等效静力法模拟风荷载的探讨

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等效风荷载计算方法分析

等效静力风荷载的物理意义从风洞试验获取屋面风荷载气动力信息，到得到结构的风振响应整个过程来看，计算过程中涉及到风洞试验和随机振动分析等复杂过程，不易为工程设计人员所掌握，因此迫切需要研究简便的建筑结构抗风设计方法。

等效静力风荷载理论就是在这一背景下提出的。

其基本思想是将脉动风的动力效应以其等效的静力形式表达出来，从而将复杂的动力分析问题转化为易于被设计人员所接受的静力分析问题。

等效静力风荷载是联系风工程研究和结构设计的纽带[3]，是结构抗风设计理论的核心内容，近年来一直是结构风工程师研究的热点之一。

等效静力风荷载的物理意义可以用单自由度体系的简谐振动来说明[45, 108]。

kcP(t)x(t)图1.3 气动力作用下的单自由度体系对如图1.3的单自由度体系，在气动力P t作用下的振动方程为：mx cx kxP t(1.4.1)考虑粘滞阻尼系统，则振动方程可简化为：200222P t xf x f xm(1.4.2)式中12f k m 为该系统的自振频率，2c km为振动系统的临界阻尼比。

假设气动力为频率为f 的简谐荷载，即20i ftP tF e ，那么其稳态响应为：2020012i ftF kx tef f if f (1.4.3)进一步化简有：2i ftx tAe(1.4.4)其中022212F kAf f f f ，22arctan1f f f f ，A 为振幅，为气动力和位移响应之间的相位角。

现在假设该系统在某静力F 作用下产生幅值为A 的静力响应，那么该静力应该为：22212F F kAf f f f (1.4.5)如果不考虑相位关系，静力F 与简谐气动力P t 将产生一致的幅值响应，则这两种荷载之间存在一种“等效”的关系，那么F 可以称为P t 的“等效静力风荷载”。

从上面这个简单的实例可以很清楚的体会到，所谓等效静力风荷载是指这样一种静力荷载，当把它作用于结构上时，其在结构上产生的静力响应（不仅指代位移响应，也包括内力响应等）与外加气动力荷载产生的动力响应最大幅值是完全相等的。

土木工程中的风荷载分析

土木工程中的风荷载分析在土木工程设计和建设中，风荷载是一个十分重要的考虑因素。

风荷载分析是指对建筑物或结构物在风力作用下所受的力的计算和评估。

这个过程需要考虑风的速度、方向、气压分布等因素，以确定结构物在潜在的风灾下的安全性能。

一、风荷载的基本原理风是由于大气运动引起的空气流动，而风荷载就是这种风对于建筑物及其他结构物表面施加的压力或力矩。

风荷载的大小与风速、风向、结构物形状和表面特征等相关。

二、风速的测定和分布风速是衡量风荷载的关键要素之一。

风速可以通过现场测量，或者根据历史和气象数据进行推算。

不同地区的风速分布状况不同，需要综合考虑多种因素来确定合适的统计分布曲线。

常见的风速分布模型有均匀模型、极值模型等。

三、风荷载的计算方法根据风荷载的计算方法不同，可以分为等效静力法和动力风压试验法。

等效静力法通过计算结构物表面所受风力的压力和力矩，来评估结构物的稳定性。

动力风压试验法则采用风洞试验等方法，通过模拟实际风场对结构物施加风压，以验证和优化设计。

四、风荷载对结构物的影响风荷载对结构物的影响主要体现在下列几个方面：1. 结构物的变形和振动：风力对结构物施加的压力会导致结构物产生变形和振动，从而对结构的稳定性和安全性带来影响。

2. 结构物的破坏：当风荷载超过结构物所能承受的极限时，可能引发结构物的破坏，造成严重的安全事故。

3. 阻力和控制装置：为了减小风荷载对结构物的影响，可以采取一些措施来增加阻力或安装控制装置，如改变结构物的形状、加装风向控制板等。

五、风荷载分析实例以下是一个常见的风荷载分析实例，以一个高层建筑为例：1. 收集相关数据：包括风速数据、地理位置、土地利用规划等。

2. 确定结构物参数：包括结构形式、高度、横截面特征等。

3. 选择风速分布模型：根据所在地区的气象数据和历史记录，选择合适的风速分布模型。

4. 计算风荷载：根据所选的风速分布模型和结构物参数，计算出风荷载的大小和作用方向。

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析

第17卷第22期2017年8月1671—1815(2017)022-0278-11科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 17 No.22 Aug. 2017©2017 Sci.Tech.Engrg.建筑科学大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析王子通1周岱(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院1,高新船舶与深海开发装备协同创新中心2,上海200240)摘要等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。

运用A n S y S软件进行结构风致响应时程分析，进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。

针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数，系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析，为工程设计提供参考依据。

研究表明，在〇°风向角下，屋盖结构等效静风荷载值最大；随着风向角增大，结构的等效静风荷载减小；随着结构高度和跨度的增加，结构等效静风荷载增大，且其分布发生变化；屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂，适当增大屋面坡度对结构抗风有利。

关键词等效静风荷载双坡屋面风向角高度中图法分类号T U312. 1; 文献标志码A双坡屋面结构是一种典型常见的屋面形式，具有自重轻、可用空间大、施工周期短、防水性能好、集受力与维护功能于一身等诸多优点，广泛应用于厂房、仓库、训练馆、加油站等建筑。

该类结构质量较轻，跨度较大，具有一定的柔性，为风敏感结构[1]。

目前中国建筑设计规范关于双坡屋面结构的风荷载描述主要为风载体型系数，对于刚性结构的风压分布模拟较为精确;然而对于柔性结构在脉动风作用下的结构响应不能有效描述[2]。

为了在设计中有效的考虑脉动风的作用，国内外学者提出了等效静风荷载（equivalent static wind loads,E SW L)的概念。

等效静风荷载是模拟风荷载的有效手段，将风荷载以静力形式表达，其在结构上产生的响应与实际风荷载产生的动力极值响应一致，结构所受的复杂动力学问题转化为简单的静力学问题，方便建筑结构的设计。

超高层建筑等效静力风荷载的反演法

超高层建筑等效静力风荷载的反演法超高层建筑的静力风荷载是建筑安全设计的重要内容，而等效静力风荷载是其中的一种常见计算方法。

本文将简要介绍超高层建筑等效静力风荷载的反演法。

一、等效静力风荷载的定义及计算方法等效静力风荷载是将风速、建筑物结构的面积和其局部风压系数等参数统一处理成静力效应的一种计算方法。

具体来说，等效静力风荷载可以表示为：P = Cpe × q × S其中，P表示等效静力风荷载，Cpe表示风压系数，q表示单位面积风压，S表示建筑面积。

等效静力风荷载的计算方法适用于结构风荷载相对简单的高层建筑，如三角形、圆形、矩形等简单形状的建筑。

在更加复杂的超高层建筑中，计算等效静力风荷载可能存在一定的难度，此时可以采用等效静力风荷载的反演法进行求解，即通过已知的等效静力风荷载来确定建筑物的风荷载分布。

该方法的步骤如下：1. 确定建筑物的受力区域建筑物的受力区域通常包括主体结构、幕墙、机电系统设备等，需要根据实际情况具体分析。

2. 确定风荷载分布通过分析建筑物所处地区的气象条件和风荷载标准，确定风荷载参数，并在建筑物受力区域内进行分布计算。

3. 确定静力等效荷载根据所得到的风荷载分布结果，采用数值计算方法反演得到静力等效荷载，如有必要还可进行修正。

4. 验证计算结果采用力学分析方法，通过计算得到的静载荷载，验证静力等效荷载的合理性，以确定计算结果的准确性。

1. 该方法适用于复杂的超高层建筑，计算精度较高；2. 该方法能够对建筑物的风荷载分布进行精确反演，有利于进一步分析结构的动力特性；3. 该方法可以为结构计算提供准确的风荷载参数，从而有效提高建筑物的抗风能力。

与此同时，等效静力风荷载反演法也存在一定的缺点：1. 该方法适用于静力等效荷载比较显著的建筑，无法处理局部非线性问题；2. 对于某些特殊区域，如较高的地形或建筑物集中的区域，该方法可能存在一定的误差。

因此，在进行等效静力风荷载计算时，需根据具体情况选用合适的方法。

钢结构设计中的风力荷载分析

钢结构设计中的风力荷载分析钢结构是一种广泛应用于建筑和桥梁等工程中的结构形式，其设计和施工需要考虑各种荷载，其中风力荷载是一个重要的设计参数。

本文将针对钢结构设计中的风力荷载进行分析，以帮助读者更好地了解和应用于实际工程中。

1. 风力荷载的基本概念风力荷载是指建筑或结构所受到的来自风的力量，其大小取决于风的速度、方向、建筑形状以及建筑表面的特性。

在钢结构设计中，风力荷载通常按照规范进行计算，以保证结构的安全性。

2. 风力荷载的计算方法钢结构的风力荷载计算可以采用多种方法，常见的有等效静力法和动力风洞试验法。

等效静力法适用于简单结构和低层建筑，通过将风力转化为等效的静力进行计算。

而动力风洞试验法则适用于复杂结构和高层建筑，通过在风洞中模拟真实风场，测量结构受力情况来进行分析。

3. 风荷载对钢结构的影响风荷载对钢结构具有明显的影响。

首先，风力的作用会导致结构的振动，特别是在高层建筑中更为明显，需要通过结构设计和增加抗风设施来保证结构的稳定性。

其次，风荷载会对结构的稳定性和疲劳造成影响，需要在设计中进行合理的防护和优化措施。

此外，风的方向和速度也会对结构的局部应力造成影响，需要进行相应的分析和计算。

4. 钢结构的抗风设计为了保证钢结构在风荷载下的安全性，需要采取一系列的抗风设计措施。

首先，结构的整体设计应基于具体工程的风荷载计算和规范要求进行，包括结构的刚度、强度和稳定性等方面的考虑。

其次，可以通过增加局部加强措施来增强结构的抗风能力，如增加结构连接件的数量和强度，采用风阻碍物等。

最后，对于高层建筑，还需要设计风振控制系统，如加装阻尼器、液柱等，以控制结构的振动。

5. 风力荷载的实际案例分析以某高层钢结构建筑为例，介绍风力荷载的具体分析。

该建筑位于暴露的山顶位置，因此风荷载是设计的重要考虑因素之一。

首先，通过风洞试验获取结构的风荷载参数，然后利用等效静力法进行计算，确定结构的设计风荷载。

接下来，根据设计风荷载和结构的特性，分析结构位移、应力等情况，确保结构的稳定性和安全性。

高层建筑中的风荷载分析

高层建筑中的风荷载分析高层建筑是城市的标志性建筑物，其设计和建造必须考虑到各种外部力的影响，其中风荷载是一个重要的因素。

随着城市化进程的加快，高层建筑的数量不断增加，风荷载分析成为了设计师和工程师必须重视的问题。

首先，在讨论风荷载分析之前，我们需要了解风的基本原理。

风是空气运动的一种形式，具有一定的力量。

当风吹过建筑物时，会产生侧向压力和吸力，这就是风荷载。

这种风荷载对高层建筑的结构和组件会产生不同程度的影响，因此对其进行准确分析是非常重要的。

其次，风荷载分析需要考虑多个因素，如建筑物的高度、形状、表面积和材料等。

不同高度处的风速有所差异，因此需要对高度进行分段计算。

同时，建筑物的形状也会影响风荷载的分布，例如圆柱形和方形建筑物所受到的风荷载分布不同。

此外，表面积和材料的不同也会影响风对建筑物的作用力。

然后，风荷载的分析方法也是多样的，常用的方法包括等效静力法、风洞实验和计算流体力学等。

等效静力法是一种简化的计算方法，通过将复杂的风荷载问题转化为等效的静力荷载问题来进行计算。

风洞实验是一种通过模拟真实风场进行物理实验来获取数据的方法，可以获得更准确的风荷载分布。

计算流体力学是一种基于数值模拟的方法，可以模拟风场的流动情况，更加精确地分析高层建筑中的风荷载。

风荷载分析不仅需要综合考虑建筑物的结构特点，还需要参考相关的国家标准和规范。

在我国，有关高层建筑风荷载的规范主要包括《建筑抗风设计规范》和《高层建筑结构设计细则》等。

这些规范对于不同类型的建筑物，在不同地区的设计和建造中都提供了具体的要求和指导。

最后，风荷载分析需要进行有效的风险评估。

由于高层建筑所受到的风荷载较大，因此在设计和建造过程中必须考虑到不同的荷载组合，以确保建筑物的结构安全和稳定。

通过对风的速度、方向、周期等参数进行分析，可以评估建筑物所面临的风险，并采取相应的安全措施。

综上所述，高层建筑中的风荷载分析是设计和建造过程中必不可少的一步。

等效静态载荷法的原理

等效静态载荷法的原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊等效静态载荷法这个有意思的玩意儿。

你说啥是等效静态载荷法呀？就好比你去搬东西，有个大箱子特别重，你一下子搬不起来。

但如果把这个大箱子换成几个小一点的东西，加起来和大箱子一样重，你就能分几次慢慢搬啦！这等效静态载荷法呀，就类似这个道理。

咱平常生活中也经常能碰到类似的情况呢！比如说，你要抬一个大桌子，一个人肯定费劲，可要是找几个人一起，每人分担一点力，不就轻松多啦？这其实就是把那个大的力等效成了几个小的力嘛。

在工程领域，这可就太重要啦！那些复杂的结构、机器啥的，受到各种力的作用，要是一个个去分析，那得把头都搞大咯！但有了等效静态载荷法，就可以把那些复杂的力转化成相对简单的静态力来研究。

就好像你把一团乱麻理清楚了，一下子就明白是咋回事啦！咱再打个比方，就像你走路，路上有各种石头、坑洼，你得小心地迈过去或者绕过去。

这就相当于结构受到的各种复杂力。

而等效静态载荷法呢，就是把这些复杂的情况变成一条平坦的路，让你能清楚地知道该怎么走。

你想想看，如果没有这个方法，工程师们得费多大的劲呀！得不停地计算、分析，还不一定能搞清楚。

但有了它，就像有了一把神奇的钥匙，能打开复杂问题的大门。

而且哦，这方法还特别实用呢！不管是造大桥、建高楼，还是设计小汽车，都离不开它。

它能让我们更好地理解结构的受力情况，保证我们的建筑、机器安全可靠。

你说，这等效静态载荷法是不是很牛呀？它就像一个幕后英雄，默默地为我们的生活提供保障。

我们每天走过的桥、住的房子、坐的车，都有它的功劳呢！所以呀，可别小看了这个看似简单的方法，它的作用可大着呢！总之呢，等效静态载荷法就是这么个神奇又实用的东西，它让我们的工程世界变得更加美好，更加安全。

怎么样，是不是对它有了更深的认识啦？。

等效静力法模拟风荷载的探讨

等效静力法模拟风荷载的探讨摘要：本文应用CAESAR II软件采用等效静力法模拟风荷载，详细介绍如何编辑风荷载校核工况，进行加入风荷载的一次应力校核和导向支架的受力评定。

关键词：CAESAR II 风荷载校核管道工况编辑；Discussion on Simulating Wind Load with Equivalent Static MethodZHANG Xian-yue LIU Junchen（CPECC East-china Design Branch，Qingdao 266071，China）Abstract：The paper uses the equivalent static method to simulate the wind load in CAESARII software，particularly presents how to edit the wind load checking condition，and provides the method to how to consider the the primary stress of wind load and the forces of the guide supports.Key words：CAESAR II；wind load；check；pipeline；edit condition；CAESARII软件是由美国COADE公司研制开发的专业管道应力分析软件，它是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，它可以进行静力分析也可以进行动力分析[1]。

在炼油厂中，管道在工作状态下，除了要承受压力、重力、其他持续荷载作用，还要承受风荷载偶然荷载的作用，ASME B31.3[2]和GB50316[3]要求偶然荷载产生的一次应力不得超过操作状态许用受力的1.33倍。

严格的说，风荷载属于动力荷载，应该采用动力学方法进行分析。

大跨空间钢结构时域等效静力风荷载理论研究_江勇

第31卷第2期 2008年2月合肥工业大学学报(自然科学版)JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GYVol.31No.2 Feb.2008收稿日期:2006 12 22基金项目;建设部软科学研究资助项目(2007 k3 11)作者简介:江勇(1976-),男,安徽安庆人,中国建筑科学研究院工程师;王肈民(1933-),男,北京市人,同济大学教授,博士生导师.大跨空间钢结构时域等效静力风荷载理论研究江勇1,2, 王肈民2, 王洪涛1(1.中国建筑科学研究院,北京 100044; 2.同济大学土木工程学院,上海 200092)摘要:文章首先介绍了频域中静力等效风荷载的确定方法,如GL F 方法、L RC 方法等。

借鉴其概念和思想,完整提出了时域分析方法计算风致响应后的等效静力风荷载求解体系,通过对上海世茂中庭幕墙及采光顶支承体系的分析,证明了该方法的可行性。

对于该方法出现的类似于GL F 理论(Gust L oading Facto r,阵风荷载因子法)的零均值问题,文章提供了直接比较等效荷载能否成为结构抗风设计控制因素的附加措施。

关键词:时域分析方法;等效静力风荷载;G LF 方法;LR C 方法中图分类号:T U 393.3 文献标识码:A 文章编号:1003 5060(2008)02 0202 05Study in time domain on equivalent staticwind load of large span steel structureJIANG Yong 1,2, WANG Zhao min 2, WANG H ong tao1(1.Ch ina Academ y of Building Research ,Beijing 100044,China; 2.Sch ool of Civil Engineering,T ongji University,Shanghai 200092,C hina)Abstract:This paper first introduces so me determ ining methods for calculating equivalent static w ind load in frequent domain,such as GLF m ethod,LRC method,and so on.Then the paper puts forw ard a new com plete sy stem used in the equivalent static w ind load o f the glass curtain w all,skylig ht and roof structures in tim e dom ain.With the analy sis o f the supported system o f curtain w all and skylight of Shi Mao Pr oject in Shanghai,the above method is verified to be feasible.A im ed at the zero m ean w ind loads and response w hich appeared in the GLF m ethod,the article advances so me adjunctive measures that are used to estimate directly w hether the equivalent w ind load is the key facto r.Key words:analysis method in the tim e domain;equiv alent static w ind load;g ust loading factor(GLF)method;load respo nse co rrelation(LRC)metho d 目前研究结构在风荷载作用下的随机动力响应,在理论上主要有2种方法: 频域法,是按照随机振动理论,建立输入风荷载谱的特性与输出结构响应之间的直接关系; 时域法,是将风荷载时程直接作用在结构上,然后通过逐步积分法分析结构的动力响应。

高层建筑施工中的风荷载分析与抗风设计

高层建筑施工中的风荷载分析与抗风设计高层建筑的施工过程中，风荷载是一个需要重视的问题。

在设计和施工阶段，风荷载的准确分析和抗风设计是确保建筑物安全稳定的重要因素。

本文将介绍高层建筑施工中的风荷载分析方法和抗风设计原则。

一、风荷载的分析方法风荷载的分析需要考虑建筑物的特点、地理位置以及使用情况等因素。

以下是几种常用的风荷载分析方法：1.1 等效静力法等效静力法是一种常用且简便的风荷载分析方法。

该方法基于静力学原理，将风荷载转化为等效的静力作用。

通过计算建筑物表面积与风速的乘积，得出等效的风压力。

然后按照建筑物的结构特点和风向等因素计算风荷载的分布情况。

1.2 风洞试验风洞试验是一种精确测量风荷载的方法。

通过在实验室中复制实际风场环境，通过测量风速和压力等数据来分析风荷载的分布情况。

这种方法可以考虑建筑物的形状、尺寸、细节等因素，提供更加准确的风荷载数据。

1.3 数值模拟数值模拟是一种基于计算机模型进行风荷载分析的方法。

通过建立建筑物的三维模型，并使用计算流体力学方法，模拟风场的流动情况，得出风荷载的分布。

这种方法可以考虑复杂的建筑物形状和细节，提供更为准确的风荷载数据。

二、抗风设计原则在进行抗风设计时，需要遵循一些重要原则，以确保高层建筑的安全性和稳定性：2.1 结构合理性高层建筑的结构设计应合理布置，结构强度和刚度满足设计要求。

采用合理的结构形式，如框架结构、筒体结构等，以提供足够的抗风能力。

2.2 强度设计高层建筑的结构应具备足够的强度，能够抵御风荷载的作用。

在设计阶段，应根据风荷载的计算结果，合理选择材料和构件的抗风性能，确保结构的安全可靠。

2.3 排列布置高层建筑的建筑形态和排布布置应考虑降低风阻力，减小风压力的作用。

合理设置建筑物的开口和凹凸部位，以降低风荷载的影响。

2.4 风挡设施在高层建筑的设计和施工过程中，可以采用风挡设施来减小风荷载的作用。

例如，在建筑物周围设置挡风墙、遮阳板等结构，以提供有效的风防措施。

水平轴风力机等效静力风荷载下的响应分析

水平轴风力机等效静力风荷载下的响应分析王博;宋曦【摘要】根据某1.5 MW水平轴风力机的结构特征,建立风力机的有限元模型,基于高耸结构设计规范得到两种工况下风力机的等效静力风荷载.运用ANSYS软件分别计算风力机在两种等效风荷载下的拟静力响应,得到风力机各部件应力与位移的分布情况.结构的最大应力发生在塔架底部为67.3 MPa,机舱的最大位移为0.41 m.结果表明,风力机满足静力下的强度要求,为风力机的设计制造提供了理论依据.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2014(026)004【总页数】5页(P114-118)【关键词】水平轴风力机;等效静力风荷载;ANSYS模拟;响应分析【作者】王博;宋曦【作者单位】兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TK83;O242.21风力机作为一种将风能转化为电能的装置，向着大型化、高耸化发展，由于其具有高度高、外形细长等特点，受到风荷载的影响很大，深入研究风力机在风荷载下的响应情况对保证其安全运行有着重要的意义．近年来，国内外学者对风力机的特性进行了一系列研究［1－5］，在工程设计中，针对风荷载下结构的响应问题，专家们提出了等效静力风荷载的概念［6，7］，它是一种将作用在结构上的风荷载转化为静力荷载的计算方法，主要有阵风载荷因子法（GLF）、惯性风荷载法（IWE）等．以某1．5MW水平轴风力机为研究对象，利用有限元软件ANSYS建立结构的有限元模型，结合风力机的外形特征计算两种工况下结构的等效静力风荷载，考虑结构自重，分析风力机在等效风荷载下的拟静力响应，得到结构在两种工况下的位移及应力的分布情况．通过分析对比，风力机满足两种风况下的静强度要求，为风力机的设计制造提供依据，并为其动态响应分析提供参考．1 风荷载通常风可分为平均风与脉动风两部分，平均风的作用相当于静荷载，脉动风周期较短，其作用性质完全是动力的［8］．惯性风荷载法是根据随机振动理论计算脉动风作用下的结构响应，并认为等效静力风荷载等于结构产生该响应的惯性力，在我国的载荷规范中，等效静力风荷载的计算正是基于此种方法．风力机作为一种特殊的高耸结构，其风轮存在旋转与不旋转两种状态，不同状态下风轮所受风荷载的大小不同，以下依据高耸结构设计规范及风力机的工作原理对风力机的等效静力风荷载进行计算．1．1 高耸结构的等效风荷载根据设计规范，垂直作用于高耸结构表面上单位面积的风荷载标准值计算公式为［8］其中：wz为作用在高耸结构z高度处单位面积上的风荷载标准值（kN／m2）；βz为z高度处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为z高度处的风压高度变化系数；w0为该地区的基本风压（kN／m2）．自立式高耸结构在z高度处的风振系数βz的计算公式为其中：ξ是脉动增大系数；ε1是风压脉动和风压高度变化等的影响系数；ε2是振型、结构外形的影响系数．1．2 风轮的等效风荷载根据Betz动量理论［9］，可得作用在旋转风轮上的轴向力T为其中：A为风轮扫风面积；pa为风轮前的静压；pb为风轮后的静压．由伯努利方程可得其中：ρ为空气密度；v1为风轮前来流速度；v2为风轮后尾流速度；v为流过风轮的速度；p1、p2分别为风轮前、后远方的气流静压，且假设p1＝p2，得出定义轴向诱导因子a，并将v2＝v1（1－2a）代入式（7），可得风轮推力系数CT＝4a（1－a），因此旋转风轮上的轴向推力T可表示为2 风力机的有限元模型选取某1．5MW水平轴风力发电机为研究对象，塔架为变截面的锥形筒体结构，材料为Q345钢，塔高78m，底端直径4．23m，顶端直径2．98m；叶片为玻璃钢复合材料，叶轮直径为77．36m．风力机各部件的具体参数如表1所列．表1 材料参数Table 1 Material parameters部件弹性模量E／（N·m－2）密度ρ／（kg·m－3）泊松比μ叶片 4．26×10101 950 0．220机舱2．06×1011 570 0．300塔架 2．06×1011 7 850 0．300承台3．15×10102 600 0．167建立风力机有限元模型时，塔架及叶片采用壳单元模拟，且塔架底部开门洞；机舱在塔架顶端，简化为一个质量块，用实体单元模拟；混凝土承台以下的每根桩基等效为一组水平和竖向刚度分别为Eh＝1．8×107 N／m2，Ev＝1．9×108 N／m2 的弹簧来模拟．机舱与塔架、塔架与承台之间采用刚性连接，叶片根部全约束．风机整体结构的有限元模型如图1所示．3 风力机的拟静力风响应3．1 两种工况的确定图1 风力机的有限元模型Fig．1 The finite element model of the wind turbine根据该风力机的技术参数可知，风机在风速达到其切入风速3m／s时开始启动工作，当达到11m／s时风力机开始以额定功率发电，随着风速的增加，风机一直控制在额定功率附近发电，直到风速超出其切出风速25m／s（10min均值）时，风机自动停机．因此，风力机在整个运行过程中可能出现两种极端情况对风机造成破坏：一种是当叶片旋转工作时，风机的扫风面积远大于叶片不旋转时的迎风面积，作用在风轮上的轴向推力在某个风速下达到最大值；另一种是风机受到所处地区极限风载的情况．因此，为保证风机安全工作，分两种工况分别计算风力机的等效静力风荷载．利用式（9）可以计算出风机在叶片旋转时各风速下的轴向推力，经过对比分析，在风速为11m／s时，风荷载作用在风轮上的轴向推力最大，这与文献［7］得到的结果相符合．两种工况具体如下：工况1：风速按11m／s计算，此时风机正常工作，风轮所受轴向推力最大；工况2：按甘肃西北地区100年一遇风压计算，此极限风速超出风机切出风速，风机自动停机．3．2 等效静力风荷载塔架及叶片是风力机主要的受风构件，叶片所受风压加载在叶片的迎风面上，塔架所受的风压作用在与叶片迎风面方向一致的结构面上．（1）对于工况1，通过计算得到风速为11m／s时风轮上的轴向推力为218．96kN，将其平均作用在3个叶片上．塔架按高度自底至顶依次分为4段，各段高度用段中节点的高度表示，根据各段结构参数通过规范可以得到计算等效风荷载的相关系数．塔架各段等效风荷载如表2所列．表2 工况1下塔架各段等效风荷载Table 2 Equivalent wind load of the wind turbine tower under the first working condition塔段编号风振系数βz体型系数μs风压高度变化系数μz等效风荷载wz／（kN·m－2）1 1．07 0．6 1．00 0．049 2 1．50 0．6 1．42 0．097 3 1．86 0．6 1．67 0．141 4 2．14 0．6 1．86 0．181表3 工况2下风机各部件的等效风荷载Table 3Equivalent wind load of each part of the wind turbine under the second working condition部件编号风振系数βz体型系数μs风压高度变化系数μz等效风荷载wz／（kN·m－2）1 1．07 0．6 1．00 0．385塔段2 1．50 0．6 1．42 0．767塔段3 1．86 0．6 1．67 1．118塔段4 2．14 0．6 1．86 1．433叶片1 1．98 1．0 2．05 2．435叶片2、塔段3 1．99 1．0 1．85 2．221 （2）对于工况2，根据全国基本风压标准值表，甘肃西北地区B类地貌100年一遇的基本风压w0为0．6kN／m2，对应风速约为31m／s（10min均值），此时风机自动停机，此状态下风机整机按高耸结构计算，风机各部件等效风荷载如表3所列．3．3 拟静力响应将两种工况下的等效静力风荷载分别施加到风力机模型上，通过ANSYA分析得到结构的等效位移云图和等效应力云图分别如图2～图5所示．图2 工况1下结构的等效位移Fig．2Equivalent displacement diagram of the structure under the first working condition图3 工况1下结构的等效应力Fig．3 Equivalent stress diagram of the structure under the first working condition图4 工况2下结构的等效位移Fig．4 Equivalent displacement diagram of the structure under the second working condition图5 工况2下结构的等效应力Fig．5 Equivalent stress diagram of the structure under the second working condition通过对风力机在两种工况下的等效静力分析，从图2和图4可以看出，两种工况下机舱处的位移分别为0．168m（11m／s风速下）、0．41m（极限风速下）．为确保风力发电机内部设备的性能要求，将高度超过40m塔架的顶部许用位移控制在塔架总高度0．5%～0．8%的范围内［10］，我们设定塔架高度78m，许用位移为0．39～0．624m，因此结构在两种工况下均满足塔顶位移要求．相比于风力机塔架的变形，叶片的变形较为明显，最大位移都发生在顶部叶尖处，因为叶片的刚度在风力机所有部件中是较小的，并且叶片又是主要的受风部分，因此工程实际中，通常对叶片采用预弯曲技术，从而避免风机在工作时叶尖触碰到塔架的情况发生．从图3和图5得知，塔筒的迎风面与背风面受到的弯曲应力较大且随着高度增加应力减小，在接近与机舱连接处时，塔筒的应力又开始增加，最大应力均出现在塔筒背风面的塔底处，最大值分别为61．2MPa（11m／s风速下）、67．3MPa （极限风速下），而最大应力强度小于材料许用应力，说明结构满足静力下的强度要求．由于实际需要，塔筒底部通常开门洞，造成结构刚度有所降低，因此塔筒下半段为较易发生破坏的区域，在结构设计时，塔筒底部应较厚且对门洞周围做加固处理．叶片上的最大应力出现在叶片根部，沿着叶尖方向逐渐减小，因此叶片根部通常较厚，从而保证叶片的强度．4 结论在建立风力机有限元模型的基础上，基于规范计算两种工况下风机的等效静力风荷载，通过ANSYS软件对结构进行数值计算，得到以下结论：（1）根据风力机的结构参数，考虑桩基的刚度及塔架底部开门洞等实际情况，建立风机整机的有限元模型，通过分析风力机的工作情况，讨论风机不同状态下等效静力风荷载的计算方法，并结合其外形特征计算两种工况下风机的等效风荷载，为风机的静力分析提供荷载依据；（2）通过对风力机的拟静力响应分析，得到风机在两种工况下的应力都满足材料的许用应力，塔架顶端的位移也在允许范围内，说明该风力机满足甘肃西北地区风况下的静强度要求．另外，根据结构应力及位移的分布情况，对发生破坏可能性较大的部位，在设计制造时应进行特别处理；（3）对风力机进行等效风荷载下的拟静力分析，为进一步开展结构的疲劳分析及动力响应研究奠定基础，由于风力机作为一种特殊的高耸结构，它的空气动力特征较为复杂，因此为了更准确掌握风机结构的动态特性，还需要建立精确的脉动风场并考虑叶片的气动特性．【相关文献】［1］李仁年，童跃，杨瑞．风力发电机塔架固有频率和振型的有限元分析［J］．甘肃科学学报，2011，23（3）：72－75．［2］ Gebhardt C G，Preidikman S，Massa J C．Numerical Simulations of the Aerodynamic Behavior of Large Horizontal－axis Wind Turbines［J］．International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（11）：6 005－6 011．［3］ Bazeos N，Hatzigeorgiou G D，Hondros I D，et al．Static，Seismic and Stability Analyses of a Prototype Wind Turbine Steel Tower［J］．Engineering Structures，2002，24（8）：1 015－1 025．［4］宋曦，戴建鑫．水平轴风力机塔架的力学建模及ANSYS仿真分析［J］．甘肃科学学报，2011，23（1）：91－95．［5］章子华，王振宇，刘国华．风电场脉动风模拟及风机塔架动力响应研究［J］．太阳能学报，2011，32（7）：992－998．［6］李毅，李秋胜．基于风致响应的高层建筑等效静力风荷载优化设计研究［J］．湖南大学学报：自然科学版，2013，40（4）：26－31．［7］傅洁，何斌，安逸，等．风轮风荷载等效系数计算方法研究［J］．可再生能源，2013，31（2）：19－23．［8］张相庭．结构风工程理论、规范、实践［M］．北京：中国建筑工业出版社，2006．［9］赵振宙，郑源，高玉琴，等．风力机原理与应用［M］．北京：中国水利水电出版社，2011．［10］王峰，陈琪，余国城．大型风力发电机组塔架刚度的研究［J］．能源工程，2005，25（6）：38－40．。

大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究的开题报告

大跨度屋盖结构等效静力风荷载研究的开题报告一、研究背景及意义大跨度屋盖结构具有跨度大、内部各层高度不同、非线性和非静态等特点。

在遭受风荷载的情况下，会出现复杂的非线性反应，而如何准确地计算这种反应成为结构设计的关键问题。

因此，研究大跨度屋盖结构的等效静力风荷载，对于确保结构的稳定性和安全性具有重要的意义。

二、研究内容和技术路线本研究应用ANSYS软件，通过有限元分析建立大跨度屋盖结构的数值模型，在实际风荷载作用下，通过建立等效静力风荷载模型，计算出屋盖结构在静止状态下的等效静力风荷载，实现静力方法计算风荷载的目的。

针对大跨度屋盖结构，主要考虑以下内容：（1）结构的建模和模型验证首先，建立大跨度屋盖结构的有限元分析模型，通过分析模型中单元内部的应力、位移等参数，确认模型的准确性，并与实测数据进行比对，验证模型的可靠性。

（2）风场的建立基于适当的风压系数，建立大跨度屋盖结构在风场作用下的风压分布，然后，将风压作用在有限元模型上，计算出结构在风场作用下的变形和应力。

（3）静力方法计算在摆脱动力学效应的基础上，建立静态等效风荷载模型，即通过仿真大风的效应，在结构上施加等效静力载荷，以代替实际的动态风荷载。

（4）结构响应的计算和分析在引入静态等效风荷载后，计算出结构的响应，通过分析变形和应力，研究大跨度屋盖结构在风荷载下的力学性能。

三、预期成果与应用价值通过本研究，预计可以达到以下成果：（1）大跨度屋盖结构风荷载等效静力计算模型的建立；（2）对模型的准确性和可靠性进行验证；（3）通过分析，获得大跨度屋盖结构在风荷载下的力学性能。

本研究成果的应用价值主要体现在以下方面：（1）针对大跨度屋盖结构，提供了一种适用的计算方法和手段；（2）为大跨度屋盖结构的设计和施工提供理论依据；（3）促进大跨度屋盖结构的安全稳定开发和使用。

高层建筑顺风向等效静力荷载力学模型初探

缈
作用，且与位移无相位差。内力响应并与荷载同步大小相同。可视荷载的拟静力作用：第二项是惯性力项。是由结构结构上的质点的加速度运动产生的，可视荷载的动力作用。比较发现由于考虑了拟静力项使收敛的振型阶数大大较少，使求解恢复力方差的计算大为简化。３．２．１将振型加速度法应用于单自由度体系随机振动
●● ●
ｒ
～
、
ｒ
～
、
，
．．
｛们）｝＝陆】｛ｙ（卧＝扫（，）｝一ｋ眨夕如）觇
ＬＪ
ＬＪ
『．１
．
．
（４＿１）
对线性连续体：
（４—２）
上式中第一项是荷载的荷载作用无关。可
丹
类似与结构的固有频率国＞＞口时，则动力放大系数：∥（二）≈∥（０）＝ｌ此时，荷载未通过动力放大
３．２．３线性连续体系
ｃ７，
运用公式（４）令振型截断数．，＝ｌ得：
／（ｚ，ｆ）＝ｐ（ｚ，ｆ）一ｙｌ（ｆ）朋（ｚ）仍（ｚ）
恢复力的相关函数为：
（８）
Ｒ，（ｚｔ，ｚ２，＾，，２）＝研ｐ（ｚ，，，１）ｐ（ｚ，，）卜Ｅ【ｐ（ｚｌ，，１）Ｈ（，２）朋（ｚ２）妒ｔ０２）】一ＥＤ，Ｉ（，１）所（ｚＩ）矽Ｉ（ｚ１）ｐ（ｚ２，，２）】＋研Ｊ，ｌ（ｚＩ，，１）ｙＩ（ｚ２，ｆ２），，｜（ｚ１）仍（ｚＩ）聊（ｚ２）矽ｌ（ｚ２）】
２基于振型叠加法的随机振动力学解
根据基于振型叠加法的随机振动力学，结构的位移响应，可由基阶或低阶振型的贡献叠加得
．２２１．
２００４・中国・Ｊ二海
第二届全国士术丁程研究生学术论坛论文集
到。求恢复力响应时仅依靠一阶振型惯性力是难以得到的。问题的本质在于，脉动风荷载的主要频段大都低于结构的基频，对位移响应而言，一阶位移所占比重很大，用一阶位移就基本可以满足位移解的精度要求。而对恢复力只用一阶振型惯性力是远远不够的１３ｌ：由振型叠加法，求连续体系负的恢复力方差解为：

等效风荷载计算方法总结

等效静力风荷载理论就是在这一背景下提出的。

其基本思想是将脉动风的动力效应以其等效的静力形式表达出来，从而将复杂的动力分析问题转化为易于被设计人员所接受的静力分析问题。

等效静力风荷载是联系风工程研究和结构设计的纽带[3]，是结构抗风设计理论的核心内容，近年来一直是结构风工程师研究的热点之一。

等效静力风荷载的物理意义可以用单自由度体系的简谐振动来说明[45, 108]。

图1.3 气动力作用下的单自由度体系对如图1.3的单自由度体系，在气动力()Pt 作用下的振动方程为：()mx cx kx P t ++= (1.4.1)考虑粘滞阻尼系统，则振动方程可简化为：()()()200222P t x f x f x mξππ++=(1.4.2)式中0f =为该系统的自振频率，ξ=为振动系统的临界阻尼比。

假设气动力为频率为f 的简谐荷载，即()20i ft P t F e π=，那么其稳态响应为：()()()2020012i ft F kx t e f f i f f πξ=-+⋅ (1.4.3)进一步化简有：()()2i ft x t Ae πψ-= (1.4.4)其中A =，()0202arctan1f f f f ξψ=-，A 为振幅，ψ为气动力和位移响应之间的相位角。

现在假设该系统在某静力F 作用下产生幅值为A 的静力响应，那么该静力应该为：F kA ==(1.4.5)如果不考虑相位关系，静力F 与简谐气动力()P t 将产生一致的幅值响应，则这两种荷载之间存在一种“等效”的关系，那么F 可以称为()Pt 的“等效静力风荷载”。

建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析

建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析在建筑结构设计中，风荷载与风力响应分析是至关重要的。

风是自然界中的一种常见力量，它对建筑物产生的压力和力学响应不能忽视。

本文将探讨建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析，并提供一些相关的实例和方法。

一、风荷载分析风荷载是指风对建筑物产生的压力和力学效应。

在建筑结构设计中，风荷载是必须考虑的重要因素之一。

首先，我们需要了解风荷载的来源和作用机制。

风荷载的来源主要是大气中的气压差异引起的。

当风经过建筑物时，会在建筑物表面产生压力差，从而产生荷载。

风荷载对建筑结构的影响有两个方面：一个是静风荷载，即常见的静态压力；另一个是动风荷载，即风速引起的动态效应。

对于风荷载的计算，常用的方法是按照国家规范进行计算。

这些规范提供了各种建筑类型和地区的风速概率分布曲线，以及建筑物的风荷载计算方法。

基于这些规范，结构设计师可以确定不同风速下的静风压力，并结合建筑结构的特点进行计算。

二、风力响应分析风力响应分析是指建筑物在受到风荷载时的结构响应分析。

建筑物在受到风荷载时会产生形变和应力，而风力响应分析旨在评估和控制这些响应，确保建筑物的稳定性和安全性。

常见的风力响应分析方法包括静力分析和动力分析。

静力分析是一种简化的方法，通常用于预估建筑物在可能的最大风荷载下的位移和应力。

动力分析则更为复杂，考虑了风荷载的动态效应以及结构的振动特性。

对于静力分析，常用的方法是等效静态法。

该方法的基本思想是将动态风荷载转化为与之等效的静态风荷载，从而简化结构的分析和设计。

这种方法适用于一些简单的建筑结构，但对于复杂的结构则需要考虑动力分析。

动力分析的方法有很多种，其中一种常见的方法是模态分析。

模态分析考虑了建筑物的固有振动特性，通过计算建筑物的模态响应来评估风力响应。

这种方法对于高层建筑等柔性结构尤为适用，能够更准确地预测结构的响应。

三、风荷载与风力响应的实例下面以高层建筑为例，说明风荷载与风力响应的分析过程。

大跨度桥梁等效静力风荷载方法概述

１．１．１风洞试验
①阵风荷载因子Ｇ是一个常数．因此求得的结构等效静力风荷载沿高度的分布规律与平均风荷载的分布规律相同。 ②由于对应于各种响应的阵风荷载因子并不相同，因此，通过对应于某响应的ＧＬＦ等效静力风荷载计算出来的另一响应并不是精确解。 ③传统的ＧＬＦ方法计算出来的等效静力风荷载是对应于广义一 ④一般不受大气环境变化的影响。阶位移的，因此，称这种ＧＬＦ方法为“ 广义一阶位移ＧＬＦ法” 。 ⑤ 与其他空气动力学实验手段相比，价廉、可靠等。２Ｉ２惯性力法１．１．２数值模拟中国荷载规范采用的静力等效风荷载与ＧＬＦ法略有不同．它的结构表面风场的数值模拟技术是近几十年随着计算机技术的发思路是在按随机振动理论求出一阶广义位移响应的根方差之后．展和计算流体力学理论的成熟而发展起来的结构风工程研究方法．但用一阶位移代替总位移．则可按照下列公式近似求解等效风荷载：是目前的ＣＦＤ计算还不成熟．在计算某些结构表面风荷载的时候存在较大的误差Ｐ（ｚ）＝Ｐ（ｚ）＋ｇｍ（２￣ｒｆｚ）（２－５）
问题。
【关键词】大跨度桥梁；等效静力风荷载；ＧＬＦ法；ＩＷＬ法；ＬＲＣ法
结构等效风荷载的计算一般可以采用位移等效的方法．即将结构动力风荷载换算为结构等效静力风荷载．将该荷载作为静风荷载作用在结构上引起的位移响应等于结构在实际风荷载作用下的最大位移
２０１４年１２期
科技曩向导

高层建筑等效静风荷载及抗风研究

（９）
（
故有：
圳（）ｎ２ｘ２
（４ｂ）
其中，０是测点层截面边缘任意一点法向与轴的夹角，Ｗ是参考点高度的参考风压，是线积分区域，Ｃ。是由上面公式得到的单位高度截面的风荷载时程。
ｏ： ■
■
面，
． ’ （４斗ｃｃ）
通过式（４ｃ）可以计算出Ｃ类地貌的基本风压。然后把Ｃ类地貌的基本风压代入式（３），得该类地貌对应的参考点实际风压，公式如下：
孙卫星等：高层建筑等效静风荷载及抗风研究
４５
结构各楼层的风荷载计算公式如下：
３结构响应分析
Ｆ＝ＢＡｈｗ０．
（１０）
Ｆ＝
．
ａｈｗ。
（１１）
＝
ＢＢＡｈｗ０
．
（１２）
式，中、Ｆ、分别为方向、Ｙ方向两个水平主
轴方向力以及绕结构竖轴的扭矩Ａｈ为楼层层高。
低温建筑技术
２０１６年第４期（总第２１４期）
４结语
文中针对一超高层通过风洞试验进行抗风设计
研究，包括风洞试验数据的处理以及等效静风荷载的
计算方法。
采用一种命令流控制的方法，通过自定义关键词
和语法，将结构测点布置的基本信息表达为命令流文
２．３．２计算各楼层的风荷载时程在风洞测压试验中，并不是对每个楼层都布置测
压点，而是根据建筑体型的特点及变化布置测点层。因此各楼层的风荷载时程实际是根据测点层上的试验结果经进一步插值计算而得到的。由于测点布置受到限制，计算中不可避免会出现外插情况。在计算过

等效静力风荷载背景和共振之间的耦合效应

等效静力风荷载背景和共振之间的耦合效应摘要：在结构动力学和随机振动理论基础上，推导出结构脉动风总响应的实际理论组合公式，首次定义了耦合恢复力协方差矩阵这一参数，提出用于补偿背景和共振分量之间耦合项的一致耦合方法（CCM）来求解结构的总风致响应，并赋予等效静风荷载背景和共振耦合项以明确的物理含义。

以某大跨屋盖结构为例，采用CCM法进行风致响应和等效静风荷载计算，通过与全模态完全二次型组合（CQC）计算结果进行对比分析，深入揭示了背景和共振耦合项的作用机理，验证了本文方法的高精度和有效性，为此类结构风致响应和等效静风荷载的精确求解和机理研究提供新的思路。

关键词：风致响应；等效静风荷载；大跨屋盖结构；一致耦合方法；背景和共振耦合分量该思路要求在求解时考虑背景与共振、共振与共振、背景与背景之间的三层耦合项，传统的基于荷载响应相关方法[1]（LRC）和惯性风荷载方法[2]（IWL）的三分量方法无法精确求解这三层耦合项。

很多学者对此进行了研究，并提出了有效的改进方法，例如Holmes等[23]和Irwin[4]最早提出了背景和共振分量的计算方法；Zhou等[5]、Chen等[6]和Zhang[7]将这一方法进一步发展，明确了三分量方法的求解思路；随后针对共振分量求解中的耦合效应问题，周晅毅等[8]、顾明等[9]、陈波等[10]、谢壮宁等[11]、余世策等[12]、梁枢果等[13]和柯世堂等[14]对三分量方法进行了不同的改进，其中顾明等在中国最早采用三分量方法对上海金茂大夏、上海铁路南站等结构进行ESWLs分析，并对比阵风荷载因子法（GLF）结果认为三分量法的结果更加精确合理；陈波等提出的RitzPOD方法可进行风振响应精细化分析；谢壮宁等基于LRC的完全二次型组合获取结构的风振响应和ESWLs，不区分背景和共振分量。

这些改进方法更好的解决了大跨屋盖结构风致响应和ESWLs的两层耦合项问题：1）共振模态的选择及模态间的耦合项求解难题；2）采用准静力方法求解背景分量以考虑所有模态对于背景响应的贡献。