風(fēng)荷載優(yōu)秀公開(kāi)課課件

第3章風(fēng)荷載第3章風(fēng)荷載教學(xué)基本要求1.了解風(fēng)的基本知識(shí)；2.熟悉基本風(fēng)壓的確定；3.掌握風(fēng)荷載的計(jì)算（主要順風(fēng)荷載的計(jì)算）。3.1風(fēng)的有關(guān)知識(shí)3.1.1風(fēng)的形成風(fēng)是空氣相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)，它是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)而形成。由于地球是一個(gè)球體，太陽(yáng)的輻射由于緯度的不同存在差異，從而形成了不同的氣壓區(qū)。因此空氣的流動(dòng)使地球周?chē)a(chǎn)生了六個(gè)風(fēng)帶，見(jiàn)圖3－1。653、4213.1.3我國(guó)風(fēng)氣候總況我國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)影響大，內(nèi)陸季風(fēng)影響大。我國(guó)總的氣候情況為：臺(tái)灣、海南為大風(fēng)壓；東南沿海為次大風(fēng)壓；東北、西北、華北為次大風(fēng)壓；青藏高原為較大風(fēng)壓；長(zhǎng)江、黃河中下游為小風(fēng)壓；云貴高原、四川盆地為最小風(fēng)壓。3.1.4風(fēng)級(jí)人們根據(jù)風(fēng)對(duì)地面物體的影響程度來(lái)確定風(fēng)的等級(jí)，共分13級(jí)。風(fēng)速越大，分級(jí)越大。見(jiàn)表3－1。3.2.2基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓：在標(biāo)準(zhǔn)條件下確定的風(fēng)壓稱(chēng)為基本風(fēng)壓。通常有五個(gè)條件來(lái)規(guī)定：1.標(biāo)準(zhǔn)高度規(guī)定我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001)規(guī)定：以10m高為標(biāo)準(zhǔn)高度。橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：以20m高為標(biāo)準(zhǔn)高度。2.標(biāo)準(zhǔn)地貌的規(guī)定按照空曠平坦地面3.平均風(fēng)的時(shí)距平均風(fēng)速是一定時(shí)間間隔內(nèi)風(fēng)的平均速度。時(shí)距大平均風(fēng)速小，時(shí)距小平均風(fēng)速大。我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001)規(guī)定：基本風(fēng)速的時(shí)距為10min；橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：基本風(fēng)速的時(shí)距為1－3s。4.最大風(fēng)速的樣本時(shí)間樣本時(shí)間對(duì)風(fēng)速的影響比較大，影響我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)每年季節(jié)性的重復(fù)，我國(guó)規(guī)定最大風(fēng)速的樣本時(shí)間為一年。5.基本風(fēng)速的重現(xiàn)期它是若干年內(nèi)的最大風(fēng)速，大于該值風(fēng)速的時(shí)間間隔，稱(chēng)為重現(xiàn)期。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重現(xiàn)期為50年；橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為100年。2.非標(biāo)準(zhǔn)地貌的換算圖3－4為典型不同地貌下風(fēng)速隨高度的變化圖表3－4各種地貌條件下風(fēng)速變化指數(shù)，梯度風(fēng)高度HT的參考值。非標(biāo)準(zhǔn)地貌的換算公式為：3.風(fēng)壓高度變化系數(shù)概念：把任意粗糙度任意高度處的風(fēng)壓wa(z)與標(biāo)準(zhǔn)粗糙度下標(biāo)準(zhǔn)高度處的基本風(fēng)壓wo之比稱(chēng)為風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz(z)。

我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮設(shè)計(jì)使用的方便，綜合用風(fēng)壓高度變化系數(shù)來(lái)考慮不同高度、不同地貌的影響。根據(jù)地貌類(lèi)別（A、B、C、D類(lèi)見(jiàn)P55)和高度按表3－5采用。4.不同時(shí)距的換算

根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出不同時(shí)距與10min時(shí)距風(fēng)速的平均比值見(jiàn)表3－6。5.不重現(xiàn)期的換算

根據(jù)外國(guó)規(guī)范和我國(guó)的統(tǒng)計(jì)資料，用概率統(tǒng)計(jì)的方法可以計(jì)算出不同重現(xiàn)期與常規(guī)50年重現(xiàn)期風(fēng)壓的比值，見(jiàn)公式3－14和表3－7。3.3結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念3.3.1結(jié)構(gòu)的風(fēng)力與風(fēng)效應(yīng)1.風(fēng)力任意水平風(fēng)作用在任意截面的物體表面上都會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓，風(fēng)壓沿物體表面的積分可求得分力。它包括三種力：順向風(fēng)力PD、橫向風(fēng)力PL和扭風(fēng)力矩PM。見(jiàn)圖3－5。2.風(fēng)效應(yīng)

有風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度統(tǒng)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)。3.3.2順風(fēng)向平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)根據(jù)實(shí)測(cè)資料可得到順向風(fēng)速的時(shí)程曲線，見(jiàn)圖3－6。包括兩種成分即長(zhǎng)周期成分（稱(chēng)為平均風(fēng)、穩(wěn)定風(fēng)）和短周期成分（脈動(dòng)風(fēng)、陣風(fēng)）。1.平均風(fēng)：周期大于結(jié)構(gòu)的自振周期，動(dòng)力作用小，可將其視為等效靜力側(cè)向荷載。2.脈動(dòng)風(fēng)：周期接近結(jié)構(gòu)的自振周期，動(dòng)力作用大，設(shè)計(jì)時(shí)考慮其動(dòng)力效應(yīng)。2.漩渦脫落頻率（fs)當(dāng)空氣流經(jīng)結(jié)構(gòu)物時(shí)，在結(jié)構(gòu)物一定位置形成渦流，以一定的周期脫落。公式如下：

試驗(yàn)表明：氣流脫落頻率或斯托哈羅數(shù)與氣流的雷諾數(shù)有關(guān)。3.4順風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)3.4.1順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)1.風(fēng)荷載體型系數(shù)（μs）風(fēng)在結(jié)構(gòu)物表面引起的實(shí)際壓力或吸力與按公式3－3計(jì)算壓力或吸力的比值，即μs＝

w實(shí)際/w計(jì)算。μ

s與結(jié)構(gòu)物體型、尺度、周?chē)h(huán)境、地面的粗糙程度等有關(guān)，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)，常見(jiàn)的風(fēng)載體型系數(shù)見(jiàn)表3－9。2.脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)位移用振型分解法求解運(yùn)動(dòng)方程，由于結(jié)構(gòu)的阻尼一般較小，各振型的相關(guān)性較弱，一般第一振型主要作用，可解得在脈動(dòng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的位移見(jiàn)公式3－23。3.脈動(dòng)風(fēng)作用下等效風(fēng)作用力根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論可求得大小作用力見(jiàn)公式3－28。4.脈動(dòng)增大系數(shù)§計(jì)算公式見(jiàn)3－29，使用時(shí)查表3－105.脈動(dòng)影響系數(shù)u或（γ）的計(jì)算（1）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于其高度時(shí)若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻時(shí)查表3－11。當(dāng)結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面和背風(fēng)面的寬度沿高度按直線變化時(shí)，按照表3－11，再乘以修正系數(shù)見(jiàn)表3－12，為建筑物迎風(fēng)面載高度Z處的寬度與底部可得的比值。（2）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大，外形、質(zhì)量沿高度均勻，查表3－133.4.3順風(fēng)向總效應(yīng)順風(fēng)向總效應(yīng)為順風(fēng)向平均效應(yīng)與脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)的線形組合，或?qū)㈨樝蝻L(fēng)平均風(fēng)壓（靜風(fēng)壓）與脈動(dòng)風(fēng)壓之和表達(dá)為順風(fēng)總風(fēng)壓。見(jiàn)換算3－34和3－35?！纠}3－2】某高層建筑，平面形狀為矩形，總高H=150m，寬B=40m，頂層層高h(yuǎn)=4m，。與風(fēng)有關(guān)的參數(shù)如下：地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，基本風(fēng)壓Wo＝0.45KN/m，結(jié)構(gòu)的基本自振周期T1=2s。求:作用在結(jié)構(gòu)頂層的風(fēng)力？解（1）求

μ

z，μ

s查表3－5μ

z＝2.38；查表3－9μ

s

＝1.3（2）求v、

§由H/B=3.75、B類(lèi)，查表3－15得v＝0.475由wo*T12=1.8，查表3－10得§＝1.52(3)求φ1（z）=0.9854(4)求w頂或F頂。3.5橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)3.5.1.結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向風(fēng)力當(dāng)雷諾數(shù)在亞臨界范圍和跨臨界范圍內(nèi)時(shí)，漩渦的脫落是有周期性，即橫向風(fēng)的作用是有周期性的。因此，在該范圍內(nèi)是橫向風(fēng)作用力表達(dá)式為：試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)漩渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)橫向自振基本頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振。但當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，漩渦脫落頻率并不進(jìn)行增大，而是保持常數(shù)，即結(jié)構(gòu)自振頻率控制了漩渦脫落頻率，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為鎖定。但當(dāng)風(fēng)速對(duì)于結(jié)構(gòu)共振風(fēng)速的1.3倍左右時(shí)，漩渦脫落頻率才繼續(xù)增加，見(jiàn)圖3－10。由以上可知：對(duì)于較高的建筑物，當(dāng)收到橫風(fēng)向風(fēng)載時(shí)，沿高度方向結(jié)構(gòu)橫向受到三種不同性質(zhì)的橫風(fēng)向作用力。見(jiàn)圖3－11?？缗R界范圍設(shè)計(jì)時(shí)考慮橫風(fēng)作用超臨界范圍設(shè)計(jì)時(shí)不考慮橫風(fēng)作用亞臨界范圍設(shè)計(jì)時(shí)采取構(gòu)造措施3.5.3結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)只有在跨臨界范圍時(shí)考慮1.