工程设计与可靠度设计原理

第4章风荷载本章导读叙述了风速与风压的关系、基本风压的定义和基本风压取值原则;介绍了地面粗糙度对风压的影响、平均风压沿高度变化的规律以及风压高度变化系数的确定方法；讨论了风流经建筑物表面时的气流分布状况和建筑物体型对风压分布影响；给出了结构顺风向风振和横风向风振产生的原因及结构抗风振设计方法；分析了风对桥梁的静力作用和动力作用，对于大跨度桥梁结构必须考虑结构的风致振动。4.1风的基本知识4.1.1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，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。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。4.1.2两类性质的大风1.台风台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在暖热带洋面上空，在合适的环境下，气流产生上升和对流运动。2.季风由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风。4.1.3风级为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度将风划为若干等级。风力等级（windscale）简称风级，是风强度的一种表示方法。国际通用的风力等级是由英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的，故又称蒲田风力等级(Beaufortscale)。由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分等级，最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小，分为13个等级（0～12级）。后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由12级台风扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。表4.1蒲福风力等级表风力等级名称海面状况浪高/m海岸渔船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速一般最高km/hmile/hm/s0静风——静,烟直上平静110.0-0.21软风0.10.1烟示风向微波峰无飞沫1-51-30.3-1.52轻风0.20.3感觉有风小波峰未破碎6-114-61.6-3.33微风0.61.0旌旗展开小波峰顶破裂12-197-103.4-5.44和风1.01.5吹起尘土小浪白沫波峰20-2811-165.5-7.95清劲风2.02.5小树摇摆中浪折沫峰群29-3817-218.0-10.76强风3.04.0电线有声大浪白沫离峰39-4922-2710.8-13.87疾风4.05.5步行困难破峰白沫成条50-6128-3313.9-17.18大风5.57.5折毁树枝浪长高有浪花62-7434-4017.2-20.79烈风7.010.0小损房屋浪峰倒卷75-8841-4720.8-24.410狂风9.012.5拔起树木海浪翻滚咆哮89-10248-5524.5-28.411暴风11.516.5损毁重大波峰全呈飞沫103-11756-6328.5-32.612飓风14.0—摧毁极大海浪滔天118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.24.1.4风的破坏作用当风速和风力超过一定限度时，就会给人类社会带来巨大灾害。1973年9月14日，编号为“7314”的强台风在琼海博鳌登陆，登陆时中心风力达到73m／s，也即18级。2005年8月23日，卡特里娜飓风在在美国新奥尔良以西地区登陆，登陆时风速达到225km/h（64.4m／s）。2007年8月2日13级强暴风雨突袭上海国际赛车场，钢构架看台倒塌。1926年9月美国迈阿密Meyer-kiser大楼（17层钢框架）台风袭击后严重塑性扭曲变形，残余位移竟达0.61m。JohnHancock大楼，在一次风暴中几乎所有玻璃全都粉碎，更换了10348块玻璃，花去830万美元英国Ferrybridge电站有8座冷却塔，每座高116m，直径93m，其中3座在1965年11月1日由于塔群尾流相互干扰风毁。美国华盛顿州Tacoma大桥毁于风振，该桥为跨度853m悬索桥，1940年在建成后不到4个月，在风速19m/s的大风中，由于振颤而风力失稳。上海杨浦大桥缆索的涡振和风雨振使得索套破坏九江长江大桥钢拱吊杆发生涡激共振风毁桥梁表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。2006年3月12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。2006年“桑美”台风，最大风速68.3m/s,大树风吹折断台风“桑美”造成的破坏台风“海棠”登陆我国东南沿海台风“海棠”登陆我国台湾海岸4.2基本风速和基本风压4.2.1基本风速风的强度常用风速表示，各气象台站记录下的多为风速资料。确定作用于工程结构上的风荷载时，必须依据当地风速资料确定基本风压。基本风速通常按以下规定的条件定义：（1）风速高度风速随高度而变化，离地表越近，摩擦力越大，因而风速越小。《荷载规范》对房屋建筑取为距地面10m为标准高度；公路《桥规》对桥梁工程取为距地面20m为标准高度。（2）地形地貌同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关，地面粗糙程度高，风能消耗多、风速则低。测定风速处的地貌要求空旷平坦，应远离城市，城市中心地区房屋密集对风的阻碍及摩擦均大。机械风速仪机械风速仪超声波风速仪（3）测量时距风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。时距太短，易于突出风的脉动峰值作用；时距太长，势必把较多的小风平均进去，致使最大风速值偏低。根据我国风的特性，大风约在1min重复一次，风的卓越周期约为1min，如取10min时距，可覆盖10个周期的平均值，在一定长度的时间和一定次数的往复作用下，才有可能导致结构破坏。（4）风速样本由于气候的重复性，风有着它的自然周期，我国和世界上绝大多数国家一样，取年最大风速记录值为统计样本。（5）重现期取年最大风速为样本可获得各年的最大风速，每年的最大风速值是不同的，为一随机变量。工程设计时，一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的风速。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。设重现期为T0年，则1/T0为超过设计最大风速的概率，因为不超过该设计最大风速的概率或保证率p0应为：0011PT我国荷载规范规定：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。桥梁工程结构重现期可取100年。重现期通常俗称为T0年一遇。(4.1)4.2.2基本风压根据以上规定可求出在空旷平坦的地面上，离地面10m高，经统计所得的50年一遇的10min平均最大风速。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：（4.2）式中w——单位面积上的风压力（kN/m2）ρ——空气密度（t/m3）γ——空气单位体积重力（kN/m3）g——重力加速度（m/s2）v——风速（m/s）22122wvvg在标准大气压情况下，γ=0.012018kN/m3,g=9.80m/s2,可得：在不同的地理位置，大气条件是不同的，γ和g值也不相同。重力加速度g不仅随高度变化，而且与纬度有关；空气重度γ是气压、气温和温度的函数。因此，各地的值均不相同，沿海地区的上海该值约为1/1740；内陆地区随高度增加而减小，高原地区的拉萨该值约为1/2600。22220.012018(kN/m)229.801630vwvvg/2g标准高度最大风速的重现期最大风速的样本平均风速的时距标准地貌基本风速或基本风压基本风速和基本风压4.2.3风速或风压的换算基本风压是按照规定的标准条件得到的，在分析当地风速资料时，往往会遇到实测风速的高度、时距、重现期不符合标准条件的情况，必须将非标准条件下实测风速资料换算为标准条件下的风速资料，再进行分析。1.不同高度换算当实测风速高度不是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，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。当缺乏观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.2取用。表4.2实测风速高度换算系数实测风速高度（m）468101214161820高度换算系数1.1581.0851.0361.0000.9710.9480.9280.9100.8952.不同时距换算我国和世界上绝大多数国家均采用10min作为实测风速平均时距的标准。但有时天气变化剧烈，气象台站瞬时风速记录时距小于10min，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4.3取值表4.3不同时距与10min时距风速换算系数实测风速时距60min10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时时距换算系数0.9401.001.071.161.201.261.281.351.391.503.不同重现期换算我国目前按重现期50年的概率确定基本风压。重现期不同，最大风速的超越概率也就不同，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4.4取值。表4.4不同重现期与重现期为50年的风压换算系数重现期（年）1006050403020105重现期换算系数1.101.031.000.970.930.870.770.664.2.4山区的基本风压山区地势起伏多变，对风速影响较为显著，山区基本风压与邻近平坦地区的基本风压有所不同，山区风速有如下特点：（1）山间盆地、谷地等闭塞地形，由于四周高山对风的屏障作用，一般比空旷平坦地面风速减小10～25%，相应风压要减小20～40%。山间盆地、谷地等闭塞地形（2）谷口、山口等开敞地形，当风向与谷口或山口趋于一致时，气流由开敞区流入两边为高山的狭窄区，流区压缩，风速必然增大；风速比一般空旷平坦地面增大10～20%。（3）山顶、山坡等尖孤地形，由于风速随高度增加和气流越过山峰时的抬升作用，山顶和山坡的风速比山麓要大。谷口、山口等开敞地形山顶、山坡等孤尖地形对于山区的建筑物可根据不同地形条件给出风荷载地形修正系数，在一般情况下，山区的基本风压可按相邻平坦地区基本风压乘以下列修正系数后采用：（1）对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数按下述公式计算：(4.3)式中——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当时，取；——系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；H——山顶或山坡全高（m）；z——建筑物计算位置离建筑物地面的高度（m）；当z2.5H时，取z=2.5H。2B1tg12.5zHtgtg0.3tg0.3d12dZABCAd4dCB图4.5山峰和山坡示意图对于山坡和山峰的其他部位，可按图4.5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。AC4.2.5远海海面和海岛基本风压风对海面的摩擦力小于对陆地的摩擦力，所以海上风速比陆地要大。沿海地带存在一定的海陆温差，促使空气对流，使海边风速增大。基于上述原因，远海海面和海岛的基本风压值大于陆地平坦地区的基本风压值，并随海面或海岛距海岸距离的增大而增大。可得不同出海距离下，对应的海陆风速比值，即远海海面和海岛基本风压修正系数（表4.5）。表4.5远海海面和海岛的修正系数距海岸距离（km）4040～60