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荷载与结构设计方法第三讲：风荷载主讲人：贾玲玲Email：jll8123@gmail.com33风的基本概念与类型风是大气层中空气的流动。由于地球表面不同地区的大气层所吸收的太阳能量不同，造成了各地空气温度的差异，产生的气压差驱动空气从气压高的地方向气压低的地方流动，即形成了风常见的自然灾害风类型：热带气旋、季风和龙卷风441.1热带气旋发生在热带海洋上的大气漩涡，是热带低压、热带风暴、台风和飓风的总称。1)概念随地区不同而异，主要由太阳辐射在洋面所产生的大量热能转变为动能而产生。55热带气旋划分标准①热带低压平均最大风力小于8级②热带风暴平均最大风力8~9级③强热带风暴平均最大风力为10~11级④台风平均最大风力为12级或12级以上风力等级表88急速旋转的暖湿气团，直径在300～1000km不等。靠近台风中心的风速常超过每180km/h，由中心到台风边缘风速逐渐减弱。台风88是一个很强大的空气旋涡，由中心到外依次是风眼、眼壁，螺旋云带。螺旋云伴随着大风、阵雨；越靠近中心，空气旋转速度越大，并且突然转为上升运动。在云墙、眼壁发生摧毁性的暴风骤雨；向中心处，风速和雨势骤然减小；到达台风眼处，气压最低，湿度最高，天气晴朗。台风特征1010台风气向云图2000年夏“杰拉华”台风的卫星照片99台风的影响危害在海上移动时，会掀起巨浪，引起狂风暴雨，对航行的船只造成严重威胁；登陆时，狂风暴雨给人们的生命财产造成巨大的损失。益处给肥沃的土地带来丰沛的雨水，形成适宜的气候。12121.2季风由内陆和海洋空气温差引起的风。在冬季由内陆吹向海洋，夏季由海洋吹向内陆。含义形成原因主要是海陆间热力环流的季节变化。夏季大陆增热比海洋剧烈，产生从大陆指向海洋的水平气压梯度，空气从海洋流向大陆，形成了与高空方向相反气流，构成夏季的季风环流。与之相反，同样的原理，形成冬季的季风环流。13131.2季风①是大范围地区的盛行风向随季节改变的现象；季风的三大特点②随着风向变换，控制气团的性质也产生转变；③随着盛行风向的变换，带来明显的天气气候变化。14141.3龙卷风呈漏斗状，移动速度通常超过每小时300公里。是一个旋转猛烈的圆形空气柱，上端与雷雨云相接，下端或者悬在半空中，或者直接延伸到地面或水面。1)含义1414龙卷风特征发生在海上，犹如“龙吸水”，称为“水龙卷”；出现在陆地上，将卷扬尘土，卷走房屋、树木，称为“陆龙卷”。主要发生地一般情况下，风速在50~150m/s，极端情况下，达到300m/s或超过声速。国外，主要发生在美国，其次是墨西哥英国意大利、澳大利亚、新西兰，日本等。我国主要发生在华南和华东地区，此外，还经常出现在南海的西沙群岛上，范围较小，寿命也相对比较短促。15151.4其它类型的风雷爆风：由水蒸气在高空冷凝引起的，瞬时风速一般为54~90km/h，发生时还伴有闪电、雷鸣和阵雨。热燥风：由于下沉运动使空气运动升高，湿度降低的风，常出现在山脉的背风面布拉风：常发生在陡峭斜坡隔开的高地与平地之间1616风灾害20世纪特大风灾情况1900年，美国加尔维斯顿岛，飓风，6000人遇难1985年，加拿大、美国，龙卷风，死亡200余人，直接经济损失3亿美元1991年，中国海南岛，台风，50万人口受灾，32人死亡，直接经济损失6.3亿多元1992年，美国，弗罗里达，飓风，经济损失300多亿美元1998年，印度内陆地区，热带风暴，死亡1000多人，直接经济损失4亿美元2005年，美国新奥尔良，飓风，死亡1200多人，经济损失1000多亿美元1717台风灾害实例1：1994年8月21日晚，9417号台风在浙江省温州市登陆，最大风力在12级以上，温州沿海受12级以上风力袭击的时间长达10小时，伴有大雨和大潮，受灾人口达1100万人，直接经济损失超过100亿元。实例2：2001年9月16日，“纳莉”台风在中国台湾北部登陆，风力强劲，台风中心最大风速145km/h,瞬间达180km/h,同时带来持续降雨，出现严重积水，台湾岛内交通完全瘫痪。实例3：2000年8月第10号台风给我国东南沿海各省造成极大损失：福建有1100多栋房屋被毁、铁路中断、山体滑坡；浙江省乐清市就毁坏近700栋房屋；台湾省经济损失就达新台币40多亿元。台风灾害链3838风对结构作用引起的结果①使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定②使结构开裂或留下较大的残余变形③使结构物或结构构件产生过大的挠度变形④引起结构或结构构件的疲劳损坏⑤由于过大的振动，建筑物的居住者主要内容1，风荷载标准值及相关系数的确定2，单层房屋上的风荷载计算3，高层、多层房屋上的风荷载及总风荷载的计算4，特殊情况下的风荷载计算及本章小结基本风压w0•以当地空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min平均最大风速v0(m/s)为标准，按w0=v02/1600确定(荷载规范)•按规定的地貌、高度、时距等测量的风速所确定的风压成为基本风压基本风压的规定条件1，标准高度的影响2，标准地貌的影响3，公称风速的时距（10min）4，最大风速的样本时间5，基本风速的重现期基本风压w0基本风压的调整对基本风压的说明风压高度变化系数mz•反映了风压随高度的变化规律：风速由地面为零沿高度按曲线逐渐增大，至距地面某一高度（300-500m）达到最大，上层风速受地面影响小，风速稳定。风压高度变化系数定义为任一高度处的风压与B类粗糙度、标准高度为10m处的风压的比值•地面粗糙度：由地貌、树木，房屋等形成的地表摩擦层，不同的地面粗糙度，风速和风压也不相同，地面粗糙度越大，对气流的干扰越大。《规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类梯度风速梯度风高度风载体型系数ms•风对房屋表面的作用力不等于基本风压值，风的作用力随房屋体型、尺度、表面位置，表面状况有关。风作用在建筑物表面上所引起的实际压力与来流风的速度压的比值——风荷载体型系数风洞试验•建筑物表面任一点的净风压力除以建筑物来流风压，再加权平均风载体型系数ms•描述了房屋表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与房屋的体型和尺度有关。设计时采用各个表面风作用力的平均值《高层混凝土规程》的补充规定《高层混凝土规程》的补充规定对风荷载体形系数的讨论4040合理的建筑体型①流线形平面采用圆形或椭圆形等流线形平面的楼房，有利于减少作用于结构上的风荷载；采用三角形或矩形平面的高楼，转角处设计成圆角或切角，可以减少转角处的风压集中②截锥状体形采用上小下大的截锥状体形，可以减小楼房上部较大的风荷载，并较小了风荷载引起的倾覆力矩③不大的高宽比房屋高宽比是衡量一幢高楼抗侧刚度和侧移控制的一个主要指标4242④透空层高楼在风力作用下，应风面产生正压力，背风面产生负压力，高楼受到很大的水平荷载⑤并连高楼群减少了高楼顶部的侧移和风振加速度风振系数•实际风压、平均风压（稳定风压），脉动风压–稳定风压：使结构产生侧移–脉动风压：使结构在上述侧移附近左右振动，表现形式主要为顺风向振动、常会伴随横风向振动，甚至会出现扭转振动高耸构筑物和高层建筑风振效应的影响因素•主要取决于结构自身的刚度（高度）：刚度越小（高度越大），自振周期越长，动力效应越明显•规范中以房屋的高度、结构的自振周期、结构的高宽比作为确定风振系数的主要参数《规范》的规定风振系数的计算脉动增大系数-《高层混凝土规程》脉动增大系数-《荷载规范》脉动影响系数(1)脉动影响系数(2)振型系数（1）振型系数（2）：《荷规》附录F•《规范》给出了三种情况下结构的前四阶振型的振型系数–迎风面宽度远小于高度的高耸结构–截面沿高度有规律变化的高耸结构–迎风面宽度较大的高层结构单层房屋的风荷载计算（1）单层房屋的风荷载计算（2）风荷载的标准值3.2风荷载总风荷载总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。z高度处的总风荷载标准值按下式计算：+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)Wz1Wz2Wz3Wz4例题1例题2例题3作用于高层房屋上风荷载特点5656高层建筑和高耸结构的抗风设计要求①为了使高层建筑不会发生破坏、倒塌、结构开裂，残余变形过大现象，保证结构的安全，结构的抗风设计必须满足强度要求②为防治隔墙开裂，建筑装饰及非结构构件的损坏，结构抗风设计必须满足刚度设计的要求。③须满足舒适度的设计要求高层房屋抗风设计的原则多层房屋的风荷载•考虑风振的情形(1)H＞30m、H/B(窄边宽度)＞1.5同时满足(2)自振周期T1＞0.25s的高耸结构(3)跨度＞36m的屋盖高层建筑自振周期的确定《荷载规范》总风荷载的确定风荷载的等效换算例题例∶已知剪力墙结构如图所示，38层，123.5m高，位于城市郊区Ⅱ类场地，基本风压，已知结构基本自振周期1.9s。(墙厚300mm)求：在横向风荷载作用下一层底的剪力及倾覆力矩为简化计算，将建筑物分为5段，每段顶标高取在楼层处，每段中点距地面的距离作为计算风压高度，地面粗糙度，位于城市郊区为B类，高度(m)12.2536.961.786.5111.21.061.501.792.002.16(4)求风振系数高度高宽比解：1、求风荷载标准值0wwZsZkmm=(1)基本风压值(2)风荷载体形系数(3)风压高度变化系数111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m脉动影响系数：脉动增大系数：各高度处风振系数：(5)各段风载标准值(6)求各段风载集中标准值各分段间风载集中标准值：（B—受风宽度）(7)基底剪力：基底弯矩：例题6脉动增大系数-《高层混凝土规程》振型系数（1）作业特殊情况下的风荷载计算-群楼效应特殊情况下的风荷载计算-山区风荷载例题6例题7美国旧金山金门大桥，1937年建成，主跨1280m。桥面加劲钢桁架的宽跨比为1：47，而高跨比仅为1：168，在当时为最小。但有时在风力作用下左右摇摆的幅度竟达4m，使得该桥有时不得不停止使用。1940年美国西海岸华盛顿州塔科马峡谷桥因共振发生塌桥事故！风灾•工程领域中最著名的风灾破坏为美国Tacoma悬索桥的风毁事件。•对于高层建筑、大跨结构、柔性大跨桥梁、输电塔和渡槽等受风面积大的柔性结构，抗风设计与抗震设计具有同等的重要意义。Tacoma桥在风中整体坍塌（视频）照片说明中跨的扭曲运动导致它首先破坏塔科马大桥主跨853m，宽跨比1：79，高跨比为1；350，比金门大桥还要柔。大桥建成后即显柔度太大，最初在风中行车的震荡还是竖向的，使用几个月后，震荡突然变为扭转。扭转最大时，右边人行道比左边高出8.5m此照片是在路面混凝土开始掉落大桥在11点钟之前塌落抢拍下来的。装配板和钢梁扭曲、弯曲的情况大桥塌落瞬间大桥最后竟在风速不大（56~67km/h)时因震荡幅度过大，产生共振塌落。大桥塌落之后拍下来的照片塔科马新桥20世纪40年代以前，作为大跨度桥梁的悬索桥没有发生过事故。这就导致了一个错误的结论：主缆刚度足够大，以至加劲梁梁体刚度无足轻重。实际上，当桥梁跨度超过200m时，风载的影响将显著增大。因此，特别是承载铁路交通的悬索桥更需要有足够的结构刚度。桥体在风的作用下振动，人们纷纷从远处赶来亲眼目睹桥面是怎样在中等风力作用下飞舞摇动、起伏不定，以至后面车辆的司机看不到前面的小汽车。幸运的是最后该桥封闭了交通。其后不久，于1940年11月7日该桥在70km/h的风速下突然倒塌。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处，当地报纸一简洁的标题作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。END