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16结构抗风设计WindResistanceDesignforStructuresWindResistanceDesignforStructures武岳孙瑛HarbinInstituteofTechnologyRequiredCourseforGraduateStudents21§6.1风荷载规范WindLoadWindLoadingCodeingCode32荷载取值不当是引发工程事故的主要原因之一^7%其它710%荷载、材料以及构件加工中的随机性67%不可预见的灾害513%施工过程错误413%合同文件或说明不清或未按要求执行37%计算或绘图有误243%未充分考虑荷载条件与结构性能1比例原因43★风荷载链Thewind-loadchain风风气气候候边边界界层层风风压压力力风风响响应应风风规规范范gdspCCCwqC=⋅⋅⋅⋅风荷载=来流风压×地形系数×体型系数×静力系数×动力系数547风荷载7.1风荷载标准值及基本风压7.2风压高度变化系数7.3风荷载体型系数7.4顺风向风振和风振系数7.5阵风系数7.6横风向风振建筑结构荷载规范GB50009-200165第7.1.1条：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：—当计算主要承重结构时：风振系数×体型系数×高度变化系数×基本风压—当计算围护结构时：阵风系数×局部体型系数×高度变化系数×基本风压第7.1.1条：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：—当计算主要承重结构时：风振系数×体型系数×高度变化系数×基本风压—当计算围护结构时：阵风系数×局部体型系数×高度变化系数×基本风压0kzszwwμμβ=0gklzzswwμμβ=7.1风荷载标准值及基本风压76条文理解风荷载的作用方向承重结构、围护结构几个关键参数基本风压——反映了区域风气候的影响高度变化系数——反映了近地边界层的影响体型系数（局部体型系数）——反映了建筑形体的影响风振系数（阵风系数）——反映了风压脉动的影响87确定基本风速的条件：确定基本风速的条件：99开阔地貌开阔地貌99离地离地10m10m高高9910min10min平均年最大风速平均年最大风速99重现期重现期5050年年第7.1.2条：基本风压应按本规范附表给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.30kN/m2。对于高层、高耸以及其他风敏感性结构，基本风压应提高10%。第7.1.2条：基本风压应按本规范附表给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.30kN/m2。对于高层、高耸以及其他风敏感性结构，基本风压应提高10%。20012wVρ=基本风压基本风速98基本风压分布(Unit:kN/m2)0.40.40.60.60.60.60.40.50.40.50.50.50.50.50.50.40.90.90.50.50.50.40.40.30.60.70.30.40.50.50.70.40.30.40.50.50.60.60.60.60.30.40.50.50.80.51097.2风压高度变化系数定义：任意地面粗糙度类别下，任意高度处的平均风压wβ与基本风压w0的比值。0()zwzwβμ=第7.2.1条：对于平坦或略有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表7.2.1确定。第7.2.1条：对于平坦或略有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表7.2.1确定。1110A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、丘陵及乡镇和城市郊区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★地面粗糙度分类12111312条文理解1：风压高度变化系数的特点450400350300HTCB30.015.010.05.0hDA类别μz随高度的增加增大；μz随地面粗糙度的增加减小；μz在梯度风高度HT以上保持不变；μz在某一近地高度范围h内保持不变。1413条文理解2：风压高度变化系数的解析表达0.320.621.01.38kpCB0.300.220.160.12αDA类别2222000(10)((10))()()zVwzVzVzVVwVβββββμ⎡⎤⎡⎤===⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦()(1()100)VzzVββα=()()01.7660101THVVαβ=⋅2()10zpzkαμ=1514条文理解3：地面粗糙度类别的确定以拟建房屋2km区域内的房屋平均高度和密集度来确定；D类：h18mC类：18mh9mB类：9mh1615★特殊地形下的风压高度变化系数计算由于气流的由于气流的爬坡效应爬坡效应，处于近山顶位置的建筑物所受的风，处于近山顶位置的建筑物所受的风荷载会明显增大。荷载会明显增大。此时山可以看作是一特殊的建筑物，处于其上的建筑物可此时山可以看作是一特殊的建筑物，处于其上的建筑物可以看作整体建筑物的上部来计算。以看作整体建筑物的上部来计算。1716第7.2.2条：对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度确定，同时考虑地形修正系数η：1、山峰和山坡顶部B处的修正系数ηB按公式计算；2、对于其他部位，可取ηA和ηC为1，AB和BC间的修正系数按线性插值确定；第7.2.2条：对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度确定，同时考虑地形修正系数η：1、山峰和山坡顶部B处的修正系数ηB按公式计算；2、对于其他部位，可取ηA和ηC为1，AB和BC间的修正系数按线性插值确定；181721(1)2.5BztHgηακ⎡⎤=+−⎢⎥⎣⎦3.2,2.50.3,1.2.50.34tgtgtgzzHzHHmααακ−−==−−山顶或山坡全计算位置离建筑物地面的高山峰或山坡在迎风面一侧的坡度系数，对山峰度，当时，取取对山坡当取），取高（11ACηη==1918第7.2.2条：3、山间盆地、谷地等闭塞地形η=0.75~0.85；4、对于与风向一致的谷口和山口η=1.20~1.50。2007年2月28日凌晨，从乌鲁木齐驶往阿克苏的列车遭遇13级大风袭击，11节车厢被推翻，造成3名旅客死亡，2名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被迫中断行车。20190sisiwwμ=7.3风载体型系数是对风压分布系数做加权平均，是对建筑表面风压分布的一种工程简化表达方法。风压分布系数：风载体型系数：AAisis∑=μμ2120第7.3.1条：房屋和构筑物的风载体型系数规定如下：与表7.3.1的体型类同时，按表采用与表7.3.1的体型不同时，参考有关资料采用与表7.3.1的体型不同且无资料可借鉴时，宜由风洞试验确定重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定2221计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)是应用数值方法求解离散化的N-S方程。CFDCFD数值模拟数值模拟————一种极具潜力的方法一种极具潜力的方法NS方程离散湍流模型网格划分边界条件有限差分法、有限元法、有限体积法直接数值模拟DNS、雷诺平均RANS、大涡模拟LES入口边界、出口边界、壁面边界结构化网格、非结构化网格2322某电厂煤仓风洞试验与某电厂煤仓风洞试验与CFDCFD数值模拟数值模拟0510152025303540-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.4平均风压系数区域编号风洞试验数值模拟风洞试验数值模拟结果风洞试验与数值模拟结果对比2423★建筑物相互干扰的效应第7.3.2条：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；英国Ferrybridge电厂冷却塔的风毁（1965）2524一般可将单独建筑物的体型系数μs乘以相互干扰增大系数，该系数可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。Winddirectionsite45o••当邻近建筑物高度超过所讨论建筑物的一半高度时，应考虑当邻近建筑物高度超过所讨论建筑物的一半高度时，应考虑干扰效应；干扰效应；••实验表明，当两相邻建筑轴线与风向相交某一角度（约为实验表明，当两相邻建筑轴线与风向相交某一角度（约为30~4530~45度）时，干扰最大。度）时，干扰最大。2625第7.3.3条：验算围护构件及其连接强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数：对墙面，取-1.0对墙角边，取-1.8对屋面局部部位(周边和坡度大于10度的屋脊)，取-2.2对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取-2.0aahbd{}min0.1,0.41.5adham⎧=⎨≥⎩★局部风压体型系数2726★房屋的内压2827对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取+0.2或-0.2()()222210.21100.20.810()(1)[(10)(1)]log110slslslslslslAmAmAAmAmμμμμμμ⎧=±≤⎪=±×≥⎨⎪=+−⎩当围护构件从属面积A1m2时，应考虑折减：2928★桁架结构的体型系数302911nstwstημμη−=−3130说明：对于单个构件的体型系数，圆形截面取0.7，其它截面取1.3。挡风系数：型钢制成的桁架取0.3~0.6钢管制成的桁架取0.2~0.4根据试验研究，当风流经5榀平行布置的桁架后，将衰减至初始值的20％左右。32317.4顺风向风振和风振系数βZ第7.4.1条：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。•高层、高耸、大跨度屋盖结构：T10.25s•一般建筑物：高度大于30m且高宽比大于1.5•厂房：跨度大于36m风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。3332第7.4.2条：对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可以忽略扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型，结构风荷载可按公式（7.1.1-1）通过风振系数来计算。风振系数是结构最大动响应与静响应的比值，反映了结构在脉动风荷载作用下的动力放大特性，是等效静风荷载的一种表现方式。0kzszwwμμβ=3433第7.4.2条（续）：结构z高度处的风振系数可按下式计算：11zzϕβνμξ=+ξ：脉动增大系数，主要反映结构的动力放大作用；ν：脉动影响系数，主要反映风谱和空间相关性的影响；ϕz：振型系数μz：风压高度变化系数3534脉动增大系数:122110()()FHSidξωωωω∝=∫¾ξ与脉动风速功率谱和结构的动力特性有关。¾脉动风速功率谱采用Davenport谱:f0f0××==0SF(ω)Sq(ω)|Hj(iω)|2ABARQuasi-staticwindload411ω363511211422011111()()(2)FFSdSξωωωωωζω∞≈+Δ∫3736脉动影响系数：10210(()()())fHzHzzdzzzdzμϕνηϕμ=∫∫空间相关性折减系数•ν与湍流强度和脉动风的空间相关性有关。高耸结构3837【例题】钢高耸结构，高90m，结构计算模型如图a所示；结构第一阶自振周期为1s，振型如图b所示；B类地貌，基本风压0.4kN/m2，风压高度变化系数如图c所示，结构在平均风荷载作用下的水平位移如图d所示，求脉动风引起的顶点水平位移和底部剪力。39381）由查表得222010.4/wTkNsm=⋅12.24ξ=2）查表得脉动影响系数3060900.83,0.88,0.90ννν===11zzξνβϕμ=+3）由得302.240.8310.141.181.42β×=+×=602.240.8810.5581.621.77β×=+×=902.240.90111.9982.02β×=+×=40394）顶点水平位移()900.861.99810.858xm=×−=5）等效风振力()()22301-12M20.1814.2MizPmωβπ==⋅⋅=()()22601-12M20.6248.9MizPmωβπ==⋅⋅=()()22901-13M20.998=118