第04章_風荷載

1、1風荷載風荷載 4.1 風的有關知識 4.2 風壓 4.3 結構抗風計算的幾個重要概念 4.4 順風向結構風效應 4.5 橫風向結構風效應2被颶風嚴重損壞的新奧爾良多層建筑34.1 風的有關知識風的有關知識4.1.1 風的形成風是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成的。氣溫高，空氣密度低，氣壓低氣溫低，空氣密度大，氣壓高大氣熱力學環(huán)流模型三圈環(huán)流模型考慮地球自轉以及大陸與海洋吸熱考慮地球自轉以及大陸與海洋吸熱差異等差異等44.1.2 兩類性質的大風兩類性質的大風1.臺風 弱的熱帶氣旋引入暖濕空氣在渦旋內部產生上升和對流運動加強渦旋臺風熱帶低壓 熱帶風暴 強熱帶風暴 臺風2.季風 冬季：大

2、陸冷，海洋暖，風：大陸海洋 西北風西北風 夏季：大陸熱，海洋涼，風：海洋大陸 東南風東南風54.1.3 我國的風氣候總況我國的風氣候總況大風區(qū)大風區(qū) 東南沿海東南沿海次大風區(qū)次大風區(qū) 東北、華北和西北、青藏高原東北、華北和西北、青藏高原最大風區(qū)最大風區(qū) 臺灣、海南和南海島嶼；臺灣、海南和南海島嶼；小風區(qū)小風區(qū) 長江中下游、黃河中下游長江中下游、黃河中下游最小風區(qū)最小風區(qū) 云貴高原云貴高原64.1.4 風級風級 為區(qū)分風的大小，根據風對地面（或海面）物體影響程為區(qū)分風的大小，根據風對地面（或海面）物體影響程度，常將風劃分為度，常將風劃分為13個等級。個等級。風風力力等等級級名稱名稱海面狀況海面狀

3、況海岸漁船征象海岸漁船征象陸地地面物征象陸地地面物征象距距地地10m高處相當風速高處相當風速浪高（浪高（m）一般一般最高最高km/hn mile/hm/s靜風靜風靜靜靜、煙直上靜、煙直上1v0v=v0vv0v0v33常見高層建筑體型系數(shù)342.2.風壓高度變化系數(shù)風壓高度變化系數(shù) 0)(wzwzazmaasssTssTszzzzHzHzm222)(根據4.2.3節(jié)內容，可得風壓高度變化系數(shù)mz為：3.3.平均風下結構的靜力風載平均風下結構的靜力風載0( )( )szw zz wm m如C類地貌高度100m處694. 110100615. 0615. 0)(44. 02aszzzzm35364.

4、4.2 4.4.2 順風向脈動風效應順風向脈動風效應1）脈動風下結構位移反應 在脈動風作用下，結構主要按第一振型振動，則位移反應為)()(),(11tqztzy01)()()(wzzumzPd2）脈動風下等效風作用力 在脈動風作用下，結構等效風作用力可表示為其中 脈動增大系數(shù)； u 脈動影響系數(shù)m(z) 結構質量函數(shù) 1(z) 結構第1振型函數(shù)w0 基本風壓37結構第結構第1振型函數(shù)振型函數(shù)對于低層建筑結構對于低層建筑結構( (剪切型結構剪切型結構) )對于高層建筑結構對于高層建筑結構( (彎剪型結構彎剪型結構) )對于高聳結構對于高聳結構( (彎曲型結構彎曲型結構) )432131342)(

5、HzHzHzz7 . 014)(HztgzHzz2sin)(1可按結構力學原理計算得出，也可可按結構力學原理計算得出，也可采用近似公式采用近似公式00.510.20.40.60.81Eq.(4-56a)Eq.(4-56b)Eq.(4-56c)第1振型函數(shù)z/Hx剪切型彎剪型彎曲型384.4.3 4.4.3 順風向總風效應順風向總風效應)()()()()()(zlzPzwzwzwzwxdd)()()()(1zwzlzwzPxd0)()()()(wzzzzwzsmm順風向效應 = 平均風效應 + 脈動風效應 脈動增大系數(shù)，按照w0T12查表確定。v 脈動影響系數(shù)，按照結構總高度，高寬比，地面粗 糙

6、度類別查表確定。1(z) 結構第1振型函數(shù)w0 基本風壓)()(11zzzzm將w(z)和Pd(z)代入可得394041高層建筑高層建筑424.4.4 4.4.4 示例示例已知一矩形平面鋼筋混凝土高層已知一矩形平面鋼筋混凝土高層建筑，平面沿高度保持不變。建筑，平面沿高度保持不變。H = 100 m，B = 33m，地面粗，地面粗糙度指數(shù)糙度指數(shù) a=0.22，基本風壓，基本風壓按粗糙度指數(shù)為按粗糙度指數(shù)為 s=0.16的地貌的地貌上離地面高度上離地面高度zs=10m處的風速處的風速確定，基本風壓值為確定，基本風壓值為w0 = 0.44kN/m2。結構的基本自振。結構的基本自振周期周期T1=2.

7、5s。求風產生的建筑。求風產生的建筑底部彎矩。底部彎矩。43解：解：1）為簡化計算，將建筑沿高度劃分為）為簡化計算，將建筑沿高度劃分為5個計算區(qū)段，每個區(qū)個計算區(qū)段，每個區(qū)段段20m高，取其中點位置的風載值作為該區(qū)段的平均風載高，取其中點位置的風載值作為該區(qū)段的平均風載值，如后頁中圖所示。值，如后頁中圖所示。2）體型系數(shù)體型系數(shù)s=0.133）求各區(qū)段中點高度處的）求各區(qū)段中點高度處的風壓高度變化系數(shù)，按公式風壓高度變化系數(shù)，按公式或查或查規(guī)范規(guī)范相應的表，其值分別為：相應的表，其值分別為：z1=0.62 z2=1.00 z3=1.25 z4=1.45 z5=1.62 4）確定風振系數(shù)。由確定

8、風振系數(shù)。由 查表得查表得脈動增大系數(shù)脈動增大系數(shù) =1.51222210/mskN71. 15 . 244. 062. 0Twa44. 02210615. 010350)(zzzzasszm44計算各區(qū)段中點高度處的第1振型 相對位移 11=0.16 12=0.35 13=0.53 14=0.70 15=0.89因建筑的高寬比H/B=3，查表4-10得脈動影響系數(shù): =0.49。求各區(qū)段中點高度處風振系數(shù)：可得1=1.19 2=1.26 3=1.31 4=1.36 5=1.417 . 014)(Hztgz)()(11zzzzm455）計算各區(qū)段中點高度處的風壓值21mkN42. 044. 0

9、62. 03 . 119. 1w22mkN72. 044. 000. 13 . 126. 1w23mkN94. 144. 025. 13 . 131. 1w24mkN13. 144. 045. 13 . 136. 1w25mkN1.3144. 062. 13 . 141. 1w3320)9031. 1 7013. 15094. 13072. 01042. 0(MmkN1078. 156）根據圖4-19所示的計算簡圖，由風產生的建筑筑底部彎矩為：464.5 橫風向結構風效應橫風向結構風效應 4.5.1 流經任意截面物體的風力 4.5.2 結構橫風向風力 4.5.3 結構橫風向效應 4.5.4 結

10、構總風效應 4.5.5 結構橫風向馳振與顫振474.5.1 流經任意截面物體的風力式中 B 結構的截面尺寸，取為垂直于風向的最大尺寸; mD 順風向風力系數(shù)，為迎風面和背風面風荷載體型系數(shù)的總和; mL,mM 分別為橫風向風力和扭轉力系數(shù)。 速度為v的風流經任意截面物體，都將產生三個力，即物體單位長度上的順風向力PD、橫風向力PL，以及扭力矩PM。根據風速與風壓的關系式，上述三個力可分別表達為流經任意截面物體所產生的力BvPDD221mBvPLL221mBvPMM221m484.5.2 結構橫風向風力圓形平面結構m mL與Re關系BvPLL221m亞臨界范圍（3x102Re 3x105 ） L

11、=0.20.6超臨界范圍（3x105Re 3x106） L不確定（隨機）跨臨界范圍（ Re 3x106 ） L=0.150.2L：橫風向風力系數(shù)一、圓形平面結構m mL與Re關系49二、結構橫風向共振及鎖住現(xiàn)象 實驗發(fā)現(xiàn)，當旋渦脫落頻率接近結構橫向自振基本頻率時，結構將產生橫向共振。但當風速繼續(xù)增大時，旋渦脫落頻率并不繼續(xù)增大，而是保持為常數(shù)，即結構自振頻率控制了旋渦脫落頻率，這一現(xiàn)象被稱為鎖住。當風速大于結構共振風速的1. 3倍左右時，旋渦脫落頻率才繼續(xù)增加，如圖所示。 在亞臨界范圍和跨臨界范圍結構的旋渦脫落是有周期性的，即橫向風作用有周期性，結構橫向向風作用力與旋渦脫落頻率和風速有關。 5

12、0三、細長結構橫風向風力分布51 一般情況下，結構橫風向風效應L 0.4，而順風向風效應D =1.3大于L 的3倍以上， 故一般情況下，結構橫風向風效應與順風向風效應相比可以忽略。 然而，在亞臨界范圍，特別在跨臨界范圍，結構橫風向作用可能引起結構共振，不能忽略：4.5.3 結構橫風向效應)()()(1211zyzmzPL)()()(2)()()()(10211221121zdzzzmdzzzBzvzyHHHLm以第一振型為例52亞臨界微風共振（規(guī)范）53跨臨界強風共振(規(guī)范)544.5.4 結構總風效應 結構橫風向共振時，同時還作用有順風向風力，因此應將結構橫風向風效應與順風向風效應疊加，計算結構總風效應，以此進行結構抗風設計。 對于結構某一確定的效應(如果某一結構的內力，或某一位置的位移等)，由于順風向動力作用效應(脈動效應)與橫風向動力作用效應(風振效應)的最大值不一定在同一時刻發(fā)生，因此常采用平方和開平方近似估計總的風動力效應。則結構總風效應按下式計算22dLdDsSSSS規(guī)范：554.5.5 結構橫風向馳振與顫振馳振（galloping）： 在某些情況下，外界激勵可能產生負阻尼成分，當負阻尼大于正阻尼時，結構振動將不斷加劇，直到達到