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1、第四章 风荷载,内容提要一、风的有关知识 二、风压 三、结构抗风计算的几个重要概念（自学）四、顺风向结构风效应 五、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下降,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、台风赤道海洋面受日照影响，热而湿的水汽上升，形成庞大的水汽柱，热低压区和稳定的高压区之间将产生空气流动。由平衡产生的相
2、互补充的力使之成螺旋状流动。形成暖心（旋转的结果使涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）大量空气从高压区传来，如此循环不止。台风(typoon),2、季风(季节性的风)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）分为 13个等级（0级12级）（P46，表3-1）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
3、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 按规定的高度、地貌、时距等量测的风速所确定的风压 高度：10米高为标准高度（桥梁结构规定为20米）地貌（地面粗糙度):空旷平坦地貌 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
4、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,第四节 顺风向结构风荷载效应计算,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、风荷载计算基本公式：1、平均风下结构的静力风载 wz=s z(z)w0 s：风荷载体型系数 z(z)：风压高度变化系数 W0：基本风压,1）风载体型系数（s）主要与建筑物的体型和尺度有关，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
5、下的静态压力的分布规律。,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：中间值按插入法计算,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,？当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相
6、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
7、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，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 风压高度变化系数z A类 0.12 1.379(z/10)0.24 B类 0.16 1.000(z/1
8、0)0.32 C类 0.22 0.616(z/10)0.44 D类 0.30 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，风压高度变化系数z如何确定？见规范：P26对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物,见规范：P26 对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物的建筑物和构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别考虑，但应乘以修正系数,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
9、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。,风荷载计算实例,1、排架结构组成：,1.屋面板 2.天沟板 3.天窗架 4.屋架 5.托架 6.吊车梁 7.排架柱 8.抗风柱 9.基 础 10.连系梁 11.基础梁 12.天窗架垂直支撑 13
10、.屋架下弦横向水平支撑 14.屋架端部垂直支撑 15.柱间支撑,柱顶以下建筑物表面上的风荷载沿高度取为均匀分布，其值分别为（迎风面的风压力）q1和q2（背风面的风吸力），风压高度变化系数z按柱顶标高取值，其中：作用于柱顶以上的风荷载，通过屋架以集中力Fw形式施加于排架柱顶，（其值为屋架高度范围内的外墙迎风面、背风面的风荷载及坡屋面上风荷载的水平分力的总和）。,排架风荷载计算,作业：排架风荷载计算,框架结构风荷载计算实例基本公式：,开间 层高,开间层高,答案,计算风荷载标准值：,F2=5.2KN,F1=10.52KN,2、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-自学 顺风向总
11、风效应=顺风向平均风效应+顺风向脉动风效应 计算主要承重结构时：w(z)=z s z(z)w0 计算围护结构时：w(z)=gz s1 z(z)w0 z 高度z处的风振系数，且z=1+z/gz 高度z处的阵风系数,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，否则按静风考虑,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
12、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）-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。,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
13、PL(z,t)=(v2(z)/2)B(z)Lsinst 风旋涡脱落圆频率 s=2fs=2St v(z)/B(z)P62(4-68)St-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.2,2、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)。,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,
