第4章 风荷载

0.12 300
5
0.15 350
10
0.22 450
15
0.30 550
30
梯度风高度 HT (m)
截断高度 z0 (m)
A类——近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类——田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 （标准地貌）； C类——密集建筑群城市市区； D类——密集建筑群且房屋较高的城市市区。 考虑到近地面风速的不确定性较高，规范还分别规定了这四类地貌 的截断高度，截断高度以下的风速、风压取截断高度处的相应值。
空旷平坦地面
350
350 300 250 200 150 100 50
梯度风速(%)
海面
300 250 200 150 100 50 0
0 0 20 40 60 80 100
0
0 20 40 60 80 100
0
0
20
40
60
80 100
0
20
40
60
80 100
4-36
从图中可知，地面越粗糙，风速变化越慢（α越大），梯度风高度将越 高；反之，地面越平坦，风速变化将越快（α越小）；梯度风高度将越 小。 不同地貌的α及HT值
0
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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。
4-30
4-31
基本风压(Reference Wind Pressure)小结
基本风压通常符合五个规定（我国）： 标准高度：距地面10米高度处 地貌：比较空旷平坦地面 基本风速重现期：50年重现期 最大风速的样本时间：年平均 公称风速的时距：10分钟最大风速
4-38
4-39
不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即：
或
则
4-40
例4-1
4-41
3.不同时距的换算 由于脉动风的影响,时距越短,公称风速值越大。
4-42
各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值 风速 时距 统计比值
1h
0.94
10 min
1.00
5 min
1.07
2 min
1.16
1 min
1.非标准高度换算 实测表明,平均风速沿高度呈幂指数函数变化,即：
任一点的高度 任一点的平均风速 与地貌或地面粗糙度有关的指数
∴
基本风压标准高度（10m） 基本风速(标准高度处的平均风速)
因此
4-35
2.非标准地貌的换算
梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风。 梯度风高度HT与地面的粗糙程度有关,一般为300~550m,地面越粗糙，HT越大。
8月30日美国新奥尔良飓风袭击 80%的土地被淹，死 亡上千人，2000亿美金的重建费用
飓风威尔玛 (古巴,2005.10)
古巴首都哈瓦那海滨大街
2005.10.24飓风“威尔玛” 掀起巨浪，越过堤岸，拍 打着楼房
台风圣帕引起巨浪
(福建、浙江2007.8)
飓风丽塔袭击美国
(2005.9)
风对构筑物的破坏
Davenport水平脉动风速功率谱密度
4-47
风荷载概述
当风以一定速度吹向建筑物时，建筑物将对其产生阻塞和扰 动作用，从而改变该建筑物周围风的流动特性。反过来，风 的这种流动特性改变引起的空气动力效应将对结构产生作用。
由于自然风的紊流特性，因此风对结构的这种作用包含了静 力作用和动力作用两个方面，使结构产生相应的静力和动力 响应。
4-45
平均风——静力风效应 脉动风——动力风效应 地面粗糙度的影响：地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且频 率越高。

脉动风的特性： ① 幅值特性 为一随机过程 [ vf (t),t∈T ] 幅值服从正态分布 σv ：脉动风速的均方差
vfi ：vf 的一条时程记录曲线
4-46
②频率特性 可用功率谱密度描述 功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布
静、烟直上
烟能表示方向，但风向 标不能转动 人面感觉有风，树叶有 微响，风向标能转动 树叶及微枝摇动不息， 旌旗展开
<1
1~5
２
３ ４
轻风
微风 和风
0.2
0.6 1.0
0.3
1.0 1.5
6~11
12~19
4~6
7~10 11~16
1.6~3.3
3.4~5.4 5.5~7.9
能吹起地面灰尘和纸张， 20~28 树的小枝摇动
16.0
—
汽船遇之极危险
海浪滔天
103~ 56~63 117 118~ 133 64~71
台风云娜 (浙江,2004.8)
台风云娜登陆时卫星云图
4-8
飓风伊万(美国,2004.9)
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）
4-9
飓风卡特里娜 (美国新奥尔良,2005.8)
z (m)
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
梯度风速(%)
z (m)
500 450 400
z (m)
500 450 400
z (m)
城市
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
梯度风速(%)
梯度风速(%)
房屋较 高的城 市市区
4.3.1 结构的风力与风效应
风力：风速
在结构物表面
风压
沿表面积分
风力（三个分量）
流经任意截面物体所产生的力
1 2 2 PM M v B 2
风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。
4-44
4.3.2 顺风向平均风与脉动风
风有两种成分构成 = 平均风 + 脉动风
平均风速和脉动风速
按照上述条件,根据全国各地气象台统计数据,用下式计算
2 v0 w0 1600
全国基本风压分布图
风荷载(可变荷载)：基本风压
城市 北京市 海拔高度(m) 54.0 基本风压(kN/m2) R=10 0.30 R=50 0.45 R=100 0.50
天津市
上海市 重庆市 济南市 南京市
3.3
2.8 259.1 51.6 8.9
高压气幕 流向
小股气流wb
wm
压力线
建筑物
w1dA
dl
(w1+dw1)dA 风压的形成(wb- wm)
w=v2/2
4-26
4.2.1 风压与风速的关系
w1dA
dl
(w1+dw1)dA

γ/2g值各地不同： 东南沿海：约1/1750； 内陆：海拔500m以下约1/1600；3500m以上约1/2600
风对构筑物的作用从自然风所包含的成分看包括平均 风作用和脉动风作用，从结构的响应来看包括静态响 应和风致振动响应。 平均风既可引起结构的静态响应，又可引起结构的横 风向振动响应。 脉动风引起的响应则包括了结构的准静态响应、顺风 向和横风向的随机振动响应。 当这些响应的综合结果超过了结构的承受能力时，结 构将发生破坏。
风流如遇到结构物的阻塞， 会形成压力气幕，即风压。 一般风速越大，风对结构产 生的压力也越大。
大气热力学环流模型
4-3
4.1.2 两类性质的大风
1.台风
台风是大气环流的组成部分，它是热带洋面上形成的低压气旋。 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 →涡旋增强→ ‥‥‥→台风
强风
疾风 大风 烈风 狂风
3.0
4.0 5.5 7.0 9.0
4.0
5.5 7.5 10.0 12.5
39~49
50~61 62~74 75~88 89~102
22~27
28~33 30~40 41~47 48~55
10.8~ 13.8 13.9~ 17.1
近港渔船皆停留 不出
汽船航行困难 汽船返航颇危险
微枝折毁，人向前行， 感觉阻力甚大
烟囱顶部及平瓦移动， 小屋有损 陆上少见，见时可使树 木拔起或建筑物吹毁 陆上很少，有时必有重 大损毁 陆上绝少，其捣毁力极 大
17.2~ 20.7
20.8~ 24.4 24.5~ 28.4 28.5~ 32.6 32.7~ 36.9
4-7
11
12
暴风
飓风
11.5
14
0.30
0.40 0.25 0.30 0.25
0.50
0.55 0.40 0.45 0.40
0.60
0.60 0.45 0.50 0.45
无锡市
杭州市
6.7
41.7
0.30
0.30
0.45
0.45
0.50
0.50
宁波市
合肥市
4.2
27.9
0.30
0.25
0.50
0.35
0.60
0.40
4.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算
风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引起高层建 筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承重桥梁、大跨 度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，产生动力荷载， 甚至引起破坏。
结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚度（或柔 度）、阻尼和质量特性。 不同的外形将引起不同的风致动力荷载。 结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。
第4章 风荷载
本章主要内容
4.1 风的有关知识 4.2 风压 4.3 结构抗风计算的几个重要概念 4.4 顺风向结构风效应 4.5 横风向结构风效应
2
4.1 风的有关知识
4.1.1 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。
由于地球自传和地球表 面大陆与海洋吸热存在 差异，大气环流复杂些
风对构筑物的破坏
对房屋建筑结构的破坏
桥梁结构的破坏 对输电系统等生命线工程的破坏 对广告牌、标语牌等的破坏 对港口设施的破坏 对海洋工程结构的破坏
风对构筑物的破坏
被飓风卡特里娜严重损 坏的新奥尔良多层建筑
风对构筑物的破坏 (风灾前后)
窗户被飓风卡特里娜严重 损坏的新奥尔良凯悦酒店
4-27
4.2.2 基本风压
• 基本风压的定义：按 规定的地貌、高度、 时距等量测的风速称 为基本风压。
标准地貌
标准高度 平均风速的时距
基本风速 或基本风压
最大风速 的重现期
最大风速的样本
4-28
• 基本风压应符合五个规定：
1 标准高度的规定：一般取为10 m 2 地貌的规定：空旷平坦 3 公称风速的时距
2.季风
季风是与一年四季有关的风。 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
4-4
4.1.3 我国的风气候总况
风力
大 台湾、海南、南海诸岛：年年受台风直接影响，最大风区 东南沿海地区：大陆大风区，台风登陆 东北、华北、西北地区 青藏高原 小 长江、黄河中下游地区 云贵高原：最小风区
风对构筑物的破坏
台风约克造 成的香港湾 仔数幢大厦 玻璃幕墙损 坏情况
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
遭受风灾的江苏某体育场
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
风对构筑物的破坏
4.2 风压
• 风压的定义：当风 以一定的速度向前运动遇到 阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。
地貌 海面 0.1~0.13 275~325 空旷平坦地面 0.13~0.18 325~375 城市 0.18~0.28 375~450 大城市中心 0.28~0.44 425~550
α
HT(m)
4-37
我国各类地貌的a及HT值 建筑结构荷载规范 (GB50009-2012)
地貌 地面粗糙度指数a A B C D
式中
v0：公称风速； v(t)：瞬时风速； τ：时距。 10 min~1 h的平均风速基本稳定，我国取τ=10 min。
4-29
4 最大风速的样本时间
风有它的自然周期，每年季节性的重复一次。 一般取一年为统计最大风速的样本时间。
5 基本风速(最大风速)的重现期 1 设重现期为 T0 年，则 T 为超过设计最大风速的概率，因为不超过 该设计最大风速的概率或保证率 P 0 为： 1 P 1 0 T0
4-5
4.1.4 风级
风力等级表
风 力 等 级 海面状况
名称
浪高（m） 一般 最高 —
0.1
海岸渔船征象
陆地地面物征象
距地10m高处相当风速 km/h mile/h <1
1~3
m/s 0~0.2
0.3~1.5
０
１
静风
软风
—
0.1
静
寻常渔船略觉晃动 渔船张帆时，可随风 移行每小时2~3km 渔船渐觉簸动，随风 移行每小时5~6km 渔船满帆时倾于一方
1.20
0.5 min
1.26
20 s
1.28
10 s
1.35
5s
1.39
瞬时
1.50
4.不同重现期的换算
不同重现期风压与50年重现期风压的比值
重现期T0 (年) μr
100
1.114
50
1.00
30
0.916
20
0.849
10
0.734
5
0.619
3
0.535
1
0.353
0.5
0.239
4-43
4.3 结构抗风计算的几个重要概念
4-6
风力等级表（续）
5 清劲风 2.0 2.5 渔船缩帆（即收 去返之一部） 渔船加倍缩帆， 捕鱼须注意风险 渔船停息港中， 在海上下锚 有叶的小树摇摆，内陆 的水面有小波 大树枝摇动，电线呼呼 有声，举伞困难 全树摇动，迎风步行感 觉不便 29~38 17~21 8.0~10.7
6
7 8 9 10