第4章风荷载
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表4.4 远海海面和海岛修正系数
距海岸距离/km
修正系数
<40
1.0
40～60
1.0～1.1
60～100
1.1～1.2
4.1.6 我国基本风压分布特点
我国的风气候总体情况如下。 (1) 台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，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4～5 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。
2 0 T0 0 T
2 2
2
0
可得任一地貌条件下，高度z处的风压为：
H 10 z w ( z) w w 10 H 10
2 0 T0
0
z
0
T
式中，μza为任意地貌下的风压高度变化系数， 应按地面 粗糙度指数 和假定的梯度风高度 确定，并随离地面高度z而变 化。
0.012018 2 v2 w v v (kN/m2 ) 2g 2 9.80 1630
2
在不同的地理位臵，大气条件是不同的， γ和 g值也不相 同。资料缺乏时，空气密度可假设海拔高度为0m，取 ρ=1.25(kg/m3)；重力加速度 g不仅随高度变化，而且与纬度 有关；空气重度 γ是气压、气温和温度的函数，因此，各地 的γ /g的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对 地貌、测量高度进行统一规定。 根据统一规定，《建筑结构荷载规范》给出了全国各城 市50年一遇的风压值。当城市或建设地区的基本风压值在表 中未列出时，也可按《建筑结构荷载规范》中全国基本风压 分布图查得。在进行桥梁结构设计时，可按《公路桥涵设计 通用规范》中全国基本风压分布图查得基本风压值。
由式(4.2)可知，风压与风速的平方成正比，将式(4.4)代 入，可得：
w ( z) v z w v z
2
2
2
0
0
0
式中，wa(z)——任一地貌高度z处风压； w0a——任一地貌标准高度处风压。 将标准高度z0=10m代入，可得：
z w ( z) W ( ) 10
§4.1 基本风速和基本风压
4.1.1 基本风速
标准高度 最大风速 的概率分布 或概率密度 曲线（线型） 基本风速 或基本风压
标准地貌
最大风速 的重现期
平均风速的时距
最大风速的样本
最大风速的样本 取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值 为一个样本。 最大风速的重现期 设重现期为T0年，则1/ T0为超过设计最大风速的概率， 因此不超过该设计最大风速的概率或保证率P0应为：
表4.3 不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数
重现期/年 重现期换算系数 100 1.10 60 1.03 50 1.00 40 0.97 30 0.93 20 0.87 10 0.77 5 0.66
4.1.4 山区的基本风压
对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修 正系数分别按下述规定采用： (1) 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述 公式采用：
1 P0 1 T0
我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为 30 年，对 于高层建筑和高耸结构，重现期取50 年，对于特别重要和 有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取100年。重 现期为T0年通常俗称为T0年一遇。
4.1.2 基本风压
1、标准高度的规定：房屋建筑类统一取10m为标准高度 2、标准地貌的规定：标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对 于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。 3、平均风速的时距：取50年一遇的平均风速时距为10分钟（风的卓 越周期约在1分钟） 风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流 的风速产生的单位面积上的风压力为：
山坡和山峰的其他部位如图4.1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。
图4.1 山坡和山峰示意图
(2) 山间盆地、谷地等闭塞地形 η =0.75～0.85；对于与风向 一致的谷口、山口， η=1.20～1.50。
4.1.5 远离海面和海岛基本风压
对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，基本风压 可按A类粗糙度类别，还应考虑表4.4中给出的修正系数。
3. 不同重现期换算 重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风 速值也不同。我国目前按重现期50年的概率确定基本风压。 重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏 感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现 期的基本风压，以调整结构的安全水准。不同重现期风速或 风压之间的换算系数可按表4.3取值。
表4.1 实测风速高度换算系数
实测风速高度/m 4 6 8 10 12 14 16 18 20
高度换算系数
1.158
1.085
1.036
1.000
0.971
0.948
0.928
0.910
0.895
2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧 烈，气象台站瞬时风速记录时距小于10min，因此在某些情 况下需要进行不同时距之间的平均风速换算。实测结果表明， 各种不同时距间平均风速的比值受到多种因素影响，具有很 大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似按 表4.2取值。 表4.2 不同时距与10 min时距风速换算系数
荷载与结构可靠度
第4章
风荷载
临沂大学建筑学院 郑国栋 2013年9月
本章内容
§4.1 基本风速和基本风压 §4.2 风压高度变化系数 §4.3 风荷载体型系数 §4.4 顺风向风振
§4.5 横风向风振
§4.6 桥梁风荷载
风的形成
风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。
压力差
大气热力学环流模型
飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人 在佛罗里达。 飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。
飓风伊万摧毁的房屋
伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座 大桥被飓风伊万摧毁
台风云娜登陆时卫星云图
台风云娜袭击浙江, 截 至16日12时的统计，台 风云娜已在浙江造成 164人不幸遇难，失踪 24人，受灾人口达1299 万人，直接经济损失达 181.28亿元。
0
2
设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为α0，基 本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风 高度处风压相等的条件，由式(4.6)可导出：
H H w w 10 10
T0 T 0 0a
2 0
2
H 10 w w 10 H
4.1.3 风速或风压的换算 1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测 风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高 度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非 标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测 资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。
z B [1 tan (1 )]2 2.5H
式中，α——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当 tanα > 0.3时，取tanα =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——建筑物计算位臵离建筑物地面的高度 (m)，当z>2.5H时，取z=2.5H。
§4.2 风压高度变化系数
地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的 地区低。根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高 度变化的规律可用指数函数来描述，即：
v z v z
0 0
式中，v ——任一高度z处平均风速； v0——标准高度处平均风速； z ——离地面任一高度(m)； z0——离地面标准高度，通常取为10m； α——与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度 越大， 越大。
1 2 2 w v v 2 2g
式中，w——单位面积上的风压力(kN/m2)； ρ——空气密度(kg/m3)； γ——空气单位体积重力(kN/m3)； g——重力加速度(m/s2)； v——风速(m/s)。
在标准大气压情况下， γ=0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：
实测风速时距 时距换算系数 60min 0.940 10min 1.00 5min 1.07 2min 1.16 1min 1.20 0.5min 1.26 20s 1.28 10s 1.35 5s 1.39 瞬时 1.50
应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比 值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风 最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。
风 结构物
理想模型
两类性质的大风 1.台风
wenku.baidu.com
地球自转
三圈环流模型
风 压
大陆与海洋吸热差异
弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡旋内部产生上升和对流运动→ 加强涡旋→ ‥‥‥→台风
2.季风
冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆
从国际空间站拍摄的飓风伊万云图 最高风速214 km/h（59.4m/s）
表4.5 风压高度变化系数
地面或海平面高度/m
A 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 ≥450 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 2.64 2.83 2.99 3.12 3.12 3.12 3.12 B 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 2.38 2.61 2.80 2.97 3.12 3.12 3.12 地面粗糙度类别 C 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35 1.45 1.54 1.62 1.70 2.03 2.30 2.54 2.75 2.94 3.12 3.12 D 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.84 0.93 1.02 1.11 1.19 1.27 1.61 1.92 2.19 2.45 2.68 2.91 3.12
不同粗糙度下的平均风剖面
《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A 类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度 指数αA =0.12，梯度风高度HTa=300m。B类是指田野、乡村、丛 林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取地面粗糙度指 数 αB =0.16，梯度风高度HTb=HT0=350m。C类是指有密集建筑 群的城市市区，取地面粗糙度指数 αC =0.22，梯度风高度 HTc=450m。D类是指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取 地面粗糙度指数 αD =0.30，梯度风高度HTd=500m。 将以上数据代入式(4.9)，可得四类风压高度变化系数： A类：μz=1.379(z/10)0.24 B类： μz=1.000 (z/10)0.32 C类： μz=0.616 (z/10)0.44 D类： μz=0.318 (z/10)0.60 根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数。 对于平坦或稍有起伏的地形，高度变化系数直接按表4.5取用。 对于山区的建筑物，还应考虑地形的修正。
距海岸距离/km
修正系数
<40
1.0
40～60
1.0～1.1
60～100
1.1～1.2
4.1.6 我国基本风压分布特点
我国的风气候总体情况如下。 (1) 台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，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4～5 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。
2 0 T0 0 T
2 2
2
0
可得任一地貌条件下，高度z处的风压为：
H 10 z w ( z) w w 10 H 10
2 0 T0
0
z
0
T
式中，μza为任意地貌下的风压高度变化系数， 应按地面 粗糙度指数 和假定的梯度风高度 确定，并随离地面高度z而变 化。
0.012018 2 v2 w v v (kN/m2 ) 2g 2 9.80 1630
2
在不同的地理位臵，大气条件是不同的， γ和 g值也不相 同。资料缺乏时，空气密度可假设海拔高度为0m，取 ρ=1.25(kg/m3)；重力加速度 g不仅随高度变化，而且与纬度 有关；空气重度 γ是气压、气温和温度的函数，因此，各地 的γ /g的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对 地貌、测量高度进行统一规定。 根据统一规定，《建筑结构荷载规范》给出了全国各城 市50年一遇的风压值。当城市或建设地区的基本风压值在表 中未列出时，也可按《建筑结构荷载规范》中全国基本风压 分布图查得。在进行桥梁结构设计时，可按《公路桥涵设计 通用规范》中全国基本风压分布图查得基本风压值。
由式(4.2)可知，风压与风速的平方成正比，将式(4.4)代 入，可得：
w ( z) v z w v z
2
2
2
0
0
0
式中，wa(z)——任一地貌高度z处风压； w0a——任一地貌标准高度处风压。 将标准高度z0=10m代入，可得：
z w ( z) W ( ) 10
§4.1 基本风速和基本风压
4.1.1 基本风速
标准高度 最大风速 的概率分布 或概率密度 曲线（线型） 基本风速 或基本风压
标准地貌
最大风速 的重现期
平均风速的时距
最大风速的样本
最大风速的样本 取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值 为一个样本。 最大风速的重现期 设重现期为T0年，则1/ T0为超过设计最大风速的概率， 因此不超过该设计最大风速的概率或保证率P0应为：
表4.3 不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数
重现期/年 重现期换算系数 100 1.10 60 1.03 50 1.00 40 0.97 30 0.93 20 0.87 10 0.77 5 0.66
4.1.4 山区的基本风压
对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修 正系数分别按下述规定采用： (1) 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述 公式采用：
1 P0 1 T0
我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为 30 年，对 于高层建筑和高耸结构，重现期取50 年，对于特别重要和 有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取100年。重 现期为T0年通常俗称为T0年一遇。
4.1.2 基本风压
1、标准高度的规定：房屋建筑类统一取10m为标准高度 2、标准地貌的规定：标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对 于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。 3、平均风速的时距：取50年一遇的平均风速时距为10分钟（风的卓 越周期约在1分钟） 风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流 的风速产生的单位面积上的风压力为：
山坡和山峰的其他部位如图4.1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。
图4.1 山坡和山峰示意图
(2) 山间盆地、谷地等闭塞地形 η =0.75～0.85；对于与风向 一致的谷口、山口， η=1.20～1.50。
4.1.5 远离海面和海岛基本风压
对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，基本风压 可按A类粗糙度类别，还应考虑表4.4中给出的修正系数。
3. 不同重现期换算 重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风 速值也不同。我国目前按重现期50年的概率确定基本风压。 重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏 感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现 期的基本风压，以调整结构的安全水准。不同重现期风速或 风压之间的换算系数可按表4.3取值。
表4.1 实测风速高度换算系数
实测风速高度/m 4 6 8 10 12 14 16 18 20
高度换算系数
1.158
1.085
1.036
1.000
0.971
0.948
0.928
0.910
0.895
2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧 烈，气象台站瞬时风速记录时距小于10min，因此在某些情 况下需要进行不同时距之间的平均风速换算。实测结果表明， 各种不同时距间平均风速的比值受到多种因素影响，具有很 大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似按 表4.2取值。 表4.2 不同时距与10 min时距风速换算系数
荷载与结构可靠度
第4章
风荷载
临沂大学建筑学院 郑国栋 2013年9月
本章内容
§4.1 基本风速和基本风压 §4.2 风压高度变化系数 §4.3 风荷载体型系数 §4.4 顺风向风振
§4.5 横风向风振
§4.6 桥梁风荷载
风的形成
风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。
压力差
大气热力学环流模型
飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人 在佛罗里达。 飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。
飓风伊万摧毁的房屋
伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座 大桥被飓风伊万摧毁
台风云娜登陆时卫星云图
台风云娜袭击浙江, 截 至16日12时的统计，台 风云娜已在浙江造成 164人不幸遇难，失踪 24人，受灾人口达1299 万人，直接经济损失达 181.28亿元。
0
2
设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为α0，基 本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风 高度处风压相等的条件，由式(4.6)可导出：
H H w w 10 10
T0 T 0 0a
2 0
2
H 10 w w 10 H
4.1.3 风速或风压的换算 1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测 风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高 度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非 标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测 资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。
z B [1 tan (1 )]2 2.5H
式中，α——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当 tanα > 0.3时，取tanα =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——建筑物计算位臵离建筑物地面的高度 (m)，当z>2.5H时，取z=2.5H。
§4.2 风压高度变化系数
地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的 地区低。根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高 度变化的规律可用指数函数来描述，即：
v z v z
0 0
式中，v ——任一高度z处平均风速； v0——标准高度处平均风速； z ——离地面任一高度(m)； z0——离地面标准高度，通常取为10m； α——与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度 越大， 越大。
1 2 2 w v v 2 2g
式中，w——单位面积上的风压力(kN/m2)； ρ——空气密度(kg/m3)； γ——空气单位体积重力(kN/m3)； g——重力加速度(m/s2)； v——风速(m/s)。
在标准大气压情况下， γ=0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：
实测风速时距 时距换算系数 60min 0.940 10min 1.00 5min 1.07 2min 1.16 1min 1.20 0.5min 1.26 20s 1.28 10s 1.35 5s 1.39 瞬时 1.50
应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比 值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风 最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。
风 结构物
理想模型
两类性质的大风 1.台风
wenku.baidu.com
地球自转
三圈环流模型
风 压
大陆与海洋吸热差异
弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡旋内部产生上升和对流运动→ 加强涡旋→ ‥‥‥→台风
2.季风
冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆
从国际空间站拍摄的飓风伊万云图 最高风速214 km/h（59.4m/s）
表4.5 风压高度变化系数
地面或海平面高度/m
A 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 ≥450 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 2.64 2.83 2.99 3.12 3.12 3.12 3.12 B 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 2.38 2.61 2.80 2.97 3.12 3.12 3.12 地面粗糙度类别 C 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35 1.45 1.54 1.62 1.70 2.03 2.30 2.54 2.75 2.94 3.12 3.12 D 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.84 0.93 1.02 1.11 1.19 1.27 1.61 1.92 2.19 2.45 2.68 2.91 3.12
不同粗糙度下的平均风剖面
《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A 类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度 指数αA =0.12，梯度风高度HTa=300m。B类是指田野、乡村、丛 林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取地面粗糙度指 数 αB =0.16，梯度风高度HTb=HT0=350m。C类是指有密集建筑 群的城市市区，取地面粗糙度指数 αC =0.22，梯度风高度 HTc=450m。D类是指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取 地面粗糙度指数 αD =0.30，梯度风高度HTd=500m。 将以上数据代入式(4.9)，可得四类风压高度变化系数： A类：μz=1.379(z/10)0.24 B类： μz=1.000 (z/10)0.32 C类： μz=0.616 (z/10)0.44 D类： μz=0.318 (z/10)0.60 根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数。 对于平坦或稍有起伏的地形，高度变化系数直接按表4.5取用。 对于山区的建筑物，还应考虑地形的修正。