第3章 风荷载2

HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）3.3结构抗风计算的几个重要概念一、结构的风力与风效应任一水平风作用在结构表面上，会在其表面产生风压，将物体表面上的风压沿表面积分，将得到三种力的成分。即顺风向力PD，横风向力PL，及扭力矩PM。风PDPLPMHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等称为结构风效应。风扭力只引起扭转响应。而对于平面不对称结构，任一方向的风力可引起上述三个方向的响应。对于桥梁结构还要考虑自然界的风不一定多是水平的，风可能有+30~-30攻角范围的微小变化，因此需要考虑风对桥梁结构的竖向作用分量，即升力。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）3.3.2顺风向平均风与脉动风大量风的实测资料表明，在风的顺风向风速时程曲线中．包括两种成分(图3-6)：一种是长周期成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据风的这一特点，实用上常把顺风向的风效应分解为平均风(即稳定风)和脉动风(也称阵风脉动)来加以分析。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）平均风相对稳定，即使受风的长周期成分影响，但由于风的长周期远大于一般结构的自振周期，因此这部分风对结构的动力影响很小，可以忽赂，可将其等效为静力作用。脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，将使结构产生动力响应。实际上．脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。根据观察资料，在地面粗糙度大的上空，平均风速小，而脉动风的幅值大且频率高；反之在地面粗糙度小的上空，平均风速大，而脉动风的幅值小且频率低。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）3.3.3横风向风振很多情况下，横风向力较顺风向力小得多，对于对称结构，横风向力更是可以忽略。然而，对于一些细长的柔性结构，例如高耸塔架、烟囱、缆索等，横风向力可能会产生很大的动力效应，即风振，这时，横风向效应应引起足够地重视。横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，它与结构截面形状及雷诺数(Reynoldsnumber)有关。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）在空气流动中，对流体质点起着主要作用的是两种力：惯性力和粘性力。根据牛顿第二定律，作用在流体上的惯性力为单位面积上的压力0.5ρv2乘以面积。粘性是流体抵抗剪切变形的性质，粘性越大的流体，其抵抗剪切变形的能力越大。流体粘性的大小可通过粘性系数μ来征量，流体中粘性应力为粘性系数μ乘以速度梯度dv/dy或剪切角γ的时间变化率，而粘性力等于粘性应力乘以面积。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）工程科学家雷诺在19世纪80年代，通过大量实验，首先给出了以惯性力与粘性力之比为参数的动力相似定律，该参数以后被命名为雷诺数。只要雷诺数相同，流体动力便相似。后来发现，雷诺数也是衡量平滑流动的层流(1aminarflow)，向混乱无规则的湍流(turbu1ence)转换的尺度。因为惯性力的量纲：ρv2l2而粘性力的量纲是粘性应力μv/l乘以面积l2。故雷诺数只Re的定义为：xvlllvlv222Re式中x＝μ/ρ,为动粘性，它等于绝对粘性除以流体密度ρ，对于空气其值为0.145×10-4m2／s。将该值代入上式，并用垂直于流速方向物体截面的最大尺度D代替上式的L，则上式成为：Re=69000VDHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）由于雷诺数的定义是惯性力与粘性力之比，因而如果雷诺数很小．如小于1／1000，则惯性力与粘性力相比可以忽略，即意味着高粘性行为。相反，如果雷诺数很大，如大于1000，则意味着粘性力影响很小，空气流体的作用一般是这种情况．惯性力起主要作用。漩涡脱落（卡门涡道）HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）矩形柱体（如高层建筑）有另一种漩涡脱落现象（图3-8）：低风速时脱落在建筑物两侧同时发生，不会引起横风向的振动。在高风速时漩涡脱落在建筑物两侧不同时发生，其频率是冲击频率的一半。风HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）设脱落频率为fs，D为结构截面的直径，v为建筑物顶部平均风速，St是与体型有关的无量纲参数，斯托罗哈数。对于其他截面结构，也会产生类似圆柱结构的横风向振动效应，但斯托罗哈数有所不同，表3—8显示了一些常见直边截面的斯托罗哈数。DStvfs表3-8常见截面的斯托罗哈数StHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）试验表明，气流旋涡脱落频率或st数与气流的雷诺数Re有关：当3×102≤Re＜3×105时，周期性脱落很明显，接近于常数，约为0.2；当3×105≤Re＜3.5×106时，脱落具有随机性，st的离散性很大；而当Re≥3.5×106时脱落又重新出现大致的规则性，上述现象如图所示。当气流旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振，即产生横风向风振。1-亚临界范围2-超临界范围3-跨临界范围HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）工程上雷诺数Re＜3×l02极少遇到。因而根据上述气流旋涡脱落的三段现象，工程上将圆形截面结构划分三个临界范围，即：亚临界范围，3×102≤Re＜3×105；超临界范围，3×105≤Re＜3.5×106；和跨临界范围，Re≥3.5×106。结构处理：当结构处于跨临界范围：横风向验算。特别是旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振。当结构处于亚临界范围时：虽然也有可能发生横风向共振，但由于风速小，对结构的作用不如跨临界范围严重，通常可以采用构造方法加以处理。对于超临界范围：由于不会产生共振响应，且风速也不很大，因此工程上常不作横风向的专门处理。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）3.4顺风向结构风效应结构顺风向的风效应可分解为平均风和脉动风来分析一、顺风向平均风效应1、风荷载体型系数μs公式给出的风速与压力的关系．仅表征自由气流中的风速因阻碍而完全停滞所产生的对障碍表面的压力。因一般工程结构物并不能理想地使自由气流停滞．而是让气流以不同方式在结构表面绕过，因此实际结构物所受的风压并不能直接按上式计算，而需对其进行修正．其修正系数与结构物的体型有关．故称为风载体型系数。)/(2122mKNvgHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）风荷载体型系数定义：风在建、构筑物表面引起的实际压力或吸力（ω实际）与按式计算的压力的比值。即：μs=ω实际/ω计算它是描述建、构筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与结构物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。风荷载体型系数μs确定方法：实测压力分布、风洞试验。表3-9为常见的风荷载体型系数，供设计使用。注意风荷载体型系数μs的符号：+号代表压力，-代表吸力。方向均与建筑物表面垂直。验算围护构件及其连接的承载力时，风载体形系数对于正压区按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中表7.3.1的规定采用。)/(2122mKNvgHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）+0.8+0.8-0.5-0.5-0.5μs-0.7-0.7α封闭式双坡屋面风载体型系数μsHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）2、平均风下结构的等效静风压计算公式：0)()(wzzzsHuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）二、顺风向脉动风效应顺风向脉动风作用下结构的动力响应应按随机振动理论计算，对于常见的工程结构，结构在风作用下的唯一反应只沿高度z方向变化；对于桥梁结构则必须考虑沿跨度（水平）方向的变化。结构在顺风向脉动风效应是通过风振系数β(z)体现，结构顺风向总风效应按下式计算（教材67页3-35式）：ω（ｚ）＝β（ｚ）·μｓ（ｚ）·μｚ（ｚ）·ω0（一）计算范围我国规范规定：基本自振周期T1大于0.25s的工程结构(如高层建筑、高耸结构如塔架、桅杆、烟囱等高耸结构、大跨度桥梁和屋盖等)，以及对于高度大于30m且高宽比大于1．5的房屋结构应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）（二）计算方法：对于一般悬臂型建筑结构(例如构架、塔架、烟囱和高层建筑等)，高度大于30m且高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，可仅考虑第一振型的影响。结构的风振系数按下式计算：)()(1)(1zzzz3-37式中：β(z)——结构在z高度处的风振系数；ξ——脉动增大系数；φ1（z）——结构在z高度处的第一振型系数；ν——脉动影响系数；μz(z)——结构在z高度处的风压高度变化系数。HuaihaiInstituteofTechnology淮海工学院土木工程系（）1、基本自振周期T1基本自振周期T1应按结构动力学计算。高耸结构和高层建筑的基本自振周期可按荷载规范给出的近似公式计算。高度处的外径烟囱—）烟囱高度（—的钢筋混凝土烟囱：高度不超过的砖烟囱：高度不超过2/11010.041.0150)2(1022.023.060)1(221221dmHdHTmdHTmHuaihaiInstituteofT