《荷载与结构设计方法》第4章 风荷载

第4章风荷载风的基本知识风压顺风向结构风效应横风向结构风效应扭转风振风荷载组合工况风的基本知识2第4章风荷载风压，水平力风振，包括顺风向风振和横风向风振风对建筑物的影响：风的形成两类性质的风风力等级风压-基本风速3第4章风荷载空旷平坦地面距离地面10m高取10min平均风速作为一个样本取1年内的最大样本作为年最大风速取50年或100年内最大的年最大风速，作为基本风速对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按100年重现期的风压值采用（60m）标准条件：风压-基本风速4第4章风荷载tv长时距短时距思考：时距越大，平均风越大还是越小？Why?风荷载影响因素——时距风压-基本风速5第4章风荷载随高度增加而增大，地面越粗糙，加速度越慢风荷载影响因素——高度、地面粗糙度风压-基本风速6第4章风荷载A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇C：有密集建筑群的城市市区D：有密集建筑群且房屋较高的城市市区地面粗糙度四中分类：风压-基本风速7第4章风荷载重现期越长，风速越大，风压也越大哈尔滨：10年—0.35，50年—0.55，100年—0.70风荷载影响因素——重现期oTt)(tQ1,50,1rp图7-6风、雪活荷载的实用化样本函数风压-基本风速8第4章风荷载时距越大，风速越小高度越大，风速越大（梯度风高度范围内）地面越粗糙，风速越小重现期越长，风速越大风荷载影响因素总结：风压-风速与风压的关系9第4章风荷载流向小股气流高压气幕建筑物压力线w1aw1w1dAdAd+()wρv122=()bdl()222121vgvw理想状态：风压-风速与风压的关系10第4章风荷载221vw风压-基本风压的采用11第4章风荷载按新版《高规》的规定，超过60m的高层建筑，在计算风荷载作用下构件的承载力时，风压值取基本风压的1.1倍；在计算风荷载作用下结构或构件的变形时，风压值仍取基本风压。风压-山区基本风压12第4章风荷载山峰和山坡，顶部B处的修正系数：BBCCAAααzHd1d2dd42B2.5tan1Hzκη1山间盆地、谷地等闭塞地形，取η＝0.75~0.85；对于与风向一致的谷口、山口，取η＝1.20~1.50。风压-远海海面和海岛风压13第4章风荷载距海岸距离（km）＜4040~6060~100修正系数η1.01.0~1.11.1~1.2海面上的摩擦力比陆地小，风速大海陆温差，空气对流，增大了海边的风速思考：海面风大还是陆地风大？风压-风压高度变化系数14第4章风荷载梯度风高度：风速从地面到高空，逐渐增大，直至某一高度趋于稳定，这个高度即为梯度风高度。风压高度变化系数：任一高度、任一地貌条件下的风压与基本风压的比值，表4-8。新规范提高了C、D两类地面粗糙度（大城市市区）的梯度风高度，why?风压-风荷载体型系数：风压分布规律15第4章风荷载结构物多带棱角→会形成旋涡→风压分布不均迎风面由于气流正面受阻产生风压力侧风面和背风面由于旋涡作用引起风吸力迎风面中部大，侧风面和背风面的角部大侧风面迎风面侧风面背风面__+_风压-风荷载体型系数：风压分布规律16第4章风荷载有旋涡的地方可能会产生负压立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动旋涡区尾流区停滞点驻涡区风压-风荷载体型系数：风压分布规律17第4章风荷载坡度小,负压；30°,≈0；45°,正压a()b()c()d()++____5°5°45°30°+++a()b()c()d()++____5°5°45°30°+++风压-风荷载体型系数：定义及确定方法18第4章风荷载理论分析：达不到实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物中进行风洞试验：选测点→实测风压/理想风压→加权平均→风荷载体型系数定义：建筑物实际风压与理想风压的比值确定方法：风压-风荷载体型系数：定义及确定方法19第4章风荷载选测点，测建筑物表面上顺风向的静风压力，再除以建筑物前方来流风压，即得该点的风压力系数。各测点系数取加权（类似于柱的从属面积）平均值，得到风荷载体型系数。风洞试验：风压-风荷载体型系数：风洞简介20第4章风荷载哈尔滨工业大学风浪联合实验室海洋平台风浪试验人工降雨风压-风荷载体型系数：风洞简介21第4章风荷载同济大学汽车风洞实验室风洞实验室外观东方明珠塔风压-风荷载体型系数：风洞简介22第4章风荷载同济大学汽车风洞实验室风压-风荷载体型系数：风洞简介23第4章风荷载同济大学汽车风洞实验室风压-风荷载体型系数：风灾24第4章风荷载塔克马海峡大桥853m开车体会开船的感觉19m/s，共振好莱坞拍电影风压-风荷载体型系数：风灾25第4章风荷载塔克马海峡大桥新桥风压-风荷载体型系数：风灾26第4章风荷载塔克马海峡大桥新桥风压-风荷载体型系数：取值27第4章风荷载圆形：0.8一般的矩形：1.3正多边形：V形、Y形、弧形等：1.4《荷载规范》7.3.1条n/2.18.0s0.80.8-0.5风压-群体风压体型系数28第4章风荷载美国硅谷风压-群体风压体型系数29第4章风荷载中国上海风压-群体风压体型系数30第4章风荷载当L/B≥7.5时，增大系数取1.0（不考虑）当L/B≤3.5时，顺风向增大系数及当L/B≤2.5时横风向增大系数按表4-9取值来流风向θLBB同经验表格4-9相比，新规范中的建筑群体相互干扰系数规定略显模糊，且数值偏小风压-局部体型系数31第4章风荷载在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位，局部风压会超过按风荷载体型系数计算出的平均风压。封闭式矩形平面房屋的局部体型系数非直接承受风荷载的围护构件的折减系数SaDBE/H迎风面侧面1.0-1.4-1.0-0.6SbSaSb5顺风向结构风效应-平均风与脉动风32第4章风荷载平均风：静力荷载脉动风：结构振动，引起结构顺风向振动的主要原因υftt()υυf顺风向结构风效应-风振系数33第4章风荷载其物理意义与动力系数相似，用增大系数×静载效应的方式近似考虑振动影响其大小由随机振动理论计算得出设计时查《荷载规范》8.4.3条2z10z121RBgI顺风向结构风效应-风振系数34第4章风荷载脉动风荷载的共振分量因子R：3/421211)1(6xxR)5(301011xwkfxw，x、ζ1、kw、f1分别表示什么意思，如何计算？顺风向结构风效应-风振系数35第4章风荷载脉动风荷载的背景分量因子Bz:，)()(11zzkHBzzxzk、α1、ρx、ρz、Φ1(z)、μz(z)分别表示什么意思，如何计算？顺风向结构风效应-风振系数36第4章风荷载脉动风荷载的空间相关性系数:，竖直方向的相关系数:HeHHz60601060/水平方向的相关系数:BeBBx5050/5010顺风向结构风效应-风振系数37第4章风荷载结构振型系数：，对顺风向响应一般可仅考虑第1振型的影响对横风向的共振响应，一般考虑4个振型的影响振型：结构在振动中各质点的相对位移。一阶振型二阶振型三阶振型顺风向结构风效应-风振系数38第4章风荷载结构振型系数：，弯曲型：高耸结构（或剪力墙结构）弯剪型：高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时剪切型：低层建筑结构上大下小比较均匀上小下大顺风向结构风效应-风振系数39第4章风荷载结构基本周期经验公式——高耸结构：，HT)013.0~007.0(1钢结构可取高值，钢筋混凝土结构可取低值。对于具体的高耸结构，如烟囱和石油化工塔架，其基本自振周期的计算有更为精确的公式，可参考《荷载规范》附录F.1.2。顺风向结构风效应-风振系数40第4章风荷载结构基本周期经验公式——高层结构：，nT)15.0~10.0(1nT)10.0~05.0(132311053.025.0BHT3103.003.0BHT钢结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土框架、框剪结构钢筋混凝土剪力墙结构顺风向结构风效应-阵风系数41第4章风荷载，阵风系数：在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平均风要大所乘的系数αzIβ102g110gz阵风系数，可以理解为阵风风速与平均风速的比值。顺风向结构风效应-风荷载标准值42第4章风荷载，承重结构：wk=βzμsμzw0围护结构：wk=βgzμslμzw0思考：公式中各系数的意义是什么？顺风向结构风效应-风荷载标准值43第4章风荷载，计算步骤：确定基本风压确定风荷载体型系数或局部风压体型系数确定风压高度变化系数确定结构基本周期确定脉动风荷载的空间相关系数确定振型系数确定脉动风荷载的背景分量因子确定脉动风荷载的共振分量因子确定风振系数。确定风荷载标准值顺风向结构风效应-风荷载标准值44第4章风荷载，不同高度结构风荷载总值的新旧差异，说明了什么？顺风向结构风效应-风荷载标准值45第4章风荷载例题：，某钢筋混凝土框架-剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布，截面为正方形，房屋总高度H=100m，迎风面宽度B=45m，建于C类地区，基本风压值w0=0.55kN/m2，求垂直于该建筑物表面上的风荷载标准值及建筑物基底弯矩。顺风向结构风效应-风荷载标准值46第4章风荷载解：，风荷载标准值按wk=βzμsμzw0计算，为简化起见，将建筑物沿高度分为10个区段，每个区段的高度均为10m，取其中点位置的风荷载作为该区段的平均风荷载。由于该建筑的总高度为100m，基本风压应按50年一遇风压值的1.1倍取用，即w0=1.1×0.55=0.605kN/m210mwk10wk9wk8wk7wk6wk5wk4wk3wk2wk110m10m10m10m10m10m10m10m10m顺风向结构风效应-风荷载标准值47第4章风荷载（1）风荷载体型系数，该高层建筑平面为正方形，高宽比D/B=1，μs=1.4。（2）风压高度变化系数由教材表4-8，根据场地粗糙度类别为C类，可查出各区段中点位置的风压高度变化系数，列于表4-11中。顺风向结构风效应-风荷载标准值48第4章风荷载（3）风振系数，顺风向结构风效应-风荷载标准值49第4章风荷载（3）风振系数，顺风向结构风效应-风荷载标准值50第4章风荷载（3）风振系数，顺风向结构风效应-风荷载标准值51第4章风荷载（3）风振系数，顺风向结构风效应-风荷载标准值52第4章风荷载（4）各区段中点高度处的风荷载标准值，顺风向结构风效应-风荷载标准值53第4章风荷载（5）风荷载引起的基底弯矩值，横风向结构风效应54第4章风荷载，横风向结构风效应-考虑对象55第4章风荷载，塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构横风向结构风效应-考虑对象56第4章风荷载，高层建筑：满足H＞150m或H/B＞5高耸结构：满足H＞30m或H/B＞4横风向结构风效应-雷诺数57第4章风荷载惯性力与黏性力：，惯性力：惯性力是流体冲击在垂直表面所形成的压力，对空气而言，就是风作用在垂直面上所产生的风压力黏性力：黏性是流体抵抗剪切变形的能力，黏性越大，流体抵抗剪切变形的能力越强横风向结构风效应-雷诺数58第4章风荷载，雷诺数：惯性力/黏性力；此值相同，流体动力特性相似vD69000Re流速大时，雷诺数大，惯性力起控制作用流速小时，雷诺数小，黏性力起控制作用雷诺数相同，流体动力特性相似横风向结构风效应-产生机理59第4章风荷载，当漩涡脱落的频率与结构振动频率接近时，会引起结构振动，即横风向风振→卡门涡街a()b()BSCABS层流分离旋涡脱落横风向结构风效应-产生机理60第4章风荷载，eR1e5R40eR↑eR1e5R40eR↑eR1e5R40eR↑风速很小时，Re＜