風災(zāi)及抗風設(shè)計

..-優(yōu)選風災(zāi)及抗風設(shè)計土木120423梅雨辰摘要：本文主要討論自然界的風災(zāi)害及工程抗風設(shè)計，首先列舉了幾種常見的風災(zāi)，并對它們的形成原因和主要特點作了闡述，并舉了幾個風災(zāi)的實例，然后初步討論工程抗風設(shè)計，著重闡述了抗風設(shè)計需要考慮的幾項因素，最后綜合這幾項因素，給出了標準內(nèi)的風壓標準值計算公式，強調(diào)設(shè)計構(gòu)造要滿足強度，剛度設(shè)計要求，一些特定的構(gòu)造，還有特定的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：風災(zāi)，抗風設(shè)計，風壓，修正WindcalamitiesandwindresistantdesigncivilengineeringClass1204No.23MeiYuchenAbstractThispapermainlydiscussesthewindnaturalcalamitiesandwindengineeringdesign,itfirstenumeratedseveralkindsofmondisasterandthecauseofformation,thenitdescribestheirmaincharacteristicsandlistsseveralexamplesofdisaster.Afterwards,itbrieflydiscusseswindengineeringdesign,focusingonseveralfactorsneededtobeconsideredinthewindresistantdesign,finallybiningthefactors,itgivesthecalculationformulaofpressurevalueswithinthespecificationstandard,andemphasizethedesignstructuremeetthestrength,stiffnessdesignrequirements.somespecificstructureshouldalsomeetsomespecificdesignrequirements..Keywords:windcalamities,windresistantdesign,windpressure,correction第一局部風災(zāi)簡述自然界的風，當風力和風速超過一定的限度時，會對人或建筑物造成傷害，這樣的災(zāi)害叫作風災(zāi)。常見的風災(zāi)有熱帶氣旋災(zāi)害，龍卷風，沙塵暴等。下面我們依次來介紹這些災(zāi)害的形成原因和主要特點。災(zāi)害一熱帶氣旋災(zāi)害熱帶氣旋按其中心附近最大風速劃分為6個等級，分別是熱帶低壓，熱帶風暴，強熱帶風暴，臺風，強臺風，超強臺風。由于熱帶低壓風速很小，不具備破壞力，一般不將其列為災(zāi)害，在討論災(zāi)害時，僅討論后五種，由于它們都屬于熱帶氣旋，形成過程相似,先討論熱帶氣旋形成過程，再一一介紹它們各自不同的特點。1熱帶氣旋的形成過程地面相對于海平面比熱容小，溫度高，氣流上升，海面由于大量風和水蒸氣的存在，沿地面補充地面空氣，海面溫度低，吸收地面上升的空氣，水蒸氣補充空間，并在海上天空積聚，由于蒸汽層上層溫度低，水蒸氣體積縮小比重增大，蒸汽分子下降，在下降過程中吸熱，再上升，遇冷，再下降，如此反復，氣體分子逐漸縮小，最后水蒸氣在蒸汽層的低溫區(qū)集中，形成云，云團逐漸逐漸擴大，云內(nèi)部上下對流越來越劇烈，幅度越來越大，對周圍的冷卻力越來越強，周圍的溫度降低，形成冷高壓區(qū)，空氣向中心熱低壓區(qū)流動，由于平衡產(chǎn)生相互補充的力使之成螺旋狀流動，形成氣旋。2各種類型熱帶風暴中心附近最大平均風力8-9級〔風速為17.2-24.4m/s〕的熱帶氣旋。烈風級風力，預(yù)先要有一個弱的熱帶渦旋存在。強熱帶風暴中心附近最大平均風力10-11級〔風速24.5-32.6m/s〕的熱帶氣旋。暴風級風力。臺風中心附近最大平均風力12-13級〔風速為32.7-41.4m/s〕的熱帶氣旋，在北大西洋及東太平洋叫颶風。強臺風中心附近最大平均風力達14-15級〔41.5-50.9m/s〕的熱帶氣旋,伴有大暴雨，大海潮，大海嘯，易造成人員傷亡，建筑物破壞。超強臺風風力>=16級，風速>=51.0m/s的熱帶氣旋。風最高時速可以到達300公里以上，所到之處，摧枯拉朽，陸地少見極具破壞力，在海上，海浪超過4米，漫天白沫，是世界上最嚴重的自然災(zāi)害之一.3災(zāi)害實例超強臺風“海燕〞2021年第30號超強臺風，11月4日生成，于11月8日凌晨在菲中部東薩馬省登陸，中心最大風力到達每小時314公里。登陸菲律賓時到達17級以上，最大風速達75米/秒。這場臺風被視作菲律賓有史以來遭遇的最強臺風，多個地區(qū)，已造成至少3000人死亡,10000受傷和1000人失蹤，全國受災(zāi)人口多達428萬余人。災(zāi)害二龍卷風災(zāi)害1形成過程水蒸氣上升到天空遇冷形成云，云團逐漸變大，云內(nèi)部上下對流越來越劇烈，云團下面的水蒸氣直向上升，水分子在上升過程中受冷體積越來越小，呈漏斗狀。云下氣體分子不斷補充空間形成了大風，當補充空間的氣體極度不均勻時便產(chǎn)生了龍卷風。2特點龍卷風發(fā)生的樣子可描述成一個猛烈旋轉(zhuǎn)的圓形空氣柱，它的上端與雷雨云相連，下端有的懸在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前移動，當發(fā)生在海上時，會出現(xiàn)類似于龍吸水的現(xiàn)象，發(fā)生在陸地上時，卷揚塵土，卷走房屋和樹木，直徑小的不過幾十米，一般為200-300m,只有極少數(shù)的才到達1000m以上，壽命很短暫，一般只有幾分鐘到幾十分鐘，但它的風速卻高達50-150m,極端情況下甚至超聲速，當內(nèi)部存在低氣壓時，掃過的地方猶如吸泵一般，把幾乎一切輕的東西吸卷而起，形成高達的柱體，當掃過建筑物或車輛時，會使其內(nèi)外產(chǎn)生強烈的氣壓卷，容易產(chǎn)生爆炸，總的來說，龍卷風所到之處的破壞和損失是極其嚴重的。3災(zāi)害實例2021年5月美國強龍卷美國俄克拉何馬城穆爾市20日下午遭遇猛烈龍卷風襲擊，確認24人死亡，大量建筑被毀。航拍畫面顯示，整個遇襲社區(qū)被夷為平地，房屋屋頂消失不見，汽車相互重疊。另外，由于燃氣管道外露，一些區(qū)域起火。災(zāi)害三沙塵暴1形成原因由強風將地面大量浮沉細沙吹起，卷入空中，使得空氣混濁，需要兩個必備條件：一有足夠強大的，持續(xù)時間長的風力，二風所吹之處土質(zhì)松軟枯燥。2特點飛沙走石，日光昏暗，能見度極差，對航空，交通運輸及生產(chǎn)有嚴重影響，風力強大時也對電線桿等建筑物造成破壞。3災(zāi)害實例2021伊朗罕見沙塵暴6月2日，伊朗首都德黑蘭遭遇了一場恐懼沙塵暴。風速達每小時110公里，天昏地暗，大樹被連根拔起，高速公路20多輛車連環(huán)相撞，如同好萊塢災(zāi)難片。目前，沙塵暴已造成至少5人死亡，30多人受傷，許多地區(qū)電力中斷，局部國際航班取消。第二局部工程構(gòu)造抗風設(shè)計初步1必要性：風災(zāi)是一種自然災(zāi)害，盡管有氣象衛(wèi)星的幫助氣象臺的監(jiān)測和預(yù)報日益精準，人可以在風災(zāi)降臨前提前疏散，但是向房子，橋梁這些不動的建筑物卻防止不了收到一定的破壞，為了減輕風對這些建筑物的破壞，必須對工程構(gòu)造進展抗風設(shè)計。2關(guān)于風的一些物理量風壓：風以一定的速度向前運動時，對阻塞物產(chǎn)生的單位面積壓力。風荷載：風壓沿物體外表積分所得到作用力，一般有三個分力成分，以沿著風前進方向的順向風力為主，另兩個是橫向風力和風扭力矩，在非細長構(gòu)造影響很小，可不考慮。平均風：以大量實測資料中風的順風向時程曲線為依據(jù)，將順向風力中持續(xù)10min以上的長周期穩(wěn)定風，鑒于風長周期遠大于構(gòu)造的自振周期，所以平均風對構(gòu)造的動力效應(yīng)很小，可將其等效為靜力作用。脈動風：順向風的短周期成分，一般僅僅持續(xù)幾秒鐘，強度隨時間無規(guī)那么變化，與工程自振周期相接近，將使構(gòu)造產(chǎn)生動力效應(yīng)。3抗風設(shè)計考慮的四個因素=1\*GB3①根本風壓wo我國荷載標準規(guī)定，當?shù)乇容^空曠平坦的地面，在離地10m高處，統(tǒng)計50年一遇的10min時距平均年最大平均風速，根據(jù)最大平均風速，代入伯努利方程導出公式w=1/2γ/g*v^2(γ為空氣單位體積的重力，g為當?shù)刂亓铀俣?——=1\*GB2⑴，即為當?shù)氐母撅L壓，用wo表示。②風壓高度變化系數(shù)μz根本風壓只是離平坦地面10m的風壓，一般建筑物的高度不可能正好為10m，周圍的地形不一定空曠平坦，公式=1\*GB2⑴是自由氣體遇到建筑物停滯的理想狀況，實際工程中需加以修正，當考慮風壓隨高度變化時，用風壓高度變化系數(shù)μz,計算非10m高度處建筑物所受的風壓，我國"建筑荷載標準"將地面粗糙度分為A，B，C，D四類，每一類的風壓高度變化系數(shù)可查上述標準。=3\*GB3③體型系數(shù)μs實際風經(jīng)過建筑物，往往對正面施加壓力，而對側(cè)面和反面為吸力，可見各面上風壓是不同的，在計算風壓時，為了解決體型不同，風壓不同的問題，引入風載體型系數(shù)，將其定義為建筑物外表受到的風壓與大氣中氣流風壓之比，用μs表示，它實際上就是各面上的風壓平均值與根本風壓的比值，反映各面上的壓力變化，一般建筑構(gòu)造的風載體型系數(shù)可查閱"建筑構(gòu)造荷載標準"。=4\*GB3④風振系數(shù)βzβz是衡量脈動風建筑左右振動的劇烈程度，對于自振周期T<0.25s,高度<30m或高寬比<1.5的房屋，脈動風對其影響很小，取β=1，但對于高層，高聳，柔性等構(gòu)造，脈動風對其影響是必須考慮的因素，在忽略扭轉(zhuǎn)，且忽略橫向風力的影響，只考慮順向風力作用，此時在z處風振系數(shù)βz=1+ζ*γ*ψz/μz，其中ζ——脈動增大系數(shù)，γ——脈動影響系數(shù)，ψz振型影響系數(shù)，均有相關(guān)標準表格供取用。4抗風設(shè)計要求綜合這四個根本因素，我國1987年設(shè)計標準將垂直于建筑物外表風壓標準值公式定義為wk=βμsμzwo，得出了wk的計算公式，便清楚了實際風對建筑物各點壓力分布情況。對一般構(gòu)造進展抗風設(shè)計，在設(shè)計風荷載和其他荷載作用下，構(gòu)造應(yīng)同時滿足強度設(shè)計和剛度設(shè)計要求。強度設(shè)計要求是指建筑物的每個局部的實際承載力要小于極限承載力/平安系數(shù)，這樣才能保證構(gòu)造不發(fā)生開裂破壞，倒塌。剛度設(shè)計要求是指構(gòu)造的變形應(yīng)控制一定的范圍內(nèi)，尤其征對高層建筑和大跨建筑，如高層建筑在風荷載的作用下，構(gòu)造頂點的水平位移和各層的相對位移要符合JGB-2002"高層建筑混凝土構(gòu)造技術(shù)規(guī)程"，這樣才能防止構(gòu)造不會因為位移變形過大而損壞。在滿足強度和剛度要求的情況下，對一些特殊構(gòu)造，抗風設(shè)計還需符合一些特殊的要求。如高層建筑還需考慮居住者舒適要求，人體的舒適度主要與振動頻率，振動加速度和振動持續(xù)時間有關(guān)，在這三者之中，構(gòu)造振動的加速度相對容易調(diào)節(jié)，為此一般限制構(gòu)造振動加速度來滿足舒適度的設(shè)計要求，根據(jù)人體舒適度界限標準建議，公寓建筑的加速度界