等效静力法模拟风荷载的探讨
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。
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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 Method
ZHANG 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。
但是由于动力分析方法过于复杂，难以应用于实际工程设计，所以风荷载计算时，可以采用等效静力法分析计算。
该方法将风的荷载作用转化为等效静力荷载，然后采用静力方法进行分析[1]。
一、风荷载的输入
下面以某炼油厂的常减压装置常压塔顶油气线为例，举例说明风荷载的校核方法。
根据常减压装置所在地的气象数据，确定基本风压值[4]和地面粗糙度[4]的类别，计算不同高度对应的风压值，输入到CAESAR II风荷载数据表中。
考虑到风方向的不确定性，通常将东南西北四个方向的风全部引入到分析模型中，并进行相应的偶然工况编辑，完成受力校核计算。
如图1所示填入风荷载和对应高度值：
图1
二、风荷载的工况编辑
LOAD cases stress type
L1：W HGR弹簧选型工况，仅包含重量
L2：W+D1+T1+P1 HGR弹簧选型工况，用于选出弹簧位移
L3：W+D1+T1+P1+H OPE正常操作工况
L4：W+D1+T1+P1+H+WIN1 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）
L5：W+D1+T1+P1+H+WIN2 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）
L6：W+D1+T1+P1+H+WIN3 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）
L7：W+D1+T1+P1+H+WIN4 OCC 偶然操作工况（正常操作+风荷载）
L8：W+P1+H SUS一次应力核算
L9：L4-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）
L10：L5-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）
L11：L6-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）
L12：L7-L3 OCC 偶然操作工况（纯风工况）
L13：L8+L9 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）
L14：L8+L10 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）
L15：L8+L11 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）
L16：L8+L12 OCC 偶然操作工况（风荷载作用下的组合应力）
L17：L3-L8 EXP二次应力核算
根据ASME B31.3[2]和GB50316[3]规范的要求，偶然荷载定义为短时间的持续荷载，应力校核应该与持续荷载归为一类，即偶然荷载需要校核其一次应力。
由于计算的管道系统是一个非线性系统，非线性约束的刚度会随着管道的位置或所产生推力的大小发生改变，要得到的是一个风荷载作用的位移范围，而不是处于初始状态的单纯风荷载作用。
因此，SUS+[（OPE+WIN）-OPE]与SUS+WIN 在非线性系统中是完全不一样的。
由此可见，L9～L12工况的设置应该为：首先新定义一个OPE工况，并加入风荷载得到OPE+WIN；其次，将新叠加后的工况即OPE+WIN与软件自动生成的OPE工况进行减运算，得到包含了非线性因素的纯风荷载，获得新的偶然荷载；最后，将上诉重新求解的偶然荷载与SUS工况进行叠加，以评定其偶然应力OCC。
三、校核加入风荷载的一次应力
管线如图2所示，表1列出了L13～L16工况与直接采用SUS+WIN工况组合下40点（常压塔沿塔自上而下敷设的管道第一个支架：导向加承重）的一次应力比较：
图2
由此可以看出，SUS+[（OPE+WIN）-OPE]与SUS+WIN得到的一次应力是不同的，因此不能用简单的SUS+WIN校核一次应力。
四、评定加入风荷载的导向支架受力
在评定偶然荷载作用下操作工况的荷载大小时，也需要将风荷载与OPE操作工况相叠加，即评定OPE+WIN工况下的受力情况。
表2 列出了OPE工况和OPE+WIN工况下40点支架受力情况：
由此看到不同方向的风荷载对于支架的受力有不同影响，某个方向上可能会增大也可能会减少，这取决于风荷载的作用方向是否与引起管道约束受力的不利因素方向一致或相反。
五、总结
由于大直径管道沿管道方向的横截面积较大，有风荷载作用时对管系一次应力及管道支吊架受力影响较大，所以一般要求大直径管道沿塔或其他立式设备在标高高于10m的管段都要进行风荷载的一次应力校核和导向支架的受力评定。
在编辑风荷载组合工况时，不能直接用W+P+WIN评定风荷载的一次应力。
参考文献：
[1] 唐永进.压力管道应力分析.北京：中国石化出版社。
2003.
[2] ASME B31.3-2012 Process Piping The American Society of Mechanical Engineers[s]
[3] GB50316-2000（2008年版）工业金属管道设计规范[s].北京：中国计划出版社，2008.
[4] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5] CAESARII Users Guide[M].Intergraph CAS，Inc，2012：448-456。