1、第3章 风 荷 载 风的有关知识 风压 风压高度变化系数 风荷载体型系数结构抗风计算的几个重要概念顺风向结构风效应横风向结构风效应结构总风效应思考题本章内容一、风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。在低空受指向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯度指向高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图 3.1 所示的全球性南北向环流。风的有关知识 二、两类性质的大风1.台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空，若有
2、一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直至增强为台风。2.季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。三、我国风气候总况 (1)台湾、海南和南海诸岛由于地处
3、海洋，常年受台风的直接影响，是我国最大的风区。(2)东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在离海岸100km处，风速约减小一半。(3)东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与寒潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。黑龙江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里的风速不大。(4)青藏高原地势高，平均海拔在45 km，属较大风区。(5)长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒潮风到此也是强弩之末。(6)云贵高原处于东亚大气环流的死
4、角，空气经常处于静止状态，加之地形闭塞，形成了我国的最小风区。四、风级13级 风力等级名称海面状况浪高/m海岸渔船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速一般最高km/hmile/hm/s0静风-静静、烟直上1 0.3时，取tan=0.3；k系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；H山顶或山坡全高(m)；z建筑物计算位置离建筑物地面的高度(m)，当z2.5H时，取z=2.5H。风压高度变化系数表3-5 风压高度变化系数 0风压高度变化系数 山坡和山峰的其他部位如图3.3所示，取A、C处的修正系数、为1，AB间和BC间的修正系数按 的线性插值确定。风压高度变化系数 (2)山间盆地、谷地等闭塞地形
5、=0.750.85；对于与风向一致的谷口、山口，=1.201.50。对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，除由表3-5确定外，还应考虑表3-6中给出的修正系数。表3-6 远海海面和海岛修正系数距海岸距离/km40406060100修正系数1.01.01.11.11.2风荷载体型系数一、单体风载体型系数（表3-7）图 3.4 所示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的分布，设计时可以直接取用。图中风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。图3.4 封闭式双坡屋面
6、风荷载体型系数风荷载体型系数二、群体风压体型系数 当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数 乘以相互干扰增大系数，该系数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。风荷载体型系数三、局部风压体型系数 验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用：(1)建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范(GB 500092001)表7.3.1中风荷载体型系数采用。(2)建筑物外表面负压区，对墙面取 1.0；对墙角边取 1.8；对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10的屋脊部位)取
7、 2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取 2.0。(3)对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取 0.2或+0.2。结构抗风计算的几个重要概念一、结构的风力与风效应水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压沿表面积分可求出作用在结构的风力，结构上的风力可分为顺风向风力、横风向风力 及扭风力矩，如图3.5所示。式中，B结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸；顺风向的风力系数，为迎风面和背风面体型系数的总和；，分别为横风向和扭转力系数。212DDPv B212lLlv B212MMPv BMDl图3.5 作用于结构上的风力 结构抗风计算的几个重要概念二、顺风向平
8、均风与脉动风 实测资料表明，顺风向风速时程曲线中，包括两种成分(图3.6)：一种是长周期成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据上述两种成分，应用上常把顺风向的风效应分解为平均风(即稳定风)和脉动风(也称阵风脉动)来加以分析。图3.6 平均风速和脉动风速 平均风相对稳定，可以忽略，可将其等效为静力作用。脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，使结构产生动力响应。实际上，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。结构抗风计算的几个重要概念三、横风向风振横风向风振是由不稳定的空气动力作用造成的，它与结构
9、截面形状及雷诺数有关，空气在流动中，对流体质点起着重要作用的两种力：惯性力和粘性力。雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动力相似。雷诺数 可表示为：(3-11)式中，空气密度(kg/m3)；v计算高度处风速(m/s)；D结构截面的直径(m)，或其他形状物体表面特征尺寸；动粘性系数，。在式(3-11)中代入空气动粘性系数1.45l0-5m2/s，则雷诺数 可按下式确定：=69000vD (3-12)R e222()v DvDvDRevDDRe2/2v结构抗风计算的几个重要概念 为说明横风向风振的产生，以圆截面柱体结构为例。当空气流绕过圆截面柱体时(图3.7(a)，沿上风面AB速度逐渐
10、增大，到B点压力达到最低值，再沿下风面BC速度又逐渐降低，压力又重新增大，但实际上由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦要消耗部分能量，因此气流实际上是在BC中间某点S处速度停滞，漩涡就在S点生成，并在外流的影响下，以一定的周期脱落(图3.7(b)，这种现象称为卡门(Karman)涡街。设脱落频率为 ，并以无量纲的斯脱罗哈(Strouhal)数Sr=来表示，其中D为圆柱截面的直径，v为风速。sfsf Dv(a)空气流绕过圆截面柱体 (b)漩涡周期脱落 图3.7 漩涡的产生与脱落 结构抗风计算的几个重要概念当气流漩涡脱落频率 与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振，即产生横风向风振。对于其他
11、截面结构，也会产生类似圆柱结构的横风向振动效应，但Strouhal数有所不同，表3-8显示了一些常见直边截面的Strouhal数。表3-8 常用截面的Strouhal数Re253 103.0 10Resf亚临界范围超临界范围跨临界范围顺风向结构风效应一、风振系数 脉动风是一随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。分析结果表明，对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于30m、高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，由于频谱比较稀疏，第1振动起到控制作用，此时可以仅考虑结构第1振动的影响，通过风振系数来计算结构的风荷载。结构在z高度处的风振系数
12、可按下式计算：(3-13)式中，脉动增大系数；脉动影响系数；振型系数；风压高度变化系数。1zzz zz顺风向结构风效应二、脉动增大系数 脉动增大系数 可由随机振动理论导出，此时脉动风导出并经过一定的近似简化，可得到：(3-14a)(3-14b)式中，结构的阻尼比，对钢结构取0.01，对有墙体材料填充的房屋结构取0.02，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05；考虑当地地面粗糙度后的基本风压；T1结构的基本自振周期。0w20130/xwT4/322)1(6/1xx顺风向结构风效应将上述不同的结构参数及基本风压值代入式(3-14)可得到相应的脉动增大系数，为方便起见，制成脉动增大系数表3-9供设计时
13、查用。查表前计算 时，对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压。对A类、C类和D类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。20 1w T表3-9 脉动增大系数顺风向结构风效应三、结构振型系数 结构振型系数应根据结构动力学方法确定。对于截面沿高度不变的悬臂型高耸结构和高层建筑，在计算顺风向响应时可仅考虑第1振型的影响，根据结构的变形特点，采用近似公式计算结构振型系数。对于高耸构筑物可按弯曲型考虑，结构第1振型系数按下述近似公式计算：(3-15)对于高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑，结构第1振型系数按下述近似公式计算：(3-16)当悬臂型高耸结构的外形由
14、下向上逐渐收近，截面沿高度按连续规律变化时，其振型计算公式十分复杂。此时可根据结构迎风面顶部宽度BH与底部宽度B0的比值，按表3-10确定第1振型系数。234412()()()33zzzzHHH0.7tan()4zzH表3-10 截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数 顺风向结构风效应顺风向结构风效应四、脉动影响系数 脉动影响系数主要反映风压脉动相关对结构的影响，对于无限自由度体系，脉动影响系数可按下述公式确定：(3-17)由式(3-17)可知，脉动影响系数 涉及风压空间相关系数和脉动系数 f两个参数。风压空间相关系数是考虑风压脉动空间相关性的折算系数，可由随机振动理论导出，主要与受风面上两
15、点的距离有关，随两点间距离的增大减小，呈指数衰减规律。脉动系数 为脉动风压与平均风压之比。因脉动风压随高度变化不大，而平均风压随高度而增大，故脉动系数随高度增加而减小。根据国内实测，并参考国外资料取：(3-18)为方便工程技术人员进行设计，建筑结构荷载规范(GB 500092001)对于高耸结构和高层建筑，考虑结构外形和质量沿高度分布的不同状态，给出了脉动影响系数表3-11供设计时直接查用。2ddfzzzzz 1.8(0.16)0.5 3510fz顺风向结构风效应表3-11 脉动影响系数顺风向结构风效应 1.结构迎风面较小的情况 对于结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)，若外形、质
16、量沿高度比较均匀，脉动系数可按表3-11采用。当高耸结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线规律变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表3-11中的脉动影响系数应再乘以修正系数B和 V。B应为构筑物迎风面在z高度处的宽度Bz与底部宽度B0的比值，可按表3-12确定。表3-12 修正系数 v顺风向结构风效应 2.结构迎风面宽度较大的情况 对于结构迎风面宽度较大的情况(如高层建筑等)，若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据结构总高度H及其与迎风面宽度B的比值，按表3-13采用。表3-13 脉动影响系数V（下页）表3-13 脉动影响系数V顺风向结构风效应五、结构基本周期经验公式 1.高耸
17、结构 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构为：T1=(0.0070.013)H (3-19)式中，H为结构物总高(m)。一般情况下，钢结构刚度小，结构自振周期长，可取高值；钢筋混凝土结构刚度相对较大，结构自振周期短，可取低值。顺风向结构风效应五、结构基本周期经验公式 2.高层建筑 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构：钢结构T1=(0.100.15)n(3-20)钢筋混凝土结构T1=(0.050.10)n(3-21)式中，n为建筑层数。对于钢筋混凝土框架和框剪结构可按下述公式确定：T1=0.25+0.5310-3(3-22)对于钢筋混凝土剪力墙结构可按下述公式确定：T1=0.03+0.03(3-2
18、3)式中，H房屋总高度(m)；B房屋宽度(m)。23HB23HB顺风向结构风效应六、阵风系数 对于围护结构，包括玻璃幕墙在内，脉动引起的振动影响很小，可不考虑风振影响，但应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数。阵风系数参照国外规范取值水平，按下述公式确定：(3-24)式中：脉动系数，按式(3-18)计算；k地面粗糙度调整系数：对A、B、C、D四种类型，分别取0.92、0.89、0.85、0.80。(12)gzfkf顺风向结构风效应六、阵风系数 阵风系数 也可根据不同粗糙度类别和计算位置离地面高度按表3-14采用。表3-14 阵风系数 gz顺风向结构风效应七、顺风向风荷载标准值 当
19、已知拟建工程所在地的地貌环境和工程结构的基本条件后，可按前述方法逐一确定工程结构的基本风压W0、风压高度变化系数 、风荷载体型系数 、风振系数 和阵风系数 ，和局部风压体型系数 ，即可计算垂直于建筑物表面上的顺风向荷载标准值。(1)当计算主要承重结构时，风荷载标准值Wk按下述公式计算：(3-25)(2)当计算围护结构时，风荷载中标准值wk按下述公式计算：0kzszWW 0kzszWW zszgz1s横风向结构风效应一、锁定现象 实验研究表明，当横风向风力作用力频率 与结构横向自振基本频率 接近时，结构横向产生共振反应。此时若风速继续增大，风漩涡脱落频率仍保持常数(图3.8)，而不是按式(3-2
20、7)变化。(3-27)只有当风速大于结构共振风速的1.3左右时，风漩涡脱落频率才重新按式(3-27)规律变化。将风漩涡脱落频率保持常数(为结构自振频率)的风速区域，称为锁住区域。Sr=sf Dvsf1f横风向结构风效应二、共振区高度 在一定的风速范围内将发生共振，共振发生的初始风速为临界风速，临界风速 可由式(3-27)导出：(3-28)式中，Sr斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2；结构第 振型自振周期。5crjjDDvTSrTjT横风向结构风效应二、共振区高度由锁定现象可知，在一定的风速范围内将发生涡激共振。对图3.9所示圆柱体结构，可沿高度方向取(1.01.3)的区域为锁定区，即共振区。对应
21、于共振区起点高度H1的风速应为临界风速 ，由式(3-3)给出的风剖面的指数变化规律，取离地标准高度为10m有：(3-29)可得：(3-30)jTcrv10()1 0c rvHv1/1010()crvHv横风向结构风效应 若取离地高度为H，则得H1的另一表达式：式中，H结构总高度(m)；v结构顶部风速(m/s)。1/1()crHvHHv 对应于风速1.3 的高度H2，由式(3-3)的指数变化规律，取离地标准高度为10m，同样可导出：式(3-32)计算出的 值有可能大于结构总高度，也有可能小于结构总高度，实际工程中一般均取 H 2=H，即共振区范围为 H H1。1/201.310()crvHv图3
22、.8 锁定现象图3.9 共振区高度横风向结构风效应三、横风向风振验算 对圆形截面的结构，应根据雷诺数 的不同情况进行横风向风振(漩涡脱落)的校核。当结构沿高度截面缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3结构高度处的风速和直径。(1)亚临界范围(3.0105)。对结构顶部风速 ，有：(3-33)式中，风荷载分项系数，取1.4;结构顶部风压高度变化系数；基本风压(kN/m2)；空气密度(kg/m3)。对临界风速vcr，有：Re02000WHHHcrWvvvHvWH0W115ScrtDDvTTHv横风向结构风效应式中，T1结构基本自振周期；Sr斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2。当结构顶部风速超
23、过vcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速vcr不小于15m/s。(2)超临界范围(3.0105 3.5106)。此范围漩涡脱落没有明显周期，结构的横向振动呈现随机特征，不会产生共振响应，且风速也不是很大，工程上一般不考虑横风向振动。(3)跨临界范围(3.5106)。当风速进入跨临界范围时，结构有可能出现严重的振动，甚至于破坏，国内外都曾发生过很多这类的损坏和破坏的事例，对此必须引起注意。ReRe横风向结构风效应 3.5106且结构顶部风速大于vcr时(跨临界的强风共振)，在z高处j振型的等效风荷载可由下式确定：(3-34)式中，计算系数，按表3-15采用，表中临界风速起始点高度
24、H1按式(3-31)确定；在z高处结构的j振型系数，由计算确定或参考表3-16确定；第j振型的阻尼比：对第1振型，钢结构取0.01，房屋钢结构取0.02，混凝土结构取0.05；对高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第1振型的值取用。Re22/12800 (kN/m)czjjcrzjjWvjzjjj横风向结构风效应横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同的振型发生共振效应。对跨临界的强风 共振，设计时必须按不同振型对结构予以验算。式(3-34)中的计算系数 是对 振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数。若临界风速起始点在结构底部，整个高度为共振区，它的效应最为严重，系数值最大；若临界
25、风速起始点在结构顶部，则不发生共振，也不必验算横风向的风振荷载。一般认为低振型的影响占主导作用，只需考虑前4个振型即可满足要求，其中以前两个振型的共振最为常见。Re横风向结构风效应表3-15 计算用表j横风向结构风效应表3-16 高耸结构和高层建筑的振型系数结构总风效应 在风荷载作用下，结构出现横向风振效应的同时，必然存在顺风向风载效应。结构的风载总效应应是横风向和顺风向两种效应的矢量叠加。风的荷载效应S可将横风向风荷载效应SC与顺风向荷载效应SA按下式组合后确定：(3-35)对于非圆形截面的柱体，如三角形、方形、矩形、多边形等棱柱体，都会发生类似的漩涡脱落现象，产生涡激共振，其规律更为复杂。对于重要的柔性结构的横向风振等效风荷载宜通过风洞试验确定。jT22CASSS
