第三章-风荷载

第三章风荷载飓风、台风，对建筑物造成严重破坏。3.1风的有关知识一、风的形成风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。二、两类性质的大风1、台风（飓风）热带海洋上空产生的一种气旋2、季风冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋夏季：大陆热，海洋冷，风：海洋→大陆三、我国的风气候总况风力大小台湾、海南、南海诸岛东南沿海地区东北、华北、西北地区青藏高原长江中下游、黄河中下游地区云贵高原四、风力等级风力等级表3-1•风力等级简称风级，是风强度（风力）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，故又称为“蒲福风力等级”。•它最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、海浪等的影响大小分为0~12级，共13级。•风速越大，风级越大。•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。•2004年从国际空间站拍摄的飓风“伊万”云图•风速在200km/h以上飓风“伊万”摧毁的房屋超高层结构、高耸结构、桥梁、大型公共项目等，必要时需进行风洞试验，测试风荷载对结构的作用，从而为结构设计提供依据。3.2风压风压的定义：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，即风压。风速→风压•主要侧向荷载之一•水平风压（静力作用）•振动效应（动力作用）风荷载依据当地风速资料确定基本风压一、风速与风压的关系（由流体力学中的伯努利方程得到）2002032002/////wvgwkNmkNmgmsvmsgv单位面积上的风压力空气单位体积重力重力加速度平均风速全国不同的地理位置，大气的的值均不相同，风速与离地高度、当地地貌环境等有关。•不同的地理位置，大气条件是不同的，γ和g值也不相同。•为了比较不同地区风压的大小，必须对测量高度、地貌环境进行统一规定。测量高度地貌环境基本风速（抗风设计的基本数据）全国各城市的基本风压值全国672个地点的基本气象台（站）二、基本风压w0基本风压：观测场地空旷平坦地面上，离地10m高，用风速仪测得10min平均风速资料→统计分析确定50年一遇的基本风速v0（m/s）→得到当地的基本风压值w0（kN/m2）。基本风压按规范表格给出的50年一遇的风压值采用，但不得小于0.3kN／m2。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构（自重较轻的钢木主体结构），这类结构风荷载很重要，计算风荷载的各种因素和方法还不十分确定，因此基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。2002032002/////wvgwkNmkNmgmsvmsgv单位面积上的风压力空气单位体积重力重力加速度平均风速全国不同的地理位置，大气的的值均不相同，风速与离地高度、当地地貌环境等有关。一、结构的风力和风效应风速在建筑物表面风压风力（三个分量）风流经建筑物所产生的风力沿表面积分风效应：由风力产生的结构内力、位移、速度、加速度响应等。一般情况下风扭力矩数值很小，工程上可不予考虑，仅当结构有较大偏心时，才计及风扭力矩的影响。顺风向风力和横风向风力是结构设计主要考虑的对象。P533.5结构抗风计算的几个重要概念顺风向风力：PD横风向风力：PL扭风力矩：PM二、顺风向风荷载标准值垂直于建筑物表面上的顺风向风荷载标准值，应按下述公式计算：当计算主要承重结构时：P61（3-25）查表1、风压高度变化系数μz风速会受到地面建筑物的摩擦而减小，风速随离地面高度增加而增大，通常认为在离地面高度300m~550m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称之为梯度风高度HT。P46不同地面粗糙度影响下的风速剖面图550由图可知：1、大城市市区、城市市区、乡镇和郊区及开阔水面和沙漠的粗糙度依次减小。2、地面越粗糙，风速变化越慢，HT越大。3、反之，地面越平坦，风速变化越快，HT越小。4、一般大城市市区HT为550m；城市市区HT为450m；乡镇和城市郊区HT为350m；开阔水面和沙漠HT为300m。《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度分成ABCD四类。P48地面粗糙度类别划分A类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类：指有密集建筑群的城市市区；D类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。观测场地空旷平坦地面上，离地10m高→B类风压高度变化系数μz的取值方法表3-5风压高度变化系数μz表3-5风压高度变化系数μz由图可知：1、大城市市区、城市市区、乡镇和郊区及开阔水面和沙漠的粗糙度依次减小。2、地面越粗糙，风速变化越慢，HT越大。3、反之，地面越平坦，风速变化越快，HT越小。4、一般大城市市区HT为550m；城市市区HT为450m；乡镇和城市郊区HT为350m；开阔水面和沙漠HT为300m。二、顺风向风荷载标准值垂直于建筑物表面上的顺风向风荷载标准值，应按下述公式计算：当计算主要承重结构时：P61《建筑结构荷载规范》2、风荷载体型系数μs它描述了建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律（压力或吸力），主要与房屋的体型和尺度有关，由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验测得。迎风面墙受压力屋顶受吸力侧墙受吸力背风面墙受吸力单层双坡屋面房屋各个面上的风力分布垂直指向建筑物表面的产生压力垂直离开建筑物表面的产生吸力如图，风流经房屋时对房屋的作用，迎风面为压力（用“+”号表示），侧风面及背风面为吸力（用“-”号表示），由于存在涡流，各个面上的风压分布并非均匀。风迎背侧侧当风流经房屋时，对房屋的不同部位会产生不同的效果。有压力也有吸力。空气流动还会产生涡流，对房屋局部会产生较大的压力或吸力。风对房屋表面的作用力有压力和吸力；风对房屋表面的作用力并非均匀；且随房屋的体型及尺度而改变。风荷载的体形系数μs涉及的是关于固体与流体相互作用的流体力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验确定，鉴于原型实测方法对结构设计的不现实性，目前只能采用相似原理，对拟建的建筑物模型进行测试。为了实用性考虑，《建筑结构荷载规范2012》给出了39项不同类型建筑物的结构体型及其体型系数μs，这些都是根据国内外的试验资料和国外规范中的建议性规定整理而成，当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。风迎背侧侧8.3.1房屋和构筑物的风荷载体型系数，可按下列规定采用：1、房屋和构筑物与表8.3.1中的体型类同时，可按表8.3.1的规定采用；2、房屋和构筑物与表8.3.1中的体型不同时，可按有关资料采用；当无资料时，宜由风洞试验确定；3、对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。风荷载体型系数μs正号：垂直指向表面的压力负号：垂直背离表面的吸力风向垂直指向建筑物表面的产生压力垂直离开建筑物表面的产生吸力风荷载体型系数μs体现风荷载在建筑物各个面上的分布情况二、顺风向风荷载标准值垂直于建筑物表面上的顺风向风荷载标准值，应按下述公式计算：当计算主要承重结构时：P61《建筑结构荷载规范》3、顺风向风振系数βz风对建筑物的作用是不规则的，风力随风速的紊乱变化而不停的改变。这使得建筑物在风的作用下会产生振动效应（风振）。参考国外规范及我国建筑工程抗风设计和理论研究的实践情况，对于结构基本自振周期T＞0.25s的各种高耸结构，以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，由风引起的结构振动比较明显，设计中应考虑风振的影响。P56单层房屋的风荷载计算多层房屋的风荷载计算高层房屋的风荷载计算例1：某小区围墙在风荷载作用下，该围墙离室外地面高度为2.5m，纵向长度为30m，建于城市郊区，当地基本风压w0=0.5kN/m2。要求确定风荷载作用下室外地面处的总剪力V值（kN/m），已知体型系数μs如图所示。1、查P48，城市郊区的地面粗糙度为B类。2、因为围墙的高度z=2.5m，查P48表3-5，风压高度变化系数μz=1.0。3、查P50表3-7，体型系数μs=1.3。4、根据规定，此围墙可不考虑风振系数，即βz=1.0。201.01.31.00.50.65/kzszwwkNm6、纵向单位长度围墙承受的风荷载合力：7、室外地面处总剪力V=1.625kN/m单层房屋的风荷载计算5、应用P61规范式（3-25）得风荷载的标准值wk：20.65(/)2.51.625/PkNmmkNmwk2.5mV例2：单层房屋屋盖顶面斜坡部分的风荷载计算，如图，屋面长度L，屋面宽度B，屋盖顶面斜坡高度h，屋盖坡度α，迎风面体型系数μs1，背风面体型系数μs2，基本风压为w0，风压高度变化系数μz，确定屋盖顶面斜坡部分的风荷载集中力Fw。1、迎风面斜坡面积Aw=迎风面斜坡合力Fwk1=/sinLh111110sin(/sin)sinwkkkzszFFwLhwLhwLh2220kzszFwLhwLh11/sinkwkwAwLhFwk1的水平分力F1为：2、同理，背风面斜坡合力Fwk2的水平分力F2：迎背迎背FwF1F2AwAwFwk1wk1wk2Fwk2121020120:1.0,(wwzszzszzwzssFFFFwLhwLhLhAFwA3、合力单层房屋取风振系数令垂直于风向的屋盖斜坡的投影面积），则上式变为：A例3：某封闭式双坡屋面仓库，其屋面坡度为1:2.5（α=21.8°）,柱距及屋架间距均为6m，仓库平面及剖面如图所示，当地基本风压w0为0.45kN/m2，地面粗糙度为B类，求在图示风向情况下，作用在中间榀排架上的风荷载标准值。取横向1个柱距作为分析风力的计算单元，如图所示。(1)排架柱顶风荷载集中力Fw屋盖迎风面：μs1=屋盖背风面：μs2=(2)风压高度变化系数μz：查表3-5z=5.15+3.5=8.65m，z取屋脊处距室外地面的距离；B类，取μz=1.0查表3-7，项次2迎背6mμs2Fw迎背μs1wk1wk2wk3wk4一榀排架一榀排架FwA6m3.5m取横向1个柱距作为分析风力的计算单元，如图所示。(1)排架柱顶风荷载集中力Fw(标准值)屋盖迎风面：μs1=屋盖背风面：μs2=(2)风压高度变化系数μz：查表3-5z=5.15+3.5=8.65m，z取屋脊处距室外地面的距离；B类，取μz=1.0(3)单层房屋取βz=1.0(4)A=6m×3.5m查表3-7，项次2A6m12010.3280.50.4563.51.63wzssFwAkNFw迎背μs2μs1wk1wk2wk3wk4迎背一榀排架6m12010.3280.50.4563.51.63wzssFwAkN(5)排架柱A、B的均布风荷载标准值:•查表3-7，项次2，迎风面μs3=0.8；背风面μs4=-0.5。•风压高度变化系数μz，取柱顶处z=5.15m，查表3-5，B类，取μz=1.0。•排架柱A所受的均布风荷载标准值wk3：•排架柱B所受的均布风荷载标准值wk4：330331.00.81.00.4562.16/kzszkkwwqwBkNm440441.00.51.00.4561.35/kzszkkwwqwBkNmAFw迎背μs2μs1wk1wk2wk3wk4迎背μs3μs4wk4μs3μs4wk3AB计算模型迎背单层房屋风荷载的计算，未考虑风振系数βz的影响。多层房屋的风荷载计算风对建筑物的作用是不规则的，风力随风速的紊乱变化而不停的改变。这使得建筑物在风的作用下会产生振动效应（风振）。参考国外规范及我国建筑工程抗风设计和理论研究的实践情况，对于结构基本自振周期T＞0.25s的各种高耸结构