第四章風(fēng)荷載

1、第四章 風(fēng)荷載,內(nèi)容提要 第一節(jié) 風(fēng)的有關(guān)知識(shí) 第二節(jié) 風(fēng)壓 第三節(jié) 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念 第四節(jié) 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 第五節(jié) 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),第一節(jié) 風(fēng)的有關(guān)知識(shí),,,,,,,,,,? 赤道和低緯度地區(qū)：受熱量較多，氣溫高，空氣密度小、氣壓小,且大氣因加熱膨脹，由表面向高空上升,? 極地和高緯度地區(qū)：受熱量較少，氣溫低，空氣密度大、 氣壓大 ，且大氣因冷卻收縮由高空向地表上升,一、風(fēng)

2、的形成-- 空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)而形成? 地表上存在氣壓差或壓力梯度,北極,赤道,大氣熱力學(xué)環(huán)流模型,二、兩類性質(zhì)的大風(fēng)1、臺(tái)風(fēng)弱的熱帶氣旋性渦旋輻合氣流將大量暖濕空氣帶到渦旋內(nèi)部? 形成暖心（渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降）? 低渦增強(qiáng)? 輻合加強(qiáng)? 。。。。。（循環(huán)）臺(tái)風(fēng)(typoon)臺(tái)風(fēng)名字,2、季風(fēng)(season wind)? 冬季:大陸溫度低、氣壓高；相鄰海洋溫度比大陸高、氣壓

3、低 ? 風(fēng)從大陸吹向海洋? 夏季:大陸溫度高、氣壓低；相鄰海洋溫度比大陸低 、氣壓高 ? 風(fēng)從海洋吹向大陸三、風(fēng)級(jí)（根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海洋物體影響程度） ? 13個(gè)等級(jí)（0級(jí)?12級(jí)）（P37，表4-1） 0級(jí) 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí) 10級(jí) 11級(jí)12級(jí)靜風(fēng) 軟風(fēng) 輕風(fēng) 微風(fēng) 和風(fēng) 清勁

4、風(fēng) 強(qiáng)風(fēng) 疾風(fēng) 大風(fēng) 烈風(fēng) 狂風(fēng) 暴風(fēng)颶風(fēng),第二節(jié) 風(fēng) 壓,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1、風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系,建筑物,小股氣流,流向,高壓氣幕,壓力線,w=?v2/2,dl,w1dA,(w1+dw1)dA,風(fēng)壓的形成,邊界條件：,2、基本風(fēng)壓w0 ? 按規(guī)定的地貌、高度、時(shí)距等量測(cè)的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓? 地貌（地面粗糙度） 空曠平

5、坦地貌? 高度 10米高為標(biāo)準(zhǔn)高度? 公稱風(fēng)速時(shí)距 ?=10min,? 最大風(fēng)速的樣本時(shí)間 一年,? 基本風(fēng)速的重現(xiàn)期T0 基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間,,,,,,,,,,,,,,,,,?每年不超過(guò)基本風(fēng)壓的概率或保證率p0=1-1/T0（圖中影形面積）,? GB50009-2001規(guī)定： 以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高統(tǒng)計(jì)所得的50年一遇10min

6、內(nèi)最大風(fēng)速v0為標(biāo)準(zhǔn)，按w 0= v02/1600確定。,最大風(fēng)速 --隨機(jī)變量,年最大風(fēng)速,p,基本風(fēng)速,面積 p0=1-1/T0,年平均最大風(fēng)速,年最大風(fēng)速概率密度分布,第三節(jié) 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念,PL 截面風(fēng)速 B PM

7、 PD 流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力,,,,,,,,,,,,,,,,,? 結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力,順風(fēng)向力→PD 、 橫風(fēng)向力→ PL 、扭力矩→ PM,? 結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng),~ 由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)響應(yīng),一、結(jié)構(gòu)的風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng),,,,,,,二、順風(fēng)向

8、平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng),? 順風(fēng)向風(fēng)速時(shí)程曲線,? 平均風(fēng) → 忽略其對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響 → 等效為靜力作用,（∵風(fēng)的長(zhǎng)周期? ?結(jié)構(gòu)的自振周期）,? 脈動(dòng)風(fēng) → 引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),（∵風(fēng)的短周期接近結(jié)構(gòu)自振周期）,? 順風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)：平均風(fēng)效應(yīng)、脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng),脈動(dòng)風(fēng)速vf —短周期成分，周期一般只有幾秒鐘,vf,v(t),t,一、順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)1、風(fēng)載體型系數(shù)（?s） 氣流未被房屋干擾前的流速v0，壓力p0

9、 ? 房屋表面某點(diǎn)的流速v，壓力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 —風(fēng)載體型系數(shù)，即風(fēng)作用于建筑物上所引起的實(shí)際壓力（或吸力）與來(lái)流風(fēng)的速度壓的比值,w /w0= ?s。? 主要與建筑物的體型和尺

10、度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān) ? 描述建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律。,? 風(fēng)載體型系數(shù)?s一般采用相似原理，在邊界層風(fēng)洞內(nèi)對(duì)擬建的建筑物模型進(jìn)行試驗(yàn)確定。?《規(guī)范》GB50009-2001表7.3.1給出了38項(xiàng)不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)體型及其體型系數(shù)? 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時(shí)，可按表規(guī)定取用；? 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時(shí)，可參考有關(guān)資料采用；? 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同且

11、無(wú)參考資料可借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；? 對(duì)重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。,? 風(fēng)洞試驗(yàn)--在風(fēng)洞中建筑物能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化 大氣紊流縱向分量 --建筑物長(zhǎng)度尺寸具有相同的相似常數(shù)? 建筑物的風(fēng)洞尺寸：寬2?4m、高2?3m，長(zhǎng)5?30m 模擬風(fēng)剖面--要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強(qiáng)度和紊流頻譜在幾何上和運(yùn)動(dòng)上都相似? 風(fēng)洞試驗(yàn)：委

12、托風(fēng)工程專家和專門的實(shí)驗(yàn)人員 費(fèi)用較高（國(guó)外應(yīng)用較普遍、國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少）? 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ头诸悾?）剛性壓力模型--主要量測(cè)建筑物表面的風(fēng)壓力（吸力） 建筑模型材料：采用有機(jī)玻璃 建筑模型比例：約1：300?1：500 建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實(shí)物幾何相似，與風(fēng)流動(dòng)有明顯關(guān)系的特征（建筑外形、突出部分等）都應(yīng)正確模擬。 風(fēng)洞試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動(dòng)壓力

13、、體型系數(shù) 。 風(fēng)洞試驗(yàn)一次需持續(xù)60s左右，相應(yīng)實(shí)際時(shí)間1h,（2）氣動(dòng)彈性模型? 對(duì)高寬比大于5，需要考慮舒適度的高柔建筑時(shí)采用 精確地考慮結(jié)構(gòu)的柔性和自振頻率、阻尼的影響。要求模擬幾何尺寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。（3）剛性高頻力平衡模型? 模型尺寸較小，1：500量級(jí) 將一個(gè)輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反應(yīng)的力平衡系統(tǒng)上，可得到風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。 模擬結(jié)構(gòu)剛度或高頻力平衡系統(tǒng) 模擬結(jié)構(gòu)剛度的

14、基座桿?長(zhǎng)約150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組合，可測(cè)傾覆力矩和扭矩等,,,,,,,,,,,,,,,,,,,風(fēng)載體型系數(shù)?s,【例1】 封閉式雙坡屋面,【例2】封閉式房屋和構(gòu)筑物(正多邊形),+0.8,-0.5,-0.5,?s,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,注：中間值按插入法計(jì)算,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,？ 當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時(shí)，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大

15、，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。?《規(guī)范》GB50009規(guī)定：將單獨(dú)建筑物的體型系數(shù)?s 乘以相互干擾系數(shù)(可參考類似條件的試驗(yàn)資料確定；必要時(shí)宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得出)以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。 ？ 風(fēng)力作用在高層建筑表面，其壓力分布很不均勻，在角隅、檐口、邊棱處和在附屬結(jié)構(gòu)的部位（陽(yáng)臺(tái)、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會(huì)超過(guò)按表所得的平均風(fēng)壓?《規(guī)范》GB50009規(guī)定：對(duì)負(fù)壓區(qū)可根據(jù)不同部位分別取體型系數(shù)為-1.0 ? -2.2？對(duì)封閉

16、式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實(shí)際存在的個(gè)別孔口和縫隙，以及機(jī)械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。?《規(guī)范》GB50009規(guī)定：對(duì)封閉式建筑物的內(nèi)表面壓力系數(shù)，按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2,2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)?z ? 地面的粗糙度、溫度垂直梯度 ?在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大?當(dāng)氣壓場(chǎng)隨高度不變時(shí)，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度? 通常認(rèn)為在離地面高度為300m ? 500m時(shí)

17、，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，達(dá)到“梯度風(fēng)速”，該高度稱為梯度風(fēng)高度HG 地面粗糙度等級(jí)低的地區(qū)，其梯度高度比等級(jí)高的地區(qū)為低。? GB50009-2001地面的粗糙度類別 A類—近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū) B類—田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū) C類—有密集建筑群的城市市區(qū) D類—有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū),? 地面粗糙度類別 粗糙度指數(shù)? 梯度風(fēng)高度HG

18、 風(fēng)壓高度變化系數(shù)?z A類 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B類 0.16 350m 1.000(z/10)0.32

19、 C類 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D類 0.30 450m 0.318(z/10)0.60? 風(fēng)壓高度變化系數(shù)?z (z

20、)=任意高度處的風(fēng)壓wa(z)/基本風(fēng)壓w0~ 根據(jù)離地面或海平面高度、地面粗糙度類別由GB50009—2001表7.2.1確定。 【思考題】《規(guī)范》GB50009對(duì)遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)?z如何確定？,? 地面粗糙度近似確定原則（無(wú)實(shí)測(cè)粗糙度指數(shù)? ）? 以擬建房2km為半徑的迎風(fēng)半圓范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來(lái)區(qū)分粗糙度類別，風(fēng)向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向?yàn)闇?zhǔn)，但也可取其主導(dǎo)風(fēng)；? 以半圓影

21、響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h平均來(lái)劃分地面粗糙度類別，當(dāng)h平均?18m，為D類，，9m? h平均?18m為C類， h平均? 9m，為B類。? 影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時(shí)，交疊部分的高度取大者；? 平均高度h平均取各面域面積為權(quán)數(shù)計(jì)算。,3、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載 wz= ?s ?z(z) w0 二、

22、順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)? 脈動(dòng)風(fēng)—隨機(jī)動(dòng)力作用→按隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行分析-自學(xué) 1、主要承重結(jié)構(gòu)? 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)= 順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)+ 順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng) w(z)=w(z)+wd(z)=(1+wd(z)/w(z))w(z)=?z ?s ?z(z) w0 ?z –高度z處的風(fēng)振系數(shù)，且?z=1+???z/? P59，式（4-65） ?—脈動(dòng)增大系數(shù)，與w0T12、房屋結(jié)構(gòu)類型； ?—脈動(dòng)影響系數(shù)，與

23、地面粗糙度類型、H/B、房屋總高H； ?z—振型系數(shù)，由結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算確定（一般取第一振型）。,GB50009規(guī)定：? 基本自振周期T1>0.25s的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)）? 高度H >30m且高寬比H/B >1.5的高柔房屋?考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響,2、圍護(hù)結(jié)構(gòu) 對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于其剛度一般較大，在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中可不必考慮其共振分量，可僅在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動(dòng)風(fēng)瞬間的

24、增大因素，通過(guò)陣風(fēng)系數(shù)?gz 來(lái)計(jì)算風(fēng)效應(yīng)。即 w(z)= ?gz ?s ?z(z) w0 ?gz—陣風(fēng)系數(shù)，按下式確定 ?gz=k ( 1+2 ?f ) k —地面粗糙度調(diào)整系數(shù), k =0.92（ A類）; k =0.89（ B類）; k =0.85（ C類）; k=0.80（ D類）； ?f —

25、脈動(dòng)系數(shù)，根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并參考國(guó)外規(guī)范資料取 ?f=0.5?35 1.8(?-0.16)(z/10)-? ? —地面粗糙度， ? =0.12 （ A類）；? =0.16 （ B類）； ? =0.22 （ C類）；? =0.30 （ D類）。,注意： 對(duì)低矮房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載《規(guī)范》暫時(shí)未作具體規(guī)定，但容許設(shè)計(jì)者參照國(guó)外對(duì)低

26、矮房屋的邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)資料或有關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。,第五節(jié) 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),一、橫風(fēng)向風(fēng)振（對(duì)細(xì)柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮）? 橫風(fēng)向風(fēng)振?由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力特性形成的，其中包括旋渦脫落、弛振、顫振、擾振等空氣動(dòng)力現(xiàn)象。? 與結(jié)構(gòu)截面形狀和雷諾數(shù)Re有關(guān),粘性力=粘性應(yīng)力· 面積F =（粘性系數(shù)? ·速度梯度dv/dy）·面積F,慣性力=單位面積上的壓力 ?v2/2 · 面積F,,,,,,,,,,,

27、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,? 橫向風(fēng)振的產(chǎn)生(圓截面柱體結(jié)構(gòu)),沿上風(fēng)面AB速度逐漸增大（v ?），B點(diǎn)壓力達(dá)到最小值;,沿下風(fēng)面BC速度逐漸降低（ v ↓），壓力重新增大。,氣流在BC中間某點(diǎn)S處速度停滯（ v =0），生成旋渦，并在外流的影響下以一定周期脫落（脫落頻率fs）---Karman 渦街,當(dāng)氣流旋渦脫落頻率fs與結(jié)構(gòu)橫向自振頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，即發(fā)生橫向風(fēng)振 。,雷諾數(shù) Re=,,,,,,,,

28、,,,,? 圓筒式結(jié)構(gòu)三個(gè)臨界范圍,跨臨界范圍： Re? 3.5 ? 106 ?強(qiáng)風(fēng)共振,超臨界范圍： 3.0?105 ? Re ? 3.5 ? 106 ?呈隨機(jī)性,亞臨界范圍： 3.0?102 ? Re ? 3.0 ? 105 ?微風(fēng)共振,3.5 ? 106,跨臨界,3.0 ? 105,超臨界,3.0?102,亞臨界,二、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)1、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力

29、 PL=?L(?v2/2)B ?L -橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)? 跨臨界范圍、亞臨界范圍的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用具有周期性，結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)作用力 PL(z,t)= (?v2(z)/2)B(z) ?Lsin?st 風(fēng)旋渦脫落圓頻率 ?s=2?fs= 2?St v(z)/B(z) P62 (4-68) St-斯脫羅哈數(shù)，對(duì)

30、圓形截面結(jié)構(gòu)取0.2,? 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振現(xiàn)象 橫風(fēng)向風(fēng)作用力頻率（ fs ）與結(jié)構(gòu)橫向自振基本頻率（ f1）接近時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向產(chǎn)生共振反應(yīng) ? 鎖?。╨ook-in）區(qū)域 風(fēng)旋渦脫落頻率fs保持常數(shù)（=結(jié)構(gòu)橫向自振頻率f1）的風(fēng)速區(qū)域 跨臨界范圍（確定性振動(dòng)） 鎖住區(qū)域: PL(z)sin?1t 其它區(qū)域：

31、 PL(z)sin?s(z)t 亞臨界范圍（確定性振動(dòng)） PL(z)sin?s(z)t 超臨界范圍（隨機(jī)振動(dòng)） PL(z)f (t),PL(z)sin?s(z)t

32、 跨臨界范圍 PL(z)sin?st z （確定性振動(dòng)） ?s =?1 鎖住區(qū)域 y

33、 PL(z)sin?s(z)t x 超臨界范圍 v （隨機(jī)振動(dòng)） PL f(t)

34、 亞臨界范圍 （確定性振動(dòng)）PL(z)sin?s(z)t結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力分布,,,,,,,,,,,,,,,,,,,? 對(duì)豎向細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向受三種不同性質(zhì)的風(fēng)作用力,2、結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng),對(duì)圓形截面的結(jié)構(gòu),應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)Re的不

35、同情況進(jìn)行橫向風(fēng)振(旋渦脫落)的校核。,? 當(dāng)Re ? 3.0 ? 105 時(shí)（亞臨界的微風(fēng)共振）,應(yīng)控制結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH不超過(guò)臨界風(fēng)速vcr，即vH?vcr。,(4-70),f1—結(jié)構(gòu)基本自振頻率； St—斯脫羅哈數(shù)，St =fsD/v ，圓截面結(jié)構(gòu)取St =0.2；?w—風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取?w =1.4；?H—結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0—基本風(fēng)壓(kN/m2)；?—空氣密度(kg/m3)。,? 當(dāng)Re? 3.5 ?

36、106 且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH?vcr 時(shí)（跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振 ）? 設(shè)計(jì)時(shí)必須按不同振型對(duì)結(jié)構(gòu)予以驗(yàn)算 跨臨界強(qiáng)風(fēng)共振引起在 z 高處振型 j 的等效風(fēng)荷載wczj： wczj = ︱?j ︱v2cr?zj/12800? j (kN/m2) ?j—計(jì)算系數(shù)，是對(duì)振型情況下考慮與共振分布有關(guān)的折算系數(shù)，按規(guī)范表7.6.2確定； ?zj—在z高處結(jié)構(gòu)的j振型系數(shù)； ? j —第j振型的