第4章风荷载

第4章风荷载荷载与结构可靠度临沂大学建筑学院郑国栋2013年9月本章内容§4.1基本风速和基本风压§4.2风压高度变化系数§4.3风荷载体型系数§4.4顺风向风振§4.5横风向风振§4.6桥梁风荷载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。压力差风结构物风压大气热力学环流模型理想模型三圈环流模型地球自转大陆与海洋吸热差异两类性质的大风1.台风弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡旋内部产生上升和对流运动→加强涡旋→‥‥‥→台风2.季风冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214km/h（59.4m/s）飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人在佛罗里达。飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。飓风伊万摧毁的房屋伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁台风云娜登陆时卫星云图台风云娜袭击浙江,截至16日12时的统计，台风云娜已在浙江造成164人不幸遇难，失踪24人，受灾人口达1299万人，直接经济损失达181.28亿元。§4.1基本风速和基本风压最大风速的概率分布或概率密度曲线（线型）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标准高度基本风速或基本风压4.1.1基本风速取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值为一个样本。最大风速的样本最大风速的重现期设重现期为T0年，则1/T0为超过设计最大风速的概率，因此不超过该设计最大风速的概率或保证率P0应为：0011TP我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为30年，对于高层建筑和高耸结构，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。重现期为T0年通常俗称为T0年一遇。4.1.2基本风压1、标准高度的规定：房屋建筑类统一取10m为标准高度2、标准地貌的规定：标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。3、平均风速的时距：取50年一遇的平均风速时距为10分钟（风的卓越周期约在1分钟）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：22122wvvg式中，w——单位面积上的风压力(kN/m2)；ρ——空气密度(kg/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)。在不同的地理位置，大气条件是不同的，γ和g值也不相同。资料缺乏时，空气密度可假设海拔高度为0m，取ρ=1.25(kg/m3)；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γ/g的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、测量高度进行统一规定。根据统一规定，《建筑结构荷载规范》给出了全国各城市50年一遇的风压值。当城市或建设地区的基本风压值在表中未列出时，也可按《建筑结构荷载规范》中全国基本风压分布图查得。在进行桥梁结构设计时，可按《公路桥涵设计通用规范》中全国基本风压分布图查得基本风压值。在标准大气压情况下，γ=0.012018kN/m3，g=9.80m/s2，可得：22220.012018(kN/m)229.801630vwvvg4.1.3风速或风压的换算1.不同高度换算即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测风速高度不足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，并考虑风速大小的影响，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。表4.1实测风速高度换算系数实测风速高度/m468101214161820高度换算系数1.1581.0851.0361.0000.9710.9480.9280.9100.8952.不同时距换算时距不同，所求得的平均风速也不同。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4.2取值。表4.2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0.9401.001.071.161.201.261.281.351.391.50应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比值，其中最重要的有：(1)平均风速值。实测表明，10min平均风速越小，该比值越大。(2)天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。3.不同重现期换算重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也不同。我国目前按重现期50年的概率确定基本风压。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4.3取值。表4.3不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数重现期/年1006050403020105重现期换算系数1.101.031.000.970.930.870.770.66对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修正系数分别按下述规定采用：(1)对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用：4.1.4山区的基本风压2[1tan(1)]2.5BzH式中，α——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当tanα0.3时，取tanα=0.3；k——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。山坡和山峰的其他部位如图4.1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。图4.1山坡和山峰示意图(2)山间盆地、谷地等闭塞地形η=0.75～0.85；对于与风向一致的谷口、山口，η=1.20～1.50。4.1.5远离海面和海岛基本风压对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，基本风压可按A类粗糙度类别，还应考虑表4.4中给出的修正系数。表4.4远海海面和海岛修正系数距海岸距离/km4040～6060～100修正系数1.01.0～1.11.1～1.24.1.6我国基本风压分布特点我国的风气候总体情况如下。(1)台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是我国最大的风区。(2)东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在离海岸100km处，风速约减小一半。(3)东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与寒潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。黑龙江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里的风速不大。(4)青藏高原地势高，平均海拔在4～5km，属较大风区。(5)长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒潮风到此也是强弩之末。(6)云贵高原处于东亚大气环流的死角，空气经常处于静止状态，加之地形闭塞，形成了我国的最小风区。§4.2风压高度变化系数地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区低。根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：00vzvz式中，v——任一高度z处平均风速；v0——标准高度处平均风速；z——离地面任一高度(m)；z0——离地面标准高度，通常取为10m；α——与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度越大，越大。由式(4.2)可知，风压与风速的平方成正比，将式(4.4)代入，可得：222000()wzvzwvz式中，wa(z)——任一地貌高度z处风压；w0a——任一地貌标准高度处风压。将标准高度z0=10m代入，可得：20()()10zwzW设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为α0，基本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风高度处风压相等的条件，由式(4.6)可导出：022000a1010TTHHww0220001010TTHwwH022200010()1010TzTHzwzwwH可得任一地貌条件下，高度z处的风压为：式中，μza为任意地貌下的风压高度变化系数，应按地面粗糙度指数和假定的梯度风高度确定，并随离地面高度z而变化。不同粗糙度下的平均风剖面将以上数据代入式(4.9)，可得四类风压高度变化系数：A类：μz=1.379(z/10)0.24B类：μz=1.000(z/10)0.32C类：μz=0.616(z/10)0.44D类：μz=0.318(z/10)0.60根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数。对于平坦或稍有起伏的地形，高度变化系数直接按表4.5取用。对于山区的建筑物，还应考虑地形的修正。《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度指数αA=0.12，梯度风高度HTa=300m。B类是指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取地面粗糙度指数αB=0.16，梯度风高度HTb=HT0=350m。C类是指有密集建筑群的城市市区，取地面粗糙度指数αC=0.22，梯度风高度HTc=450m。D类是指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取地面粗糙度指数αD=0.30，梯度风高度HTd=500m。地面或海平面高度/m地面粗糙度类别ABCD510152030405060708090100150200250300350400≥4501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12表4.5风压高度变化系数§4.3风荷载体型系数单体房屋和构筑物风荷载体型系数图示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的分布，设计时可以直接取用。图中风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。封闭式双坡屋面风荷载体型系数当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数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。群体风压体型系数验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用：(1)建筑物外表面正压区按《建筑结构荷载规范》表中风荷载体型系数采用。(2)建筑物外表面负压区，对墙面取1.0；对墙角边取1.8；对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位)取2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取2.0。(3)对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取0.2或+0.2。局部风压体型系数§4.4顺风向风振脉动风是一随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。分析结果表明，对于