荷载与结构设计方法第4章 风荷载

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
脉动风荷载的空间相关性系数: 竖直方向的相关系数:
10 H 60e H / 60 60 z H
水平方向的相关系数:
x
10 B 50e B / 50 50 B
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构振型系数： 振型：结构在振动中各质点的相对位移。
承重结构： wk=βzμsμzw0
围护结构：wk=βgzμslμzw0
思考：公式中各系数的意义是什么？
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
计算步骤：

确定基本风压 确定风荷载体型系数或局部风压体型系数 确定风压高度变化系数 确定结构基本周期 确定脉动风荷载的空间相关系数 确定振型系数 确定脉动风荷载的背景分量因子 确定脉动风荷载的共振分量因子 确定风振系数。 确定风荷载标准值
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风压分布规律
停滞点 旋涡区 驻涡区 尾流区
有旋涡的地方可能会产生负压 立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小 平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风压分布规律
_ _ + _
_
5°
+ 5°
+ 30°
(a )
wk10 wk9 wk 8 wk7 wk6 wk5 wk4 wk3 wk2 wk1
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（1）风荷载体型系数
该高层建筑平面为正方形，高宽比D/B=1，μs=1.4。
（2）风压高度变化系数
由教材表4-8，根据场地粗糙度类别为C类，可查出各区段中点位置 的风压高度变化系数，列于表4-11中。
D
封闭式矩形平面房屋的局部体型系数 非直接承受风荷载的围护构件的折减系数
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B
第4章

风荷载
顺风向结构风效应-平均风与脉动风
υf( t )
υ
υf
t
平均风：静力荷载 脉动风：结构振动，引起结构顺风向振动的主要原因
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第4章

风荷载
顺风向结构风效应-风振系数
z 1 2 gI 10 Bz 1 R 2
θ
L
来流风向
B
同经验表格4-9相比，新规范中的建筑群体相互干扰系 数规定略显模糊，且数值偏小
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第4章

风荷载
风压-局部体型系数
E/5
在角隅、檐口、边 棱处和在附属结构 的部位，局部风压 会超过按风荷载体 型系数计算出的平 均风压。
H
Sa
Sb
迎风面 侧面
Sa Sb
1.0 -1.4 -1.0 -0.6
3
第4章

风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素——时距
v
短时距 长时距
t
思考：时距越大，平均风越大还是越小？Why?
4
第4章

风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素——高度、地面粗糙度
随高度增加而增大，地面越粗糙，加速度越慢
5
第4章

风荷载
风压-基本风速
地面粗糙度四中分类： A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇 C：有密集建筑群的城市市区 D：有密集建筑群且房屋较高的城市市区
其物理意义与动力系数相似，用增大系数×静载效应 的方式近似考虑振动影响 其大小由随机振动理论计算得出
设计时查《荷载规范》8.4.3条
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
脉动风荷载的共振分量因子R：
x12 R 6 1 (1 x12 ) 4 / 3
30 f1 x1 ( x1 5) kw w0
x、ζ1、kw、f1分别表示什么意思，如何计算？
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
脉动风荷载的背景分量因子Bz :
1 ( z ) Bz kH x z z ( z)
1
k、 α1、 ρx、 ρz、Φ1 (z)、 μz (z)分别表示什么意思，如 何计算？
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第4章
风压高度变化系数：任一高度、任一地貌条件下的风 压与基本风压的比值，表4-8。
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第4章

风荷载
侧风面
_
风压-风荷载体型系数：风压分布规律
迎wenku.baidu.com面
+
_
背风面
_
侧风面
结构物多带棱角→会形成旋涡→风压分布不均 迎风面由于气流正面受阻产生风压力 侧风面和背风面由于旋涡作用引起风吸力 迎风面中部大，侧风面和背风面的角部大
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-阵风系数
阵风系数：在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平 均风要大所乘的系数
α
βgz
z 1 2gI10 10
阵风系数，可以 理解为阵风风速 与平均风速的比 值。
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
解：
风 荷 载 标 准 值按 wk=βzμsμzw0 计 算 ， 为简化起见，将建筑物沿高度分为10个区
段，每个区段的高度均为10m，取其中点
位置的风荷载作为该区段的平均风荷载。 由于该建筑的总高度为 100m ，基本风压 应 按 50 年 一 遇 风 压 值 的 1.1 倍 取 用 ， 即 w0=1.1×0.55=0.605kN/m2
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：定义及确定方法
风洞试验： 选测点，测建筑物表面上顺风 向的静风压力，再除以建筑物 前方来流风压，即得该点的风 压力系数。 各测点系数取加权（类似于柱 的从属面积）平均值，得到风 荷载体型系数。
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风洞简介
海洋平台风浪试验
人工降雨
哈尔滨工业大学风浪联合实验室
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风洞简介
风洞实验室外观
东方明珠塔
同济大学汽车风洞实验室
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风洞简介
同济大学汽车风洞实验室
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风洞简介
同济大学汽车风洞实验室
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风灾
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构基本周期经验公式——高耸结构：
T1 (0.007 ~ 0.013) H
钢结构可取高值，钢筋混凝 土结构可取低值。对于具体 的高耸结构，如烟囱和石油 化工塔架，其基本自振周期 的计算有更为精确的公式， 可参考《荷载规范》附录 F.1.2。
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第4章
距海岸距离（km） ＜40 修正系数η 1.0
40~60 1.0~1.1
60~100 1.1~1.2
海面上的摩擦力比陆地小，风速大 海陆温差，空气对流，增大了海边的风速
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第4章

风荷载
风压-风压高度变化系数
新规范提高了C、D两类地 面粗糙度（大城市市区）的 梯度风高度，why?
梯度风高度：风速从 地面到高空，逐渐增 大，直至某一高度趋 于稳定，这个高度即 为梯度风高度。
（4）各区段中点高度处的风荷载标准值
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（5）风荷载引起的基底弯矩值
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第4章

风荷载
，
横风向结构风效应
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第4章

风荷载
， 横风向结构风效应-考虑对象
塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构
一阶振型
二阶振型
三阶振型
对顺风向响应一般可仅考虑第1振型的影响 对横风向的共振响应，一般考虑4个振型的影响
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构振型系数：
上大下小
比较均匀
上小下大
弯曲型：高耸结构（或剪力墙结构） 弯剪型：高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时 剪切型：低层建筑结构
塔克马海峡大桥 853m
开车体会开船的 感觉 19m/s，共振 好莱坞拍电影
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风灾
塔克马海峡大桥新桥
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：风灾
塔克马海峡大桥新桥
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：取值
圆形：0.8
一般的矩形：1.3 正多边形： V形、Y形、弧形等：1.4 《荷载规范》7.3.1条
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第4章

风荷载
风压-基本风压的采用
按新版《高规》的规定，超过60m的高层建筑，在计算风 荷载作用下构件的承载力时，风压值取基本风压的1.1倍； 在计算风荷载作用下结构或构件的变形时，风压值仍取基 本风压。
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第4章

风荷载
风压-山区基本风压
C
山峰和山坡，顶部B处的修正系数：
B
z
B H
A
α
C
d1 d2
A
α
d
4d
2
z ηB 1 κtan 1 2.5H
山间盆地、谷地等闭塞地形，取η＝0.75~0.85；对于与 风向一致的谷口、山口，取η＝1.20~1.50。
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第4章

风荷载
风压-远海海面和海岛风压
思考：海面风大还是陆地风大？
(b )
(c )
_
+ _
+
+ 5°
+ 30°
+ 45°
(b )
(c )
(d )
坡度小,负压；30°,≈0；>45°,正压
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第4章

风荷载
风压-风荷载体型系数：定义及确定方法
定义：建筑物实际风压与理想风压的比值
确定方法： 理论分析：达不到 实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物中进行 风洞试验：选测点→实测风压/理想风压→加权平均→ 风荷载体型系数
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第4章

风荷载
风压-基本风速
Q( t)
风荷载影响因素——重现期
p 1, r 50, 1
o
T
t
重现期越长，风速越大，风压也越大 哈尔滨： 10年 —0.35，50年—0.55，100年—0.70 图 7-6 风、雪活荷载的实用化样本函数
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第4章

风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素总结： 时距越大，风速越小 高度越大，风速越大（梯度风高度范围内） 地面越粗糙，风速越小 重现期越长，风速越大
第4章 风荷载

风的基本知识 风压 顺风向结构风效应

横风向结构风效应 扭转风振 风荷载组合工况
第4章

风荷载
风的基本知识
风的形成 两类性质的风 风力等级
风对建筑物的影响： 风压，水平力 风振，包括顺风向风振和横风向风振
2
第4章

风荷载
风压-基本风速
标准条件： 空旷平坦地面 距离地面10m高 取10min平均风速作为一个样本 取1年内的最大样本作为年最大风速 取50年或100年内最大的年最大风速，作为基本风速 对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按100年重现 期的风压值采用（>60m）
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第4章

风荷载
风压-风速与风压的关系
理想状态：
流向 小股气流 高压气幕 建筑物
w1d A
(w1 + dw1 )d A
dl
压力线
(a )
1 2 1 2 w v v 2 2g
9
w = 1 ρv2 2
(b)
第4章

风荷载
风压-风速与风压的关系
1 2 w v 2
比窦娥还冤的某农牧学院

风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构基本周期经验公式——高层结构：
T1 (0.10 ~ 0.15)n
钢结构
T1 (0.05 ~ 0.10)n
钢筋混凝土结构
T1 0.25 0.53103 3
H2 B
T1 0.03 0.03 3
H B
钢筋混凝土框架、框剪结构
钢筋混凝土剪力墙结构
0.8
s 0.8 1.2 / n
0.8 -0.5
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第4章

风荷载
风压-群体风压体型系数
美国硅谷
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第4章

风荷载
风压-群体风压体型系数
中国上海
29
第4章

风荷载
风压-群体风压体型系数
B
当L/B≥7.5时，增大系 数取1.0（不考虑） 当L/B≤3.5时，顺风向 增大系数及当L/B≤2.5时 横风向增大系数按表4-9 取值
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
不同高度结构 风荷载总值的 新旧差异，说 明了什么？
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第4章

风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
例题：
某钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布， 截面为正方形，房屋总高度 H=100m ，迎风面宽度 B=45m ，建于 C 类地区，基本风压值w0=0.55kN/m2，求垂直于该建筑物表面上的风 荷载标准值及建筑物基底弯矩。