工程中风压-风荷载理论定义和计算方法

第一章风、风速、风压和风荷载

第一节风的基本概念

风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。气流一遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。风速愈大，对结构产生的压力也愈大，从而使结构产生大的变形和振动。结构物如果抗风设计不当，或者产生过大的变形会使结构不能正常地工作，或者使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。

风引起对结构作用的风荷载，是各种工程结构的重要设计荷载。风荷载对于高耸结构(如塔、烟囱、桅杆等)、高层房屋、桥梁、起重机、冷却塔、输电线塔、屋盖等高、细、长、大结构，常常起着主要的作用。因而，风力的研究，对工程结构，特别对上述工程结构，是设计计算中必不可少的一部分。

对结构安全产生影响的是强风，可分为热带低压、热带风暴、台风或飓风、寒潮风暴、飑风、龙卷风等。

不同的季节和时日，町以有不同的风向，给结构带来不同的影响。每年强度最大的风对结构影响最大，此时的风向常称为主导风向，可从该城市(地区)的风玫瑰图得出。由于风玫瑰图是由气象台得出的，建筑所在地的实际风向可能与此不同，因而在结构风丁程上，除了某些参数需考虑风向外，一般都可假定最大风速出现在各个方向上的概率相同，以较偏于安全地进行结构设计。关于需考虑风向的参数将在下面有关章节中加以说明。

风可以有一定的倾角，相对于水平一般最大可在±10°到—10°内变化。这样，结构上除水平分风力外，还存在上下作用的竖向分风力。竖向分风力对细长的竖向结构，例如烟囱等，一般只引起竖向轴力的变化，对这类工程来讲并不重要，因而只有像大跨度屋盖和桥梁结构，竖向分风力才应该引起我们的注意。但其值也较水平风力为小，但属于同一数量级。

根据大量风的实测资料可以看出，在风的时程曲线中，瞬时风速。包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10min以上；另一种是短周期部分，常只有几秒左右。图1—1是风从开始缓慢上升至稳定值后的一个时程曲线示意图。根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风(即稳定风)和脉动风(即阵风脉动)来加以分析。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期远远地大于一般结构的自振周期，因而这部分风

虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用相近，因此可认为，其作用性质相当于静力。脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作用性质完全是动力的。

研究表明，脉动风的影响与结构周期、风压、受风面积等有直接影响，这些参数愈大，影响也愈大，兼之结构上还有平均风作用，因而对于高、细、长、大等柔性结构，风的影响起着很大的、甚至决定性的作用。

第二节风力强度表示法

不同的风有不同的特征，但它的强度常用风速来表达。最常用的风速分类有两种，即范围风速和工程风速。

一、范围风速

将风的强度划分为等级，用一般风速范围来表达。常用的有：蒲福风速表；福基达龙卷风风力等级表。

(一)蒲福风速表

英国人蒲福(F．Beaufort)于1805年拟定了风级，根据风对地面(或海面)物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。由于最初根据地面(或海面)物体对风的影响程度比较笼统，后来逐渐采用以风速的范围来表示风级，几经修改，自0至12共分13个等级。自1946年以来，风力等级又作了某些修改，并增加到18个等级，如表1-1所示。其中前13个等级就是我们在气象广播中所听到的风的等级，可以看出，7级或7级以上的风力才能对生活或工程结构造成不便或威胁，直至结构倒塌。

第二章结构风工程的分析基础

(结构动力学、可靠指标)

结构风工程的理论基础和分析与结构动力学有密切关系，它的工程应用在我国要涉及我国结构安全度标准——可靠指标来决定。现将这两个最重要的基础理论问题分节叙述。

第一节结构动力学基础

一、结构动力方程

实际结构均为连续分布质量体系，为无限自由度体系。如果分为有限个单元，取单元间连接处的位移为未知数，而且单元特性不是按偏微分方程而是按假定位移函数列出，则可列出有限个只包括单元连接点位移为未知数的常微分方程组，成为有限自由度体系。如果质量集中于有限个点，则亦为有限自由度体系，每个质量处的位移仅可用时间自变量即可列出，因而运动方程亦为常微分方程组。

1．按有限自由度体系计算

运动方程为

2．按无限自由度体系计算

实际上，当有限自由度体系的自由度足够多时，就接近无限自由度。高细结构无限自由度运动方程为

二、结构动力特性

结构动力特性一般包括自振频率、振型及阻尼比，它在风力响应的分析中是必须用到的。

1．结构自振频率和振型

结构自振频率和振型的计算应根据结构动力学进行，这里重点介绍用得最多的按有限自由度体系计算、按无限自由度体系计算以及工程实用的近似计算方法。

(1)按有限自由度体系计算

A有限单元法

按式(2-1)，将阻尼力和千扰力去除，即为以连接点位移1厶}为未知数的自由振动方程

相应的频率方程为

第三章基本风速或风压及非标准情况的换算

第一节基本风压的定义及确定方法

根据风速，可以求出风压。但是风速随高度不同而不同，位置愈高，风速愈大，而且周围环境不同，风速亦有不同，因而风速随建筑物所在地区的地貌等等而变化。为了比较不同地区风速或风压的大小，必须对不同地区的地貌、测量风速的高度等有所规定。按规定地貌和高度所确定的风速或风压，称为基本风速或基本风压。因为风压对结构受力分析较为直接，因此基本风压在规范中用得比较普遍。

基本风压的定义根据我国的具体标准可概括为：基本风压系以当地空旷平坦的地面上、离地10m高度上经统计所得的50年一遇及lOmin平均最大风速vo(m／s)为标准，按Mo1/2ρv2所确定的风压值(ρ为当地空气密度)。不同国家可有不同的标准。概括起来，基本风压有以下6个条件规定来定义。

1．标准高度的规定

风速随高度而变化。离地面愈近，由于地表摩擦能量消耗较大，风速较小；离地愈高，能量消耗逐渐减少，风速则愈来愈大。因此必须规定一标准高度以便于换算和比较。

我国气象台记录风速仪高度大都安装在8-12m之间，为便于计‘算而不必换算，我国规范规定以10m 高为标准高度，这样记录下来的风速或风压就是基本值。

2．标准地貌的规定

地表愈粗糙，例如大城巾市中心，风能消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈小。粗糙度愈小，例如海岸附近，平均风速很高，空旷平坦地区次之，小城市又次之，大城市中心最小。由于粗糙度不同，影响着平均风速或风压的取值，因此有必要为平均风速规定一个共同的地貌标准。

目前风速仪大都安装在气象台，它一般离开城市中心一段距离，巳一般周围空旷平坦地区居多，因而我国及世界大多数国家的规范规定，基本风速或风压是按观测场地周围的地形为空旷平坦，要避免局部地形和环境的影响。

3．平均风速的时距

平均风速的数值与时距的取值很有关系。如果时距取得很短，例如3秒钟，则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中，较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高。如果取得很长，例如1天，则必定将1天中大量的小风平均进去，较高风速在该长时距中起不到显著作用，其值一般偏低。一般来说，时距愈短，平均风速愈大，时距愈长，平均风速也就愈小。风速记录表明，阵风的卓越周期约为1分钟，如果取若干个周期的平均风速，则可反映记录数据中较大风速实际作用。通常认为10分钟(约10个周期)至1小时(约60个周期，由于阵风有较长的持续性，衰减较慢)其平均值基本上是一稳定值，因而我国规范规定以10分钟作为取值标准。

4．最大风速的样本

最大风速样本的取法影响着平均风速的数值。如果以日最大风速为样本，则一年365个样本，平时小风速的日子的风速值占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占1／365的权，因而最大风速的重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低。如果采用月最大风速，则每年最大风速在整个数列中也