中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第四章 风荷载

调课通知9月17日不上课补课：世纪楼C10110月27日（9-10节）第四章风荷载Breeze，wind,storm热带气旋龙卷风古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起巨浪，越过堤岸，拍打着楼房美国新奥尔良飓风袭击80%的土地被淹，死亡上千人，2000亿美金的重建费用飓风丽塔袭击美国4-9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。4-10飓风伊万摧毁的房屋4-11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8月18日台风圣帕风荷载雷暴强风暴云前部是上升气流，后部是下降气流下降气流形成冷空气堆，称为“雷暴高压”突发性强，持续时间短，风力大雷暴高压风荷载沙尘暴风对建筑物的损坏Meyer-Kiser大楼钢框架发生塑性变形维护结构损坏严重风对建筑物的损坏收费站广告牌风起前后塔科马海峡大桥被风吹垮发生于美国太平洋时间1940年11月7日上午11时，原因是气弹颤振。4-19§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顺风向结构风效应§4.5横风向结构风效应第4章风荷载4-24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§4.1风的有关知识§4.1.1风的形成4-25大气热力学环流模型§4.1风的有关知识§4.1.1风的形成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，由表面向高空上升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4-26§4.1风的有关知识§4.1.1风的形成全球风环流4-271.台风§4.1风的有关知识§4.1.2两类性质的大风弱的热带气旋性涡旋复合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部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。。。。。（循环）台风(typhoon)台风名字4-28§4.1风的有关知识§4.1.2两类性质的大风1.台风29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）§4.1风的有关知识§4.1.2两类性质的大风1.台风30发布的信息属性消息远离或尚未影响到预报责任区时，根据需要可以发布“消息”，报道编号热带气旋的情况，警报解除时也可用“消息”方式发布警报预计未来48小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布警报紧急警报预计未来24小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布紧急警报（影响是以沿海开始出现8级风或暴雨为标准。）§4.1风的有关知识§4.1.2两类性质的大风1.台风31冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、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§4.1风的有关知识§4.1.2两类性质的大风2.季风4-32风力大台湾、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、黄河中下游地区云贵高原小§4.1风的有关知识§4.1.3我国的风气候总况4-34风力等级表风力等级名称海面状况海岸渔船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速浪高（m）一般最高km/hmile/hm/s０静风——静静、烟直上110~0.2１软风0.10.1寻常渔船略觉晃动烟能表示方向，但风向标不能转动1~51~30.3~1.5２轻风0.20.3渔船张帆时，可随风移行每小时2~3km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渔船渐觉簸动，随风移行每小时5~6km树叶及微枝摇动不息，旌旗展开12~197~103.4~5.4４和风1.01.5渔船满帆时倾于一方能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动20~2811~165.5~7.9§4.1风的有关知识§4.1.4风级4-35风力等级表（续）5清劲风2.02.5渔船缩帆（即收去返之一部）有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波29~3817~218.0~10.76强风3.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼须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渔船停息港中，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近港渔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汽船返航颇危险陆上少见，见时可使树木拔起或建筑物吹毁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—海浪滔天陆上绝少，其捣毁力极大118~13364~7132.7~36.9§4.1风的有关知识§4.1.4风级4-36从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214km/h（59.4m/s）4-37•风压定义：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。风压的产生§4.2风压建筑物小股气流流向高压气幕压力线w=v2/24-38伯努利方程：初始条件气压为101.325kPa常温150C绝对干燥纬度450海面§4.2风压§4.2.1风压与风速的关系dldlw1dA(w1+dw1)dA4-39•基本风压的定义：按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。•基本风压应符合五个规定：（1）标准高度的规定：一般取为10m。（2）地貌的规定：空旷平坦。A类指近海海面、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中小城市郊区；C类指有密集建筑群的中等城市市区；D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。§4.2风压§4.2.2基本风压4-40（3）公称风速的时距公称风速即一定时间间隔内的平均风速式中v0：公称风速；v(t)：瞬时风速；τ：时距。10min~1h的平均风速基本稳定，我国取τ=10min§4.2风压§4.2.2基本风压4-41(4)最大风速的样本时间风有它的自然周期，每年季节性的重复一次。一般取一年为统计最大风速的样本时间。(5)基本风速的重现期基本风速出现一次所需要的时间50年τ=10min1小时，6个样本1天，144个样本年最大风速概率密度分布§4.2风压§4.2.2基本风压年最大风速p基本风速面积p0=1-1/T0年平均最大风速每年不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/T0（图中影形面积）GB50009-2001规定：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内最大风速v0为标准，按w0=v02/1600确定。4-421.非标准高度换算实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：∴§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算基本风压标准高度（10m）与地貌或地面粗糙度有关的指数4-431.非标准高度换算§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算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列宁格勒纽约巴黎α0.340.360.360.370.410.390.45国内外大城市中心及其邻近的实测α值表4-34-442.非标准地貌的换算梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风。梯度风高度HT与地面的粗糙程度有关，一般为300~500m，地面越粗糙，HT越大。右图：不同粗糙度影响下的风剖面§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-45从图中可知，地面越粗糙，风速变化越慢（α越大），梯度风高度将越高；反之，地面越平坦，风速变化将越快（α越小）；梯度风高度将越小。不同地貌的α及HT值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)275~325325~375375~425425~500A类B类C类D类§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-46不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即：则或§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-47地貌A类B类C类D类α0.120.1650.220.30HT(m)300350400450不同地貌的α及HT值A类:C类:D类:§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-483.风压高度变化系数§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算风压高度变化系数z地面的粗糙度、温度垂直梯度即任意粗糙度任意高度处的风压与标准高度处的基本风压的比值49在大气边界层内，风速随离地面高度而增大当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度GB50009-2001地面的粗糙度类别A类—近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区B类—田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类—有密集建筑群的城市市区D类—有密集建筑群且房屋较高的城市市区3.风压高度变化系数§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算50地面粗糙度类别粗糙度指数梯度风高度HG风压高度变化系数zA类0.12300m1.379(z/10)0.24B类0.16350m1.000(z/10)0.32C类0.22400m0.616(z/10)0.44D类0.30450m0.318(z/10)0.60风压高度变化系数z(z)=任意高度处的风压wa(z)/基本风压w0根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009—2001表7.2.1确定。3.风压高度变化系数§4.2风压§4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算51风压高度变化系数离地面或海平面高度（m）地面粗糙度类别ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84602.121.771.350.93702.201.861.451.02802.271.951.541.11902.342.021.621.191002.402.091.701.271502.642.382.031.612002.832.612.301.922502.992.802.542.193003.122.972.752.683503.123.122.942.684003.123.123.122.91≥4503.123.123.123.1252地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数）以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；以半圆影响范围内建筑物的平均高度h平均来划分地面粗糙度类别，当h平均18m，为D类，，9mh平均18m为C类，h平均9m，为B类。影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度