结构力学第三章-风荷载

第4章风荷载内容提要4.1风的有关知识4.2风压4.3结构抗风计算的几个重要概念4.4顺风向结构风作用4.5横风向结构风作用4.1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，由地表向高空上升。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，由高空向地表下沉。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原因：地表上存在气压差或压力梯度北极高纬度区赤道低纬度区图4.1大气热力学环流模型低空：空气从高纬流向低纬；高空：空气从低纬流向高纬，形成图示的全球性南北向大气环流。图4.2三圈环流模型二、两类性质的大风1、台风（飓风）——大气环流的组成部分，是产生于热带洋面上的一种强烈热带气旋，风向呈逆时针方向旋转，每年夏秋两季出现。热带洋面存在弱的热带气旋性涡旋，并在合适环境下产生复合气流；复合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部，并产生上升和对流，释放热量；涡旋中心温度升高，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更多水汽向中心集中；。。。。。如此循环，逐渐增强；最终形成台风(typoon)台风分级在美国一带称飓风，在菲律宾、中国、日本一带叫台风。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）09年8月9日迫近中国的台风莫拉克，18时30分由霞浦进入福建，登陆时中心附近最大风力有12级（33米/秒）。随着莫拉克迫近，浙江同福建两省共疏散接近100万人，7万多艘船回港避风。浙江苍南县的降雨量超过250毫米。·在8月10日05时30分，中央气象局解除台风警报并在10分钟后发布豪雨特报。·在8月11日凌晨减弱为热带低气压。台风伴随着大风和暴雨天气2、季风(seasonwind)——地表性质不同对热的反应不同；与四季有关的风.冬季:大陆辐射冷却强烈，温度低、气压高；相邻海洋因水的热容量大，故辐射冷却缓慢，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显然，这种类型风的形成与一年四季有关，故称为季风。三、风级（根据风对地面或海面物体影响程度，风级越大，风速越大）13个等级（0级12级）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风力等级表一般最高0静风——静静、烟直上＜1＜10-0.21软风0.10.1寻常鱼船略摇动烟能表示风向,但风向标不能转动1～51～30.3～1.52轻风0.20.3鱼船张帆时可随风移行2-3km/h人面感觉有风,树叶有微响,风向标能转动6～114～61.6～3.33微风0.61.0鱼船渐觉簸动,随风移行5-6km/h树叶及微枝摇动不息,旌旗展开12～197～103.4～5.44和风1.01.5鱼船满帆时倾于一方能吹起地面灰尘和纸张,树的小枝摇动20～2811～165.5～7.95清劲风2.02.5鱼船缩帆(即收去帆之一部)有叶的小树摇摆,内陆水面有波29～3817～218～10.76强风3.04.0鱼船加倍缩帆,捕鱼需注意风险大树枝摇动,电线呼呼有声,举伞困难39～4922～2710.8～13.87疾风4.05.5鱼船停息港中,在海上下锚全树摇动,迎风步行感觉不便50～6128～3313.9～17.18大风5.57.5近港鱼船皆停留不出微枝折毁,人向前行感觉阻力甚大62～7430～4017.2～20.79烈风7.010.0汽船航行困难烟囱顶部及平瓦移动,小屋有损75～8841～4720.8～24.410狂风9.012.5汽船航行颇危险陆上少见,有时可使树木拔起或将建筑物吹毁89～10248～5524.5～28.411暴风11.516.0汽船遇之极危险陆上很少,有时必有重大损毁103～11756～6328.5～32.612飓风14.0—海浪滔天陆上绝少,其捣毁力极大118～13364～7132.7～36.9风力等级名称海面状况浪高(m)海岸鱼船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速km/hnmile/hm/s四、我国的风气候总况台湾、海南和南海诸岛，是我国最大风区。台湾受太平洋台风影响、海南和南海诸岛（以西沙群岛为主）受南海台风影响。东南沿海是我国大陆上的最大风区。受台风影响，风向：由沿海到大陆。台风登陆后，因受地面摩擦，风速削弱很快，离海岸100km处，约减小一半。三个特大风区：①湛江到琼海一线以东，主要是太平洋和南海台风影响以及兜风地形所造成；②浙江与福建交界处；③广东与福建交界处。东北、华北和西北地区北部是我国大陆上的次大风区。受强冷空气活动影响，冷风过境处都出现大风。风向：由北到南。青藏高原由于海拔高度较高形成较大风区。平均海拔4-5Km。长江中下游、黄河中下游是小风区。原因：台风和寒潮大风到此已大为减弱。云贵高原是我国最小风区。原因：处在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，故形成最小风区。一、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=v2/2图4.3风压的形成风压：简单说，当风以一定速度向前运动遇到建筑物等的阻碍时，将对这些阻碍物产生压力，形成压力气幕，即风压。风压w与风速v有关，可以根据流体力学中的伯努利方程得到：22221gw见教材P65公式（4-1）4.2风压在标准大气压（101.325kPa）、常温15℃和绝对干燥的情况下：γ=0.012018kN/m3；纬度45°处，海平面上的重力加速度为：g=9.8m/s2。将上述条件代入前述伯努利方程得此时的风压公式：16302vw地理位置不同，大气环境不同，因而γ和g值也不同，其中g不仅随高度而且随纬度变化；而γ与当地气压、气温和湿度都有关系。我国东南沿海地区的γ/(2g)值约为1/1750；内陆地区γ/(2g)值随高度增加而减少：海拔500m以下的地区约为1/1650，海拔3500m以上的高原或高山地区（如拉萨），该值减小至1/2600。见教材P65公式（4-2）各地风压系数见教材P66表4-2地区地点海拔高度(m)γ/2g地区地点海拔高度(m)γ/2g青岛77.01/1710承德375.21/1650南京61.51/1690西安416.01/1689上海5.01/1740成都505.91/1670杭州7.21/1740伊宁664.01/1750温州6.01/1750张家口712.31/1770福州88.41/1770遵义843.91/1820永安208.31/1780乌鲁木齐850.51/1800广州6.31/1740贵阳1071.21/1900韶关68.71/1760安顺1392.91/1930海口17.61/1740酒泉1478.21/1890柳州97.61/1750毕节1510.61/1950南宁123.21/1750昆明1891.31/2040天津16.01/1670大理1990.51/2070汉口22.81/1610华山2064.91/2070徐州34.31/1660五台山2895.81/2140沈阳41.61/1640茶卡3087.61/2250北京52.31/1620昌都3176.4*1/2550济南55.11/1610拉萨3658.01/2600哈尔滨145.11/1630日喀则3800.0*1/2650萍乡167.11/1630五道梁4612.2*1/2620长春215.71/1630*非实测高度内陆东南沿海内陆各地风压系数γ/2g值二、基本风压w0：按规定的高度、地貌、时距等量测的风速所确定的风压。1.标准高度的规定风速随高度而变化，离地面越近，因地面摩擦耗能大，平均风速越小。标准高度：建筑结构取离地10米高；桥梁结构取离地20m高。2.标准地貌的规定（地面粗糙度）同一高度处风速还与地面粗糙度（地貌）有关。如大城市中心，建筑物密集、地面粗糙程度高、风能消耗大，风速就低。我国及世界上大多数国家都规定标准地貌为：空旷平坦地貌。3.公称风速的时距显然，v0大小与长短有关，太短则仅反映最大值附近的较大值影响，突出风的脉动性，不稳定；太长则将大量小风速平均进去，使最大风速值较低。规定：=10min4.最大风速的样本时间一年（风有季节性，每年重复一次，因此年最大风速最有代表性）5.基本风速的重现期T0：荷载规范规定：一般结构，T0=50年；高层或高耸结构及对风较敏感的结构，T0应适当提高。桥规:T0=100年.公称风速odttvv10,即一定时间间隔内的平均风速若重现期为T0，则不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/T0《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定：基本风压为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时距内年最大风速v0为标准，按w0=γv02/(2g)确定的风压。年最大风速--随机变量，其概率密度分布如下图示：年最大风速p面积p0=1-1/T0年平均最大风速基本风速v0图4.4年最大风速概率密度分布我国基本风压分布图见教材附录4或见荷载规范附录D及相应表格三、非标准条件时风速或风压的换算1.非标准高度时据实测结果分析,确定地貌下平均风速沿高度变化规律可用指数函数描述:α——与地貌粗糙度有关的指数，地面粗糙度越大α值也越大。据风速风压关系可得到确定地貌下非标高处风压与标高处风压关系：zzvvss见教材P68公式（4-5）地区上海近邻南京广州圣路易斯蒙特利尔上海哥本哈根α0.160.220.240.250.280.280.34地区东京基辅伦敦莫斯科纽约列宁格勒巴黎α0.340.360.360.370.390.410.45国内外大城市中心及其近邻的实测α值zzwzwsaaa20见教材P68公式（4-6）2.非标准地貌时地貌不同对风的摩擦不同，必使该地10m高处风速与基本风速间存在差异。不同地貌条件下平均风沿高度的变化规律图称为“风剖面”（见教材P69图4-3）。可以看出，风在离地面300～500m以上时，不再受地貌影响，仅在气压梯度作用下自由流动，达到“梯度速度”。将出现梯度速度的高度称为“梯度风高度”，用HT表示。地貌越粗糙，风速随高度变化越慢，α越大，HT越高，反之则反。我国规范将地貌分为四类，给出对应α和HT。不同地貌的平均风剖面（平均风速分布图）《建筑结构荷载规范》规定地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：——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类指有密集建筑物群的城市市区；——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。地貌海面空旷平坦地面城市大城市中心α0.1～0.130.13～0.180.18～0.280.28～0.44HT（m）275～325325～375375～425425～500不同地貌的α及HT值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v0s、zs、HTs、αs，另一任意地貌下的上述各值分别为v0a、za、HTa、αa，由于相同气压梯度下各类地貌的梯度风速相同，则得：或据风速风压关系可得任意地貌下基本风压w0a与标准地貌下基本风压w0关系：zHvzHvasssTaaaTs00zHzHvvasssTaaTsa00见教材P69公式（4-7）见教材P68公式（4-8）zHzHwwassTaaTsa2200