《荷载与结构计算方法》第三讲

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1、第四章第四章 风荷载风荷载内容提要内容提要一、风的有关知识一、风的有关知识 二、风压二、风压 三、结构抗风计算的几个重要概念三、结构抗风计算的几个重要概念 （自学）（自学）四、顺风向结构风效应四、顺风向结构风效应 五、横风向结构风效应五、横风向结构风效应 第一节第一节 风的有关知识风的有关知识 赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压小小,且大气因加热膨胀，且大气因加热膨胀，由表面向高空上升由表面向高空上升 极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度大、极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度大、气压气压大大 ，且大

2、气因冷却收缩由，且大气因冷却收缩由高空向地表下降高空向地表下降一、风的形成一、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空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成 地表上存在气压差或压力梯度地表上存在气压差或压力梯度北极北极赤道赤道大气热力学环流模型大气热力学环流模型二、两类性质的大风二、两类性质的大风1 1、台风、台风赤道海洋面受日照影响，热而湿的水汽上升，形成庞大的水汽柱，热赤道海洋面受日照影响，热而湿的水汽上升，形成庞大的水汽柱，热低压区和稳定的高压区之间将产生空气流动。低压区和稳定的高压区之间将产生空气流动。由平衡产生的相互补充的力使之成螺旋状流动。由平衡产生的相互补充的力使

3、之成螺旋状流动。形成形成暖心暖心（旋转的结果使涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）（旋转的结果使涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）大量空气从高压区传来，如此循环不止。大量空气从高压区传来，如此循环不止。台风台风(typoon)(typoon)2 2、季风、季风(季节性的风季节性的风)冬季冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋风从大陆吹向海洋 夏季夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高、气压高 风从海洋吹向大陆风从海洋吹向大陆三、风级三、风级（根据

4、（根据风对地面或海洋物体影响程度风对地面或海洋物体影响程度）分为分为 1313个等级（个等级（0 0级级 1212级）级）（P46P46，表，表3-13-1）0 0级级 1 1级级 2 2级级 3 3级级 4 4级级 5 5级级 6 6级级 7 7级级 8 8级级 9 9级级 10 10级级 11 11级级1212级级静风静风 软风软风 轻风轻风 微风微风 和风和风 清劲风清劲风 强风强风 疾风疾风 大风大风 烈风烈风 狂风狂风 暴风暴风飓风飓风第二节第二节 风风 压压1 1、风压与风速的关系、风压与风速的关系建筑物建筑物小股气流小股气流流向流向高压气幕高压气幕压力线压力线w=v2/2dlw1

5、dA(w1+dw1)dA风压的形成风压的形成风风压压221vw推推导导 合合力力 dtdvdAdlMadAdw1 dtdvdldw1 vdvdw1 (因因为为vdtdl)cvw2121 边界条件：边界条件：当当0v时时，mww 1（气气流流冲冲击击结结构构物物后后其其截截面面中中心心点点产产生生的的最最大大气气流流压压强强）当当v时时，bww 1（气气流流原原先先压压力力强强度度）mbwvw221 gvvwwwmb22122=0.012018kN/m3（空气单位体积的重力）（空气单位体积的重力），g=9.8m/s2 风压：风压：16302vw (kN/m2)2 2、基本风压、基本风压w w0

6、0 按规定的按规定的高度高度、地貌地貌、时距时距等量测的风速所确定的风等量测的风速所确定的风压压 高度：高度：1010米高为标准高度（桥梁结构规定为米高为标准高度（桥梁结构规定为2020米）米）地貌（地面粗糙度地貌（地面粗糙度):):空旷平坦地貌空旷平坦地貌 公称风速时距公称风速时距:=10min=10min 最大风速的样本时间最大风速的样本时间:一年一年 基本风速的重现期基本风速的重现期T T0 0 基本风速出现一次所需要的时间基本风速出现一次所需要的时间每年不超过基本风压的概率或保证率每年不超过基本风压的概率或保证率p p0 0=1-1/=1-1/T T0 0（图中影形面积）（图中影形面积

7、）GB50009-2001GB50009-2001规定：规定：以当地以当地比较空旷平坦地面比较空旷平坦地面上上离地离地10m10m高统计所得的高统计所得的5050年一遇年一遇10min10min内最大风速内最大风速v v0 0为标准，按为标准，按w w 0 0=v v0 02 2/1600/1600确定。确定。最大风速最大风速 -随机变量随机变量年最大风速年最大风速p基本风速基本风速面积面积 p0=1-1/T0年平均最大风速年平均最大风速年最大风速概率密度分布年最大风速概率密度分布第四节第四节 顺风向结构风荷载效应计算顺风向结构风荷载效应计算 PL 截面截面风速风速 B PM PD 流经任意截

8、面物体所产生的力流经任意截面物体所产生的力 结构上的风力结构上的风力顺风向力顺风向力P PD D、横风向力横风向力 P PL L 、扭力矩、扭力矩 P PM M 结构的风效应结构的风效应 由风力产生的结构由风力产生的结构位移位移、速度速度、加速度加速度响应、响应、扭转扭转响应响应一、结构的风力和风效应一、结构的风力和风效应二、风荷载计算基本公式：二、风荷载计算基本公式：1 1、平均风下结构的静力风载、平均风下结构的静力风载 w wz z=s s z z(z)(z)w w0 0 s s：风荷载风荷载体型体型系数系数 z z(z)(z)：风压高度变化系数：风压高度变化系数 W W0 0：基本风压基

9、本风压1 1）风载体型系数（）风载体型系数（s s）主要与建筑物的体型和尺度有关主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围，也与周围环境和地面粗糙度有关环境和地面粗糙度有关 描述建筑物表面描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压在稳定风压作用下的静态压力的分布规律力的分布规律。房屋和构筑物与表中的体型类同时，可房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用按表规定取用；房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用参考有关资料采用；房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜宜由风洞试验确定由风洞

10、试验确定；对重要且体型复杂的房屋和构筑物，对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定应由风洞试验确定。风载体型系数风载体型系数 s s【例【例1 1】封闭式双坡屋面封闭式双坡屋面【例【例2 2】封闭式房屋和构筑物】封闭式房屋和构筑物(正多边形正多边形)s注：中间值按插入法计算注：中间值按插入法计算？当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。规范规范GB50009GB50009规定：将单独建筑物

11、的体型系数规定：将单独建筑物的体型系数 s s 乘以相互干扰系乘以相互干扰系数数(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)以以考虑风力相互干扰的群体效应考虑风力相互干扰的群体效应。？风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压过按表所得的平均风压规范规范GB50009GB50009规定：对负压区可根据不同部位分别

12、取体型系数为规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为-1.0 1.0？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。2 2）、风压高度变化系数）、风压高度变化系数 z z 地面的粗糙度地面的粗糙度在大气边界层内，在大气边界层内，风速随离地面高度而增大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，当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于主要取决于地面粗糙度，地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高

13、地面粗糙度，地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低的地区为低。GB50009-2001GB50009-2001地面的粗糙度类别地面的粗糙度类别 A A类类近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B B类类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇 和城市郊区和城市郊区 C C类类有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区 D D类类有密集建筑群且房屋较高的城市市区有密集建筑群且房屋较高的城市市区 地面粗糙度类别地面粗糙度类别 粗糙度指数粗糙度指数 风压高度变化系数风压高度变化系数 z A类类 0.12

14、1.379(z/10)B类类 0.16 1.000(z/10)C类类 0.22 0.616(z/10)0.44 D类类 0.30 0.318(z/10)风压高度变化系数风压高度变化系数 z z(z)=(z)=任意高度处的风压任意高度处的风压w wa a(z)/(z)/基本风压基本风压w w0 0 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB500092001GB500092001表表7.2.17.2.1确定。确定。【思考题】【思考题】规范规范GB50009GB50009对远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压对远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系

15、数高度变化系数 z z如何确定？如何确定？见规范：见规范：P26P26对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物见规范：见规范：P26P26 对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物的建筑物和构筑对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物的建筑物和构筑物，风压高度变化系数可按物，风压高度变化系数可按A A类粗糙度类别考虑，但应乘类粗糙度类别考虑，但应乘以修正系数以修正系数风风压压高高度度变变化化系系数数 地地面面粗粗糙糙度度类类别别 离离地地面面或或海海平平面面高高度度（m）A B C D 5 1.17 1.00 0.74 0.62 10 1.38 1.00 0.74 0.62 1

16、5 1.52 1.14 0.74 0.62 20 1.63 1.25 0.84 0.62 30 1.80 1.42 1.00 0.62 40 1.92 1.56 1.13 0.73 50 2.03 1.67 1.25 0.84 60 2.12 1.77 1.35 0.93 70 2.20 1.86 1.45 1.02 80 2.27 1.95 1.54 1.11 90 2.34 2.02 1.62 1.19 100 2.40 2.09 1.70 1.27 150 2.64 2.38 2.03 1.61 200 2.83 2.61 2.30 1.92 250 2.99 2.80 2.54 2.1

17、9 300 3.12 2.97 2.75 2.68 350 3.12 3.12 2.94 2.68 400 3.12 3.12 3.12 2.91 450 3.12 3.12 3.12 3.12 地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数 ）以拟建房以拟建房2km2km为半径的迎风半圆范围内的为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度房屋高度和密集度来区分粗来区分粗糙度类别糙度类别，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；导风；以半圆影响范围内建筑物的平均高度以半圆影响范围内建筑物的平均高度h

18、 h平均平均来划分地面粗糙度类别来划分地面粗糙度类别，当，当h h平均平均 18m18m，为，为D D类，类，9m9m h h平均平均 18m18m为为C C类，类，h h平均平均 9m 9m，为，为B B类。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，交叠部分的高度取大者；叠部分的高度取大者；平均高度平均高度h h平均平均取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。风荷载计算实例风荷载计算实例

19、1 1、排架结构组成：、排架结构组成：1.屋面板屋面板 2.天沟板天沟板 3.天窗架天窗架 4.屋架屋架 5.托架托架 6.吊车梁吊车梁 7.排架柱排架柱 8.抗风柱抗风柱 9.基基 础础 10.连系梁连系梁 11.基础梁基础梁 12.天窗架垂直支撑天窗架垂直支撑 13.屋架下弦横向水平支撑屋架下弦横向水平支撑 14.屋架端部垂直支撑屋架端部垂直支撑 15.柱间支撑柱间支撑v柱顶以下建筑物表面上的风荷载沿高度取为均匀分布，柱顶以下建筑物表面上的风荷载沿高度取为均匀分布，其值分别为（迎风面的风压力）其值分别为（迎风面的风压力）q q1 1和和q q2 2（背风面的风吸（背风面的风吸力），风压高度

20、变化系数力），风压高度变化系数z z按柱顶标高取值，其中：按柱顶标高取值，其中：v作用于柱顶以上的风荷载，通过屋架以集中力作用于柱顶以上的风荷载，通过屋架以集中力F Fw w形式施形式施加于排架柱顶，（其值为屋架高度范围内的外墙迎风面、加于排架柱顶，（其值为屋架高度范围内的外墙迎风面、背风面的风荷载及坡屋面上风荷载的水平分力的总和）。背风面的风荷载及坡屋面上风荷载的水平分力的总和）。BwqkWF排架风荷载计算排架风荷载计算 kNFkNFmkNqmkNqmkNBwqmkNBwqmhmhmhBwqwwwwkzskzskzzzkzsk28.892.54.192.5635.02.111.15.06.0

21、1.208.15.08.0)(5.107.14.1)(39.271.14.1)(07.1635.002.15.0)(71.1635.002.18.02;11.1)101.14(101500.114.11,1.142.19.12;08.1)109.12(101500.114.11,9.121.28.10;02.1)108.10(101500.114.11,8.103.05.10)1(,210120113322110 ）荷荷载载计计算算（柱柱高高：风风压压高高度度变变化化系系数数基基本本公公式式 kNFkNFmkNqmkNqmkNBwqmkNBwqmhmhmhBwqwwwwkzskzskzzzkz

22、sk28.892.54.192.5635.02.111.15.06.01.208.15.08.0)(5.107.14.1)(39.271.14.1)(07.1635.002.15.0)(71.1635.002.18.02;11.1)101.14(101500.114.11,1.142.19.12;08.1)109.12(101500.114.11,9.121.28.10;02.1)108.10(101500.114.11,8.103.05.10)1(,210120113322110 ）荷荷载载计计算算（柱柱高高：风风压压高高度度变变化化系系数数基基本本公公式式Bwqzs 0 ),2,1(212

23、111 21 121ni hqqh qqFi iii iii作业：排架风荷载计算作业：排架风荷载计算 框架结构风荷载计算实例框架结构风荷载计算实例基本公式：基本公式：kN52.10)2/1.42/0.4(6.375.074.05.08.0F2.52/0.46.375.074.05.08.0F74.0,101.83.15.08.0C/75.0k1120）（）（所以：，因为总高矩形截面：类，地面粗糙度为已知：kNmmhmkNkzsvBlvlvFlvFvRe690002粘性力惯性力雷诺数s m2 51045.1,-空气动力粘性系数s m2 51045.1,-空气动力粘性系数开间开间 层高层高开间开间

24、层高层高StDfvcr1=答案7.2m7.2m3m4.0m4.1mA A2 2A A1 1A AB B2 2B B1 1B BC C2 2C C1 1C CD D2 2D D1 1D D 计算风荷载标准值：计算风荷载标准值：02000wvHwH=F F2=2=F F1 12 2、顺风向脉动风效应、顺风向脉动风效应 脉动风脉动风随机动力作用随机动力作用按按随机振动理论随机振动理论进行分析进行分析-自学自学 顺风向总风效应顺风向总风效应=顺风向平均风效应顺风向平均风效应+顺风向脉动风效应顺风向脉动风效应 计算主要承重结构时：计算主要承重结构时：w w(z)=(z)=z z s s z z(z)(z

25、)w w0 0 计算围护结构时：计算围护结构时：w w(z)=(z)=gzgz s1 s1 z z(z)(z)w w0 0 z z 高度高度z z处的风振系数处的风振系数，且，且 z z=1+=1+z z/gzgz 高度高度z z处的阵风系数处的阵风系数GB50009GB50009规定规定：基本自振周期基本自振周期T T1 10.25s0.25s的工程结构（房屋、屋盖及各种的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）高耸结构）高度高度H H 30m 30m且高宽比且高宽比H H/B B考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，否则按静考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，否则按静风考虑风考虑第五节第

26、五节 横风向结构风效应横风向结构风效应 一、横风向风振一、横风向风振（对细柔性结构应考虑）（对细柔性结构应考虑）横风向风振横风向风振由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。扰振等空气动力现象。与与结构截面形状结构截面形状和和雷诺数雷诺数R Re e有关有关 22dLdDsSSSS+=NoImage粘性力粘性力=粘性应力粘性应力 面积面积F F=（粘性系数（粘性系数 速度梯度速度梯度dvdv/dy/dy）面积面积F F惯性力惯性力=单位面积上的压力单位面积上的压力 v v2 2/2 /2 面积面积

27、F F 横向风振的产生横向风振的产生(圆截面柱体结构圆截面柱体结构)沿上风面沿上风面ABAB速度逐渐增大（速度逐渐增大（v v ），），B B点压力达到最小值点压力达到最小值;沿下风面沿下风面BCBC速度逐渐降低（速度逐渐降低（v v ），压力重新增大。），压力重新增大。气流在气流在BCBC中间某点中间某点S S处速度停滞（处速度停滞（v v=0=0），生成），生成旋涡旋涡，并在外流，并在外流的影响下以一定周期脱落（的影响下以一定周期脱落（脱落频率脱落频率f fs s）-Karman Karman 涡街涡街当气流旋涡当气流旋涡脱落频率脱落频率f fs s与结构与结构横向自振频率横向自振频率接近

28、时，结构发生接近时，结构发生共振，即发生共振，即发生横向风振横向风振 。二、结构横向风力和风效应二、结构横向风力和风效应1 1、结构横向风力、结构横向风力 PL=L(v2/2)B L L-横风向风力系数，与横风向风力系数，与雷诺数雷诺数R Re e有关有关 跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横跨临界范围、亚临界范围的结构横风向作用具有周期性，结构横向风作用力向风作用力 P PL L(z,t)=(z,t)=(v v2 2(z)/2)B(z)(z)/2)B(z)L Lsinsin s st t 风旋涡脱落圆频率风旋涡脱落圆频率 s s=2=2 f fs s=2=2 S St t

29、 v v(z)/B(z)(z)/B(z)P62(4-68)P62(4-68)NoImageNoImage2 2、结构横风向风效应、结构横风向风效应对圆形截面的结构对圆形截面的结构,应根据应根据雷诺数雷诺数R Re e的不同情况进行横向风振的不同情况进行横向风振(旋涡旋涡脱落脱落)的校核。的校核。当当R Re e 3.0 3.0 10 105 5 时（亚临界的微风共振）时（亚临界的微风共振）应控制结构顶部风速应控制结构顶部风速v vH H不超过临界风速不超过临界风速v vcrcr，即，即v vH H v vcrcr。(4-70)f f1 1结构基本自振频率；结构基本自振频率；StSt斯脱罗哈数，

30、斯脱罗哈数，St=fSt=fs sD/v D/v，圆截面结构取，圆截面结构取StSt=0.2=0.2；w w风荷载分项系数，取风荷载分项系数，取 w w=1.4=1.4；H H结构顶部风压高度变化系数；结构顶部风压高度变化系数；w w0 0基本风压基本风压(kN/m(kN/m2 2)；空气密度空气密度(kg/m(kg/m3 3)。NoImage三、结构总效应三、结构总效应 考虑顺风向动力作用效应（考虑顺风向动力作用效应（脉动效应脉动效应）与横风向动力作用效应）与横风向动力作用效应（风振效应风振效应）的最大值不一定在同一时刻发生）的最大值不一定在同一时刻发生 采用采用平方和开方平方和开方近似估算总的风动力效应近似估算总的风动力效应结构总风效应结构总风效应结构顺风向静力效应结构顺风向静力效应结构顺风向结构顺风向脉动效应脉动效应 结构横风向结构横风向风振效应风振效应