高層風(fēng)荷載課件

高層風(fēng)荷載課件第1頁(yè)/共70頁(yè)

簡(jiǎn)要回顧Review圖1結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移與高度的關(guān)系HHN=f（H）M=f（H2）Δ=f（H4）內(nèi)力或位移

高層結(jié)構(gòu)中水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移往往起控制作用，那么，主要的水平荷載有哪些呢？這說(shuō)明了什么問(wèn)題？風(fēng)荷載地震作用第2頁(yè)/共70頁(yè)Chp.3高層建筑荷載§3.1風(fēng)荷載（Windloads）

本節(jié)重點(diǎn)（Emphases）基本風(fēng)壓值概念，確定方法風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算及系數(shù)含義橫風(fēng)向風(fēng)振:旋渦脫落，馳振,顫振,擾振等例題（結(jié)合工程實(shí)例）第3頁(yè)/共70頁(yè)Breeze，wind,storm3.1.1引言－風(fēng)災(zāi)實(shí)例

春風(fēng)和煦夏風(fēng)怡人秋風(fēng)颯颯……

很美好！但事物的另一面呢？第4頁(yè)/共70頁(yè)

古巴首都哈瓦那海濱大街2005.10.24颶風(fēng)“威爾瑪”掀起滔天巨浪，越過(guò)堤岸，拍打著樓房

hurricane第5頁(yè)/共70頁(yè)

2005.8.30美國(guó)新奧爾良，颶風(fēng)卡特里娜襲擊,80%的土地被淹，死亡上千人，410億美元的損失，2000億美元的重建費(fèi)用。05年全美先后遭受13次颶風(fēng)襲擊第6頁(yè)/共70頁(yè)颶風(fēng)麗塔襲擊美國(guó)第7頁(yè)/共70頁(yè)風(fēng)的威力！第8頁(yè)/共70頁(yè)2007.8.18臺(tái)風(fēng)圣帕福建登陸第9頁(yè)/共70頁(yè)第10頁(yè)/共70頁(yè)

風(fēng)災(zāi)實(shí)例

1926年9月美國(guó)邁阿密市Meyer-Kiser大樓（17層鋼框架）颶風(fēng)襲擊后發(fā)生塑性變形，頂部水平殘余位移竟達(dá)0.61m。第11頁(yè)/共70頁(yè)2005.9.26，?？谑兴{(lán)天路凡達(dá)大廈樓頂?shù)拇箬F皮，因被風(fēng)吹而懸掛在半空中，直接危及行人和路邊的高壓電線。

第12頁(yè)/共70頁(yè)風(fēng)對(duì)建筑物的損壞收費(fèi)站廣告牌第13頁(yè)/共70頁(yè)第14頁(yè)/共70頁(yè)新Tacoma橋1938年開(kāi)工建設(shè)，1940.7.1通車，1940.11.7塌毀，主跨長(zhǎng)853.4m，全長(zhǎng)1810.56m，橋?qū)?1.9m，梁高僅1.3m，中等風(fēng)速－19m/s新橋1950.10.14建成，懸索橋，加勁梁改為桁架式，比舊橋長(zhǎng)12m。Tacoma橋第15頁(yè)/共70頁(yè)

2007.2.28,2時(shí)05分，新疆吐魯番三十里風(fēng)區(qū)5807次列車因瞬間大風(fēng)（13級(jí)）造成11節(jié)車廂脫軌，3人當(dāng)場(chǎng)死亡，34人輕傷。第16頁(yè)/共70頁(yè)3.1.2兩類性質(zhì)的大風(fēng)臺(tái)風(fēng)，颶風(fēng)，熱帶風(fēng)暴季風(fēng)：冬季西北風(fēng)；夏季東南風(fēng)。臺(tái)風(fēng):大氣環(huán)流中的組成部分，風(fēng)速達(dá)到

33m/s以上，出現(xiàn)在西北太平洋和我國(guó)南海海域的熱帶低壓氣旋稱為

Typhoon。颶風(fēng):同樣地，發(fā)生在大西洋、加勒比海和北太平洋東部的則稱Hurricane，一天內(nèi)釋放的能量相當(dāng)于全美國(guó)半年的電力需求量。

熱帶風(fēng)暴：發(fā)生在印度洋附近的為tropicstorm(龍卷風(fēng)：伴隨臺(tái)風(fēng)等產(chǎn)生，作用時(shí)間短。

cyclone,tornado

)（麻省理工學(xué)院、以色列希伯來(lái)大學(xué)的兩支團(tuán)隊(duì)試圖改變颶風(fēng)方向以減小損失。2007-10-22北京青年報(bào)）第17頁(yè)/共70頁(yè)

3.1.3我國(guó)風(fēng)氣候總況大風(fēng)區(qū)東南沿海、青藏高原次大風(fēng)區(qū)東北、華北和西北

最大風(fēng)區(qū)

臺(tái)灣、海南和南海島嶼；小風(fēng)區(qū)長(zhǎng)江中下游、黃河中下游最小風(fēng)區(qū)云貴高原新疆山口風(fēng)瞬時(shí)最大可達(dá)64m/s！大約是12級(jí)風(fēng)的風(fēng)速的兩倍，相當(dāng)于18級(jí)風(fēng)和4級(jí)颶風(fēng)

第18頁(yè)/共70頁(yè)

3.1.4基本概念Conception

空氣從氣壓高的地方流動(dòng)到氣壓低的地方就形成了風(fēng)。風(fēng)遇到建筑物時(shí)，在建筑物表面產(chǎn)生壓力和吸力，這種風(fēng)力作用稱為風(fēng)荷載。第19頁(yè)/共70頁(yè)由流體力學(xué)中的伯努利方程可知

風(fēng)壓與風(fēng)速關(guān)系

風(fēng)

速

風(fēng)壓力在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，

約為沿海城市上海，上值約為高山地區(qū)的拉薩，上值約為空氣單位體積重力空氣質(zhì)點(diǎn)密度

(kg/m3)第20頁(yè)/共70頁(yè)2007.1.18，法國(guó)北部維姆勒，大風(fēng)卷起巨浪。

風(fēng)壓與風(fēng)速關(guān)系密切

一場(chǎng)強(qiáng)烈暴風(fēng)18日席卷西北歐多個(gè)國(guó)家，至少6人死亡。風(fēng)速最高達(dá)140km/h(約40m/s)。賴斯對(duì)德國(guó)的訪問(wèn)也因此提前結(jié)束。那么，計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，該如何確定風(fēng)速呢？第21頁(yè)/共70頁(yè)基本風(fēng)速基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)高度標(biāo)準(zhǔn)地貌平均風(fēng)速時(shí)距最大風(fēng)速樣本

最大風(fēng)速重現(xiàn)期概率分布曲線3.1.5基本風(fēng)壓

ReferenceWindPressureGB50009-2001,JGJ3-2002第22頁(yè)/共70頁(yè)基本風(fēng)壓應(yīng)按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定采用。對(duì)于特別重要或?qū)︼L(fēng)荷載比較敏感的高層建筑，承載力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用?；撅L(fēng)壓按離地10米高度，空曠平坦地面，50（100）年一遇，10分鐘平均最大風(fēng)速計(jì)算。第23頁(yè)/共70頁(yè)但基本風(fēng)壓不得小于

0.3kN/m2

對(duì)于特別重要或風(fēng)敏感的高層建筑，100年高度大于200m，平面不規(guī)則,立面復(fù)雜立面開(kāi)洞或連體周圍地形環(huán)境復(fù)雜宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)判斷確定風(fēng)荷載，以補(bǔ)規(guī)范的不足。第24頁(yè)/共70頁(yè)“珠江帆影”高層建筑群風(fēng)洞試驗(yàn)第25頁(yè)/共70頁(yè)第26頁(yè)/共70頁(yè)第27頁(yè)/共70頁(yè)第28頁(yè)/共70頁(yè)非標(biāo)準(zhǔn)高度換算非標(biāo)準(zhǔn)地貌的換算不同時(shí)距的換算不同重現(xiàn)期的換算山區(qū)、遠(yuǎn)海海面、海島應(yīng)修正3.1.6換算與修正第29頁(yè)/共70頁(yè)3.1.7風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

nominalvalueofwindload計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)(kN/m2)第30頁(yè)/共70頁(yè)1)風(fēng)振系數(shù)（順風(fēng)向）在風(fēng)的順風(fēng)向時(shí)程曲線中，會(huì)有兩種成分：長(zhǎng)周期--持續(xù)10分鐘以上－平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）靜力作用短周期--只有幾秒鐘左右－脈動(dòng)風(fēng)動(dòng)力作用時(shí)間風(fēng)速平均風(fēng)速實(shí)際風(fēng)速風(fēng)振動(dòng)作用T1≥0.25s的工程結(jié)構(gòu),以及H>30m且H/B>1.5的高柔房屋均應(yīng)按隨機(jī)振動(dòng)理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法考慮順風(fēng)向風(fēng)振的影響。對(duì)于一般懸臂結(jié)構(gòu)，如塔架，煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及可忽略扭轉(zhuǎn)影響H>30m,H/B>1.5的高層建筑，可以只考慮第一振型作用，按下式考慮風(fēng)振影響。第31頁(yè)/共70頁(yè)

脈動(dòng)增大系數(shù)，按照w0T12查表確定，v

脈動(dòng)影響系數(shù)，按照結(jié)構(gòu)總高度，高寬比，地面粗糙度類別查表確定振型系數(shù)，按照高聳結(jié)構(gòu)或高層結(jié)構(gòu)，根據(jù)振型號(hào)和相對(duì)高度查表確定第32頁(yè)/共70頁(yè)可按下表查用：

脈動(dòng)增大系數(shù)由隨機(jī)振動(dòng)理論導(dǎo)出，按達(dá)文波特Davenport建議的風(fēng)譜密度經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)化可得：第33頁(yè)/共70頁(yè)new第34頁(yè)/共70頁(yè)脈動(dòng)影響系數(shù)υ：反應(yīng)了風(fēng)壓脈動(dòng)相關(guān)性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于其高度的情況(如高聳結(jié)構(gòu)等)：若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動(dòng)系數(shù)可按下表確定。第35頁(yè)/共70頁(yè)

陣風(fēng)系數(shù)

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括玻璃幕墻，由于脈動(dòng)引起的振動(dòng)很小，可以不考慮風(fēng)振的影響，但是應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)壓的分布，即在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上乘以陣風(fēng)系數(shù)?？砂凑盏孛娲植诙阮悇e和計(jì)算高度查表確定。第36頁(yè)/共70頁(yè)

梯度風(fēng)高度：風(fēng)速由地面處為零沿高度按曲線逐漸增大，近地層氣流為湍流，受地面粗糙度影響，風(fēng)速沿高度增加的梯度不同，達(dá)到大氣邊界層后風(fēng)速受地面影響變小，大氣可以在氣壓梯度作用下自由流動(dòng)（層流），此時(shí)風(fēng)速稱為梯度風(fēng)速，而此時(shí)的高度稱為梯度風(fēng)高度。

梯度風(fēng)高度處風(fēng)壓相等。風(fēng)速隨高度的變化2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)第37頁(yè)/共70頁(yè)2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照地面粗糙度類別和距地面高度查表地面粗糙度分類－A近海海面、海島、海岸、湖岸、沙漠－B田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋稀少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城郊－C有密集建筑群的城市市區(qū)－D有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)第38頁(yè)/共70頁(yè)1以擬建房2km為半徑的迎風(fēng)半圓影響范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來(lái)區(qū)分粗糙度類別，風(fēng)向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向?yàn)闇?zhǔn)，但也可取其主導(dǎo)風(fēng)；2以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度來(lái)劃分地面粗糙度類別，D類:H≥18m，9m＜H≤18m，為C類，B類:H＜9m。3影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定,即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時(shí)，交疊部分的高度取大者；4平均高度取各面域面積為權(quán)數(shù)計(jì)算。地面粗糙度分類原則第39頁(yè)/共70頁(yè)2）風(fēng)壓高度變化系數(shù)離地面或海

平面高度地面粗糙度類別(m)ABCD5

10

15

20

30

40

50

601.17

1.38

1.52

1.63

1.80

1.92

2.03

2.121.00

1.00

1.14

1.25

1.42

1.56

1.67

1.770.74

0.74

0.74

0.84

1.00

1.13

1.25

1.350.62

0.62

0.62

0.62

0.62

0.73

0.84

0.93第40頁(yè)/共70頁(yè)(m)ABCD70

80

90

100

150

200

250

300

350

400

≥4502.20

2.27

2.34

2.40

2.64

2.83

2.99

3.12

3.12

3.12

3.121.86

1.95

2.02

2.09

2.38

2.61

2.80

2.97

3.12

3.12

3.121.45

1.54

1.62

1.70

2.03

2.30

2.54

2.75

2.94

3.12

3.12L02

1.11

1.19

1.27

1.61

1.92

2.19

2.45

2.68

2.91

3.122）風(fēng)壓高度變化系數(shù)第41頁(yè)/共70頁(yè)

3)風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)流經(jīng)建筑平面時(shí)的風(fēng)壓分布系數(shù)(表面風(fēng)壓/基本風(fēng)壓)駐渦區(qū)0.80.40.4-0.4-0.4-0.4-0.2-0.4邊界層尾渦區(qū)第42頁(yè)/共70頁(yè)

迎風(fēng)面背風(fēng)面

風(fēng)流經(jīng)建筑立面時(shí)的風(fēng)壓分布系數(shù)0.80.60.40.4-0.18-0.41-0.41-0.2-0.13第43頁(yè)/共70頁(yè)第44頁(yè)/共70頁(yè)第45頁(yè)/共70頁(yè)第46頁(yè)/共70頁(yè)群集高層應(yīng)考慮干擾效應(yīng)－－×干擾增大系數(shù)第47頁(yè)/共70頁(yè)第48頁(yè)/共70頁(yè)7.3.1房屋和構(gòu)筑物的風(fēng)載體型系數(shù)，可按下列規(guī)定采用:

1房屋和構(gòu)筑物與表7.3.1中的體型類同時(shí)，可按該表的規(guī)定采用；

2不同時(shí)，可參考有關(guān)資料采用；

3不同且無(wú)參考資料可以借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；

4對(duì)于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。（荷載規(guī)范）第49頁(yè)/共70頁(yè)風(fēng)壓力與風(fēng)吸力第50頁(yè)/共70頁(yè)圓形平面風(fēng)載體型系數(shù)最小0.8建筑物角隅邊棱處、陽(yáng)臺(tái)、檐口等突出處應(yīng)考慮風(fēng)壓分布不均勻性，即考慮局部風(fēng)載體型系數(shù)：外表面負(fù)壓區(qū)，墻面-1.0、墻角-1.8、屋面局部-2.2、檐口、雨蓬、遮陽(yáng)板等-2.0、封閉建筑內(nèi)表面按外表面風(fēng)壓正負(fù)取-0.2或+0.2第51頁(yè)/共70頁(yè)3.1.8總風(fēng)載（kN/m）

建筑物各個(gè)表面承受的風(fēng)力的合力為總風(fēng)載，是沿高度變化的分布荷載第52頁(yè)/共70頁(yè)總風(fēng)載計(jì)算步驟1.作用于建筑物第i個(gè)表面高度z處的風(fēng)荷載集度為式中2.整個(gè)建筑物高度Hi處風(fēng)載集度是各表面風(fēng)載之和（kN/m）第53頁(yè)/共70頁(yè)

總風(fēng)載計(jì)算步驟3.第i層樓處風(fēng)荷載合力Pi為4.荷載簡(jiǎn)化風(fēng)荷載可以按照底部總彎矩等效的原則轉(zhuǎn)化為倒三角形荷載（kN)（kN/m）第54頁(yè)/共70頁(yè)3.1.9橫風(fēng)向風(fēng)振通常，橫風(fēng)向風(fēng)力較順風(fēng)向風(fēng)力小得多超高層、煙囪、高聳塔架等由于氣流繞過(guò)截面時(shí)產(chǎn)生的旋渦又不斷脫落，可能會(huì)引起橫風(fēng)向的共振。用雷諾數(shù)Re判斷結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生橫風(fēng)共振

Re＝69000vD

v風(fēng)速D結(jié)構(gòu)直徑第55頁(yè)/共70頁(yè)3.0×102≤Re＜3.0×105亞臨界范圍微風(fēng)共振構(gòu)造抗振3.0×105≤Re＜3.0×106超臨界范圍

Re≥3.0×106

跨臨界范圍強(qiáng)風(fēng)共振考慮荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)圓筒式結(jié)構(gòu)臨界范圍的劃分第56頁(yè)/共70頁(yè)3.2.8高層建筑風(fēng)荷載應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的影響，橫風(fēng)向風(fēng)振的計(jì)算應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的有關(guān)規(guī)定。3.2.9考慮橫風(fēng)向風(fēng)振計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷載作用效應(yīng)應(yīng)按下列公式計(jì)算：第57頁(yè)/共70頁(yè)式中：S—為考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的風(fēng)荷載效應(yīng)；

SA—為順風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)；

SC—為橫風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)。第58頁(yè)/共70頁(yè)3.1.10馳振（galloping）通常，由于阻尼作用，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是穩(wěn)定的某些情況，外界激勵(lì)產(chǎn)生的負(fù)阻尼大于結(jié)構(gòu)正阻尼時(shí)，振動(dòng)不斷加劇，達(dá)到極值而破壞非圓截面才可能發(fā)生馳振也稱為橫風(fēng)向彎曲單自由度振動(dòng)第59頁(yè)/共70頁(yè)3.1.11顫振和抖振風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)－顫振彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)耦合－彎扭顫振

常出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中一結(jié)構(gòu)處于另一結(jié)構(gòu)的卡門渦道中，可能發(fā)生抖振

可能發(fā)生于密集高層建筑中第60頁(yè)/共70頁(yè)例題某11層鋼砼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地處市郊，基本風(fēng)壓0.5kN/m2，結(jié)構(gòu)總高度33.2m，底層3.2m，其余層3m，試求結(jié)構(gòu)橫向總風(fēng)載。已知結(jié)構(gòu)基本自振周期0.556s。平面如下圖，開(kāi)間7500，進(jìn)深6600mm，走廊2400mm，翼墻3000mm（從軸線算起），結(jié)構(gòu)軸線總長(zhǎng)60m，總寬15.6m第61頁(yè)/共70頁(yè)

第62頁(yè)/共70頁(yè)

本例題平面為矩形，迎風(fēng)面背風(fēng)面風(fēng)載體型系數(shù)之和

風(fēng)壓作用方向與計(jì)算方向夾角α＝0

所以沿建筑高度方向每米風(fēng)載

由于本建筑高度超過(guò)30m，高寬比大于1.5，所以還應(yīng)考慮風(fēng)振系數(shù)的影響，同時(shí)還應(yīng)考慮風(fēng)壓高度系數(shù)的影響

第63頁(yè)/共70頁(yè)按照B