台吊车荷载折减系数,吊 车 荷 载,5.吊车荷载的组合值、频遇值及准永久值系数 吊车起吊重物处于工作状态时，一般很少持续地停留在某一个位置上，所以在正常条件下，吊车荷载作用的时间是短暂的，所以设计厂房排架时，在荷载准永久组合中不考虑吊车荷载。但在吊车梁按正常使用极限状态设计时，可采用吊车荷载的准永久值计算吊车梁的长期荷载效应。吊车荷载的组合值、频遇值及准永久值系数可按表3-18中的规

22、定采用 表3-18 吊车荷载的组合值、频遇值及准永久值系数,吊 车 荷 载,一、基本雪压 1.基本雪压的取值原则 根据当地气象台(站)观察并收集的每年最大雪压，经统计得出的50年一遇的最大雪压(重现期为50年的最大雪压)，即为当地的基本雪压。在确定雪压时，观察并收集雪压的场地应符合下列要求。(1)观察场地周围的地形为空旷平坦。(2)积雪的分布保持均匀。(3)设计项目地点应在观察场地的范围内，或它们具有相同的地形。雪压是指单位水平面积上的雪重，决定雪压值大小的是积雪深度与积雪密度，因此年最大雪压S(kN/m2)可按下式确定：(3-23)式中，h年最大积雪深度，指从积雪表面到地面的垂直深度(m)。

23、以每年 7 月份 至次年6月份间的最大积雪深度确定；积雪密度(t/m3)；重力加速度(9.81m/s2)。,雪 荷 载,为了满足实际工程中某些情况下需要的不是重现期为50年的雪压数据要求，在建筑结构荷载规范(GB 500092001)附录D中对部分城市给出重现期为10年、50年和100年的雪压数据。已知重现期为10年及100年的雪压时，求当重现期为R年时的相应雪压值时可按下式确定：(3-24)式中，重现期为R年的雪压值(kN/m2)；重现期10年的雪压值(kN/m2)；重现期为100年的雪压值(kN/m2)。,雪 荷 载,2.我国基本雪压的分布特点(1)新疆北部是我国突出的雪压高值区。(2)东

24、北地区由于气旋活动频繁，并有山脉对气流起抬升作用，冬季多降雪天气，同时气温低，更有利于积雪。(3)长江中下游及淮河流域是我国稍南地区的一个雪压高值区。(4)川西、滇北山区的雪压也较高。该地区海拔高，气温低，湿度大，降雪较多而不易融化。但该地区的河谷内，由于落差大，高度相对较低，气温相对较高，积雪不多。(5)华北及西北大部地区，冬季温度虽低，但空气干燥。水汽不足，降雪量较少，雪压一般为0.20.3kN/m2。西北干旱地区，雪压在0.2kN/m2以下。(6)南岭、武夷山脉以南，冬季气温高，很少降雪，基本无积雪。,雪 荷 载,二、雪荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准永久值系数 1.雪荷载标准值

25、屋面水平投影面上的雪荷载标准值应按下式计算：(3-25)式中，雪荷载标准值(kN/m2)；屋面积雪分布系数；基本雪压(kN/m2)。,雪 荷 载,2.雪荷载的组合值系数、频遇值系数及准永久值系数 雪荷载的组合值系数可取0.7；雪荷载的频遇值系数可取0.6；雪荷载的准永久值系数应按分区图(附图2)中的、和的分区，分别取0.5、0.2、0；对部分城市的准永久系数分区也可按建筑结构荷载规范(GB 500092001)附录D的规定查出。,雪 荷 载,三、屋面积雪分布系数 1.风对屋面积雪的影响 下雪过程中，风会把部分将要飘落或者已经飘积在屋面上的雪吹积到附近地面或邻近较低的物体上，这种影响称为风对雪的

26、飘积作用。对于高低跨屋面或带天窗屋面，由于风对雪的飘积作用，会将较高屋面上的雪吹落在较低屋面上，在低屋面处形成局部较大飘积雪荷载。有时这种积雪非常严重，最大可出现3倍于地面积雪的情况。低屋面上这种飘积雪大小及其分布情况与高低屋面上的高差有关。由于高低跨屋面交接处存在风涡作用，积雪多按曲线分布堆积。对于多跨屋面，屋谷附近区域的积雪比屋脊区大，其原因之一是风作用下的雪飘积，屋脊处的部分积雪被风吹落到屋谷附近，飘积雪在天沟处堆积较厚。,雪 荷 载,2.屋面坡度对积雪的影响 屋面雪荷载分布与屋面坡度密切相关，一般随坡度的增加而减小，主要原因是风的作用和雪滑移所致。建筑结构荷载规范(GB 5000920

27、01)规定对不同类别的屋面，其屋面积雪分布系数(屋面荷载与地面荷载之比)按表3-20采用。建筑结构设计考虑积雪分布的原则：屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；屋架或拱、壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨的均匀分布的情况采用；框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况采用。,雪 荷 载,3.5 风荷载,内容提要 第一小节 风的有关知识 第二小节 风压 第三小节 结构抗风计算的几个重要概念 第四小节 顺风向结构风效应 第五小节 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

28、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）

29、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,建筑物,小股气流,流向,高压气幕,压力线,w=v2/2,dl,w1dA,(w1+dw1)dA,风压的形成,边界条件：,2、基本风压w0 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

30、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,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

31、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，周期一般只有几秒钟,vf,v(t),t,一、顺风向平均风效应1、风载体型系数（s）气流未被房屋干扰前的流速v0，压力p0 房屋表面某点的流速v，压力p 伯努里方程：p0+v02/2=p+v2/2 w=p-p0=(1-v2/v02)v02/2=sw0 s=1-v2/v02 风载体型系数，即风作用于建筑物上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值,w/w0=s。主要与建筑物的体型和

32、尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关 描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律。,风载体型系数s一般采用相似原理，在边界层风洞内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。,风洞试验-在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化

33、大气紊流纵向分量-建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽24m、高23m，长530m 模拟风剖面-要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）风洞试验模型分类（1）刚性压力模型-主要量测建筑物表面的风压力（吸力）建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约1：3001：500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数。风洞试验一次需持续60s左右，相

34、应实际时间1h,（2）气动弹性模型 对高宽比大于5，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。（3）刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，1：500量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等,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

35、算,+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规范GB50009规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为-1.0-2.2？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

36、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：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0.2,2、风压高度变化系数z 地面的粗糙度、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

37、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 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

38、压高度变化系数z如何确定？,地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数）以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；以半圆影响范围内建筑物的平均高度h平均来划分地面粗糙度类别，当h平均18m，为D类，9m h平均18m为C类，h平均 9m，为B类。影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；平均高度h平均取各面域面积为权数计算。,3、平均风下结构的静力风载 wz=s z(z)w0 二、顺风向脉动风效应 脉动风随机动力作

39、用按随机振动理论进行分析-自学 1、主要承重结构 顺风向总风效应=顺风向平均风效应+顺风向脉动风效应 w(z)=w(z)+wd(z)=(1+wd(z)/w(z)w(z)=z s z(z)w0 z 高度z处的风振系数，且z=1+z/P59，式（4-65）脉动增大系数，与w0T12、房屋结构类型；脉动影响系数，与地面粗糙度类型、H/B、房屋总高H；z振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）。,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,2、围护结构 对于围护结构，由于

40、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 gz阵风系数，按下式确定 gz=k(1+2 f)k 地面粗糙度调整系数,k=0.92（A类）;k=0.89（B类）;k=0.85（C类）;k=0.80（D类）；f 脉动系数，根据国内实测数据，并参考国外规范资料取 f=0.535 1.8(-0.16)(z/10)-地面粗糙度，=0.12（A类）；=0.16（B类）；=0.22（C类）；=0.30（D类）。,注意：对低矮房屋围护结构风荷载规范暂时未作具体规定，但容许设计者参照国

41、外对低矮房屋的边界层风洞试验资料或有关规范的规定进行设计。,第五节 横风向结构风效应,一、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,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）-Karma

42、n 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。,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,二、结构横向风力和风效应1、结构横向风力 PL=L(v2/2)B L-横风向风力系数，与雷诺数Re有关 跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横向风作用力 PL(z,t)=(v2(z)/2)B(z)Lsinst 风旋涡脱落圆

43、频率 s=2fs=2St v(z)/B(z)P62(4-68)St-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2,结构横风向共振现象 横风向风作用力频率（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 锁住（look-in）区域 风旋涡脱落频率fs保持常数（=结构横向自振频率f1）的风速区域 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（随机振动）PL(z)f(t),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)

44、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,2、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)。

45、,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vcr15m/s。,三、结构总效应,考虑顺风向动力作用效应（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

46、发生,采用平方和开方近似估算总的风动力效应,结构总风效应,结构顺风向静力效应,结构顺风向脉动效应,结构横风向风振效应,一、公路桥梁车辆荷载 汽车车队分为汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级和汽车-超20级4个等级，汽车车队的纵向排列如图所示。每级车队中有一辆是重车，其前后都是主车，主车数量不限，图中所示荷载为轴重。在设计3车道或4车道桥涵时，考虑到3行车队和4行车队单向并行通过的概率较小，计算荷载时可分别折减20%和30%，但折减后不得小于两行车队布载的计算结果。平板挂车和履带车荷载分为挂车-80，挂车-100、挂车-120和履带-50四种。用验算荷载进行验算时，对于履带车，沿桥纵向可考虑

47、多辆行驶，但两车净距不得小于50m；对于平板挂车，全桥均以通过一辆计算。车辆标准荷载的等级，应根据桥梁所在公路的等级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定，一般可参照表选用。,车 辆 荷 载,各级汽车车队的纵向排列(轴重力单位：kN；距离单位：m),车 辆 荷 载,注：一条公路上的桥涵，一般采用同一设计荷载和验算荷载。当改建三级干线公路时，对原有桥涵达到汽车-15级、挂车-80荷载标准的可适当利用。在有集装箱运输的一级公路，应采用汽车-超20级、挂车-120的车辆荷载。桥面行车道净宽4.5m的桥涵，其平板挂车不作具体规定，设计时可按实际情况自行确定。临时性桥涵的车辆荷载可自行确定。,表3-

48、43 车辆荷载等级选用表,二、城市桥梁汽车荷载 我国建设部1998年制定了城市桥梁设计荷载标准(CJJ 771998)，该标准适用于城市内新建、改建的永久性桥梁与涵洞、高架道路及承受机动车的结构物的荷载设计。标准中采用两级荷载标准，即城-A级、城-B级。城-A级汽车荷载适用于快速路及主干路，城-B级汽车荷载适用于次干路及支路。在城市桥梁设计中汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载两种形式。城-A级车辆采用五轴式货车加载，总轴重700kN，前后轴距为18.0m，行车限界横向宽度为3.0m；城-B级车辆采用三轴式货车加载，总轴重300kN，前后轴距为4.8m，行车限界横向宽度为3.0m。城-A级与城-B

49、级标准载重汽车的横断面尺寸相同，其横桥向布置应符合规定。,车 辆 荷 载,车 辆 荷 载,一、公路桥梁人群荷载 设有人行道的公路桥梁，采用汽车荷载进行计算时，应同时计入人行道上的人群荷载；而在采用验算荷载进行计算时，则不计入人群荷载。人群荷载一般取值为3kN/m2；城市郊区行人密集地区取值为3.5kN/m2，也可根据实际情况或参照所在地区城市桥梁设计的规定确定。当公路桥梁上的人行道板为钢筋混凝土板时，还应以1.2kN的竖向集中力作用在一块板上进行计算。计算栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力一般取值为0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力一般取值为l.0kN/m。,人 群 荷 载,二、城市

50、桥梁人群荷载 对于梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载，需根据加载长度及人行道宽来确定，可按下列公式计算，且人群荷载在任何情况下不得小于2.4kN/m2。当加载长度l20m时：W=4.5(3-65)当加载长度l20m时：W=(4.5-2)(3-66)式中，W单位面积上的人群荷载(kN/m2)；加载长度(m)；单边人行道宽度(m)，在专用非机动车桥上时宜取1/2桥宽；当1/2桥宽大于4m时，应按4m计。城市桥梁由于人流量较大，计算人行道栏杆时，作用在栏杆扶手上的竖向荷载采用1.2kN/m；水平向外荷载采用1.0kN/m。两者应分别考虑，不得同时作用。作用在栏杆立柱柱顶的水平推力应取值为1.0kN