风荷载-PPT精品

第四章风荷载内容提要第一节风的有关知识第二节风压第三节结构抗风计算的几个重要概念第四节顺风向结构风效应第五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复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复合加强，更多的水汽向中心集中。。。。。。（循环）台风(typoon)台风名字热带气旋按中心附近地面最大风速划分为四个等级名称属性台风（Typhoon）最大风速出现＞32．6米/秒，也即12级以上（64海里/小时或以上）强热带风暴(Severetropicalstorm)最大风速出现24．5-32．6米/秒，也即风力10-11级（48-63海里/小时）热带风暴(Tropicalstorm)最大风速出现17．2-24．4米/秒，也即风力8-9级（34-47海里/小时）热带低压(Tropicaldepression)最大风速出现＜17．2米/秒，也即风力为6-7级（22-33海里/小时）发布的信息属性消息远离或尚未影响到预报责任区时，根据需要可以发布“消息”，报道编号热带气旋的情况，警报解除时也可用“消息”方式发布警报预计未来48小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布警报紧急警报预计未来24小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布紧急警报（影响是以沿海开始出现8级风或暴雨为标准。）2019年8月12日台风“云娜”正面袭击浙江2、季风(seasonwind)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）13个等级（0级12级）（P38，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=v2/2dlw1dA(w1+dw1)dA风压的形成风压221vw推导合力dtdvdAdlMadAdw1dtdvdldw1vdvdw1(因为vdtdl)cvw2121边界条件：当0v时，mww1（气流冲击结构物后其截面中心点产生的最大气流压强）当v时，bww1（气流原先压力强度）mbwvw221gvv=0.012018kN/m3（空气单位体积的重力），g=9.8m/s2风压：16302vw(kN/m2)2、基本风压w0（5个标准规定）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）按照空旷平坦地貌确定基本风速或基本风压高度10米高为标准高度（GB50009-2019）公称风速时距=10min最大风速的样本时间各国基本上都取一年作为统计风速的样本时间基本风速的重现期T0基本风速出现一次所需要的时间，一般为几十年（如30年、50年）。公称风速odttvv10,即一定时间间隔内的平均风速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）GB50009-2019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w0=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3、非标准条件下的风速和风压换算基本风压（1）非标准高度换算由实测结果分析，平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述：、z——任一点的风速和高度；、——标准高度处的平均风速和高度，通常为10米；——与地貌或地面粗糙程度有关的指数，地面粗糙程度越大，越大，参考表4-3。()ssvzvzvsvsz由风压与风速的关系，在确定地貌条件下（设此时的地貌粗糙度指数为），非标准高度处的风压与标准高度处的风压间的关系为：（2）非标准地貌的换算地貌不同，地面的摩阻大小不同，使得该地貌处10m高处的风压与基本风压将不相同；加拿大风工程专家Davenport的结果表明，地表摩擦的结果使得接近地表的风速随着离地面距离的减小而降低，如图4-6所示；只有在离地面300~500米以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气压梯度的作用下自由流动，达到速度梯度，而将出现这种速度的高度称为梯度风高度，用表示。各种地貌条件下风速变化指数及梯度风高度的参考值见表4-4。a()awz0aw2220()()aaasswzvzwvzTHTH设标准地貌的基本风速及其测定高度、梯度风高度和风速变化指数分别为：另一地貌的上述各值分别为：可得或所以，任意地貌的基本风压与标准地貌的基本风压的关系为：az0svTsHszsa0avTaH00()()saTsTasasaHHvvzz00()()saTsTaassaHHvvzz0aw0w2200()()saTsTaasaHHwwzz（3）不同时距的换算时距不同，所求得的平均风速不同；统计得出各种不同时距与10分钟时距风速的平均值，见表4-6。（4）不同重现期的换算重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也就不同；根据结构的重要性，设计时可能采用不同重现期的基本风压；根据我国各地的风压统计资料，得出不同重现期与常规50年重现期风压比值，如表4-7所示。近似拟合公式为：全国基本风压分布图4-5。r00.336log0.429rT第三节结构抗风计算的几个重要概念PL截面风速BPMPD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~是指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v二、顺风向平均风与脉动风顺风向风速时程曲线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（即稳定风）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平均风速v—长周期成分，周期一般在10min以上vfv(t)t工程上一般将脉动风处理为随机过程，常假定脉动风速为零均值正态平稳随机过程，其概率密度函数为：脉动风速的均方差。在一个合适的时间段T内，取得其中一个样本vfi(t)，如果脉动风还满足各态历经条件，则其均方差：定义风的湍流强度，表征风速的脉动程度。脉动风的频率特性可采用功率谱密度表示，定义为：脉动风功率谱密度，是圆频率的函数；[(),]fvttT221()exp()22ffvvvfvv——201()TvfivtdtTvvIv1()()2ffivvSRed()fvS——脉动风速的自相关函数：加拿大的Davenport得出水平脉动风的功率谱密度经验公式：V10——10m高度处的风速；k——与10m高度处相应的地面阻力系数；n——频率，为ω/2π；x——10m高度处L行程内的脉动次数，x=nL/v10L——假定的湍流行程长度，近似取1200米；V10/n——10米高度处一次脉动的行程距离，称为波长。三、横风向风振（在第五节讲）()fvR——01()()()fTvffRvtvtdtT22104234()(1)fvkvxSnnx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，w0为理想风速的风压。第四节顺风向结构风效应风载体型系数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》GB50009-2019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24m、高23m，长530m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1：3001：500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150300600s-0.60+0.8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0.22、风压高度变化系数z（4-32）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HT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。GB50009-2019地面的粗糙度类别A类—