厦门大学《风工程》课件-5大跨度屋盖结构抗风设计计算

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建筑结构抗风设计

建筑结构抗风设计在如今经济高速发展的同时，建筑的高度也飞速增高，而且建筑体型越来越复杂。

高楼引来“风速杀手”。

由于高层、超高层建筑鳞次栉比而引发峡谷效应，使城市街道风速加大，以致危及行人和行车安全。

这种峡谷效应还表现在某些高楼部分外墙表面因风速过大产生巨大负压，玻璃幕墙或大墙板块会像雪崩一样脱落，高档门窗等也常常会发生突然崩塌、坠落伤人事故。

所以，建筑高度的增高和复杂的体型使得建筑结构抗风设计的难度也在不断提高。

我们要明白风对建筑的危害机理才能更好地进行抗风设计。

风是紊乱的随机现象。

风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。

目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法；摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害。

风对建筑物表面的作用力大小，与建筑物体型、高度、建筑物所处位置、结构特性有关。

我国是世界上遭受台风灾害最为严重的国家之一,每年因台风灾害造成的经济损失十分惨重。

城市各类建筑物的损坏与倒塌是风灾直接损失的主要组成部分,快速预测和评估城市建筑物遭受风灾后的损伤情况,对城市防灾减灾工作至关重要,也是目前土木工程领域急待解决的一个问题。

接下来让我们看一些比较成功的抗风设计的实例。

1974年美国芝加哥建成443m高（加上天线达500m）110层的西尔斯大楼成为当时世界最高的建筑，纽约的世界贸易中心大厦(412m，110层)只能让位，退居第二。

大楼由9个标准方形钢筒体(22．9mx22．9m）组成。

该结构由SOM设计．建筑师为FazlurKahn。

建造到52层减少2个简体．到67层再减少2个简体．到92层再减少3个简体．到顶部变成2个简体。

这种独特结构的确引人人胜。

它是多筒结构中的巨型结构．每一个筒体都是单独简体，本身具有很好的刚度和强度，能够单独工作。

厦门大学《风工程》课件-1风压高度变化系数与体型系数

第五章风压高度系数与体型系数
厦门大学土木工程系硕士课程
5.1 风压高度变化系数
一、任一地貌任一高度风压计算公式
设标准地貌的基本风速、梯度风高度、标准高度及地面粗
糙度系数分别为 v0 , HT 0 , zs ,0 。
任意地貌的上述相应变量为 v0 , HT , z , 。
v0

HT 0 zs
si

1
wi
2 v2
由于各面各个点的风压系数值并不相等，工程上为了简化，
常取各面上的平均值或整体的平均值，来表示该面或整体所取代表面上的压力比值，称之为体型系数。
n
si Ai
s i1 A
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单体建筑风载体型系数：
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）给定了38种类别结构的风载体型系数，包括各种常见形式的屋盖结构、塔架结构及各种截面形式的房屋。

zs HT
2

z zs
2

w0 z
z 即为高度变化系数，可制表给定。
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5.2 风载体型系数
结构物体型不同，实际风压也不同，且各处分布也不均匀。确定结构物表面压力分布规律的三种方法： 1、实测——耗时耗资大，不易实现； 2、风洞试验——最为常用，存在一些出入； 3、数值模拟（CFD模拟）——计算精度有出入，前景好。
0
v0

HT zs

v0

v0

HT zs
0
0

zs HT

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则任意地貌的基本风压 w0a 为：

大跨网架屋盖结构的风振系数计算

58工程设计ＣＡＤ与智能建筑２００２年第12期总第７３期工程设计CAD 与软件应用CAD & Software Application59Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｎｄ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ２００２ 12 Ｎｏ．　７３表１反对称的两块网壳，主要采用四角锥体系形式，周围有一条钢环梁，每块网壳分别用８根巨型立柱支撑，每根立柱用８条钢索拉住网壳。

根据风洞试验模型的测点布置取东测屋盖，采用ＡＮＳＹＳ软件进行有限元建模计算。

结构参数和模型如下：（１）上弦、下弦和腹杆的杆件直径φ８～２２ｃｍ，壁厚５～１２ｍｍ，采用３－Ｄ　Ｓｐａｒ单元，共８６１１个单元；（２）钢环梁高宽各为１．５ｍ，壁厚２５ｍｍ，采用３－Ｄ　ＥｌａｓｔｉｃＢｅａｍ单元，共划分２１８个单元；（３）拉索为７束７φ５至３０束７φ５，预拉力为３００ｋＮ至４０００ｋＮ不等，采用Ｔｅｎｓｉｏｎ－ｏｎｌｙ　Ｓｐａｒ单元，共６４个单元。

整个结构一共划分单元８８９３个，节点２５２２个。

如图２所示。

３．２　施加荷载由于体育中心的屋盖和看台均为敞开结构，其上下表面同时受到风压，在计算中，取上下表面的风压差作为风载作用于屋盖的上表面。

取０．００２ｓ为时步进行计算，形成１０００个时程步，根据１：５０的试验时间比，每一时步相当于实际时间的０．１ｓ。

屋盖的上下表面同步测量时的各对测压点上的净压力系数可导出如下：　（４）其中Ｐｉｕ为作用在测点ｉ处的上表面压力，Ｐｉｄ为作用在测点ｉ处的下表面压力，Ｐ０和Ｐ∞分别是试验时参考高度处的总压和静压。

由于风洞试验的参考点在１．６２ｍ高度处，即参考点相当于实际高度为３２４ｍ。

风场Ｂ类，基本风压０．７ｋｐａ。

故得到各点的Ｃｐｉ（ｔ）时程曲线后，则对应实际建筑各点的风压时程曲线为：（５）在完成有限元建模之后，把各个测点上的风荷载时程数据采用空间插值加密，在有限元分析中的足够精度。

大跨屋盖结构抗风类型划分方法及应用

大跨屋盖结构抗风类型划分方法及应用陈波;杨庆山;武岳【摘要】根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应之间的关系,初步提出划分结构抗风类型的思想,将大跨屋盖结构分为4类抗风类型,并给出具体的划分方案,以简化风振响应和等效静风荷载的分析过程.在此基础上,以拱作为研究对象,在工程常用的参数范围内,通过风洞试验,确定屋面风荷载,对矢跨比分别为1/8和1/4的大跨拱结构的抗风类型进行系统的参数分析,研究风荷载基本参数和结构参数(矢跨比、跨度、结构截面刚度和屋面质量)对拱结构抗风类型的影响.分析结果表明:基频小于4Hz的绝大多数拱结构,脉动风响应明显大于平均风响应,脉动风响应不可忽略,属于背景响应可以忽略、共振响应占主导地位的结构抗风类型.%According to the relationship among the mean response, background response and resonant response of wind-induced response, an idea is advised to classify long-span roof structures into four wind-resistant types, and the detailed classification criterions are developed. Systematic parameter analysis of wind-resistant types of long-span arch structures is performed with the presented method in this paper, by considering some parameters of wind loading and arch structures, such as mean wind velocity, roof mass, rise-span ratio and section properties of the arch, where wind pressure loads are obtained by wind tunnel test. The results show that: the parameters of the wind loads and the structure have important effect on structural response for long-span arch structures. The fluctuating wind-induced response can't be ignored, and most arch structures, whose first naturalfrequencies are lower than 4Hz, belong to the wind-resistant type that resonant response is more predominant than background response.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】7页(P66-72)【关键词】大跨屋盖结构;拱;风荷载;风振响应;等效静风荷载【作者】陈波;杨庆山;武岳【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TU393.3大跨屋盖结构对风荷载的作用较为敏感，风荷载成为该类结构设计的控制性荷载之一.该类结构的屋面脉动风荷载常常需要通过风洞试验确定，且风振响应一般具有多振型参与结构振动的特点.如何精确地计算大跨屋盖结构风振响应和等效静风荷载，国内外学者已经开展了大量的研究工作[1-4]，但其研究成果还未纳入建筑结构荷载规范，这一现状与分析方法和分析过程的复杂性，以及如何以便于结构设计师使用的形式表示等问题密切相关.风荷载可以分为平均风和脉动风两部分，脉动风对结构的作用又可以分为背景响应和共振响应[5]，结构响应谱可分为两部分，其中一部分形状与风压谱形状相同，体现了脉动风的准静力作用，被称之为背景响应，而在结构自振频率附近的响应谱尖峰体现了因结构惯性力产生的动力放大效应，被称之为共振响应.与此对应，这两部分响应分量所对应的等效静风荷载称之为背景分量和共振分量.与风振响应特征对应，文献[3-4]将大跨屋盖结构的等效静风荷载分为平均分量、背景分量和共振分量，背景分量分析采用荷载响应相关系数法(LRC法)[6-7]，共振分量考虑了风振响应中多振型参与振动的特点，将其表示为多阶惯性力的组合.这一方法适用于常见的线性结构体系，但其分析过程较为复杂.实际上，可以根据风荷载特性和结构特性，对风振响应和等效静风荷载的分析方法进行简化，如对一些刚度较大的结构，可能不需要考虑脉动风效应或者不需要考虑脉动风中的共振响应，此时，只需要考虑平均分量，或者考虑平均分量和背景分量.文献[8]提出将结构分为小型静力结构、中型静力结构、大型静力结构和动力结构.文献[9]指出高层结构自振频率大于1 Hz时，可以忽略脉动风效应.文献[10]指出基频小于4H z，高度大于30 m，且高宽比大于1.5的高层结构均应考虑脉动风荷载对顺风向风振响应的影响.但是这些规定主要是针对高层结构，是否适用于大跨屋盖结构值得商榷.大跨屋盖结构风振响应特性与高层结构迥然不同，是否可以忽略脉动风响应，或者忽略脉动风响应中的背景分量或共振分量，需要采用更精细化的方法进行深入分析，给出具体的划分标准，从而达到简化该类结构等效静风荷载分析过程的目标.基于此，本文作者提出根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应之间的相对关系，将大跨屋盖结构分为若干类结构抗风类型，在此基础上，采用该方法对大跨拱结构抗风类型进行研究.结构的抗风分析包括确定风荷载、风振响应分析和等效静风荷载计算等3个主要过程.1)对于形体复杂的大跨屋盖结构，主要依靠风洞试验确定风荷载.当需要考虑脉动风效应时，常常需要进行同步测压试验，反之，则只需测定平均风压系数.此时可以在屋面分批分次地进行测压试验，对风洞试验中测压系统的技术要求较低.2)风振响应分析过程中，对于一些复杂结构，需要采用一些精细化方法，同时考虑平均响应、背景响应和共振响应，如Ritz-POD法[2]或三分量分析方法，将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应等3个分量.当采用风振响应三分量的分析方法时，脉动风响应可表示为结构风振极值响应可表示为式中、σy分别表示平均风响应和脉动风均方根响应;σb、σr分别表示背景响应和共振响应;g表示峰值因子，一般在3～5之间.但对于一些刚度较大的简单结构，风振响应分析过程可以简化，可仅考虑平均风响应，或者当需要考虑脉动效应时，可直接采用准静力方法.3)等效静风荷载计算包括平均分量、背景分量和共振分量，可表示为式中:P eb、W b分别表示等效静风荷载背景分量及相应的权重因子;P ej、W j分别表示等效静风荷载共振分量中第j阶振型分量及权重因子;¯F表示平均风荷载.在具体分析过程中，根据是否可以忽略脉动风响应，或脉动风响应中的背景响应或共振响应，对等效静风荷载计算过程进行简化.综合抗风分析的3个主要过程可知:根据平均风响应、背景响应和共振响应的相对大小，可以判断是否能够忽略脉动风响应，或者脉动风响应中的背景响应或共振响应.若能给出忽略各分量响应的具体条件，则在实际工程应用中，使确定风荷载、风振响应分析和等效静风荷载的计算过程简化.因此，根据平均响应、背景响应和共振响应之间的大小关系，可划分结构抗风类型，从而达到简化部分结构抗风分析过程的目的.在结构抗风类型划分过程中，主要考虑两个层次上的关系，即:与平均风响应相比，是否需要考虑脉动风的响应;若需要考虑脉动风响应，是否需要考虑背景响应或者共振响应.层次1:脉动风响应与平均风响应的关系.当脉动风响应小于平均风响应的10%时，可以认为脉动风可以忽略不计，即满足层次2:共振响应与背景响应的关系.在提出具体的结构抗风类型划分标准前，先根据式(1)给出的背景响应和共振响应组合方法，确定背景响应或共振响应可以忽略的条件.假设不考虑某一响应分量的影响所引起的误差小于10%，则该响应分量可以忽略不计，根据式(1)，有式中:a、b分别表示风振响应的背景响应或共振响应相当于式(1)表示的结构脉动风响应.式(5)和式(6)间的误差为0.56%.式(4)和式(5)中的误差取为10%，是综合考虑了工程应用方便性和计算精度，具有一定的经验性.脉动风效应与平均风响应组合得到总风效应(见式(2))，且在结构承载能力极限状态设计和正常使用极限状态验算阶段，风效应应与恒荷载和其他活荷载效应进行荷载工况组合.因此，式(4)和式(5)所引存在的误差导致结构设计阶段的最大效应组合值计算误差将明显小于10%，可认为是能够满足工程精度要求.此外，可以用Davenport所提出等效静风荷载中的阵风荷载因子[5](类似于中国建筑结构荷载规范的风振系数)，间接地描述平均风效应、背景响应和共振响应间的相对关系，阵风荷载因子为式中表示忽略结构动力放大作用的极值风响应;βs为阵风效应因子，不考虑结构动力放大作用时体现风荷载的阵风效应，与《建筑结构荷载规范》中的阵风系数相似;βd为动力放大系数，主要体现结构的动力放大作用.这样，平均风效应、背景响应和共振响应间的相对关系可以用具有明显物理含义的阵风荷载因子G、阵风效应因子βs和动力放大系数βd描述.基于两个层次的考虑，本文作者提出了根据风振响应中平均响应、背景响应和共振响应的相对大小，将大跨屋盖结构抗风类型分为Ⅰ～Ⅳ类:Ⅰ类结构.这类结构的特点是刚度较大，且屋盖表面的脉动风压成分较小，满足式(4)，此时结构的脉动风响应较平均风响应可以忽略不计，阵风荷载因子 G较小，风效应分析以及等效静风荷载只需要考虑平均风荷载.Ⅱ类结构.这类结构的特点是刚度较大，与Ⅰ类结构的主要区别在于脉动风响应不可忽略，且脉动风响应以背景响应为主，阵风效应明显(βs较大)，但是动力放大系数βd较小.背景响应与共振响应间的比值大于2，此时按照式(5)，共振响应的影响可以近似忽略，风振响应只需考虑平均响应和背景响应，即等效静风荷载也只需考虑平均分量和背景分量Ⅲ类结构.这类结构的刚度介于Ⅱ类和Ⅳ类之间，需要同时考虑结构的背景响应和共振响应，等效静风荷载则需要同时考虑平均分量、背景分量和共振分量.风振响应分析需要按照式(2)分析，等效静风荷载需要按照式(3)计算.Ⅳ类结构.这类结构的特点是刚度较小，脉动风响应较大，且脉动风响应以共振响应为主，阵风效应明显，且动力放大系数βd较大.共振响应与背景响应间的比值大于2，此时按照式(5)，背景响应的影响可以近似忽略，风振响应分析只需考虑平均响应和共振响应，即等效静风荷载以只需考虑平均分量和共振分量图1给出了代表3类不同抗风类型结构的响应谱特征，分别是国家体育场、某拱结构和某单层球面网壳结构的一个节点竖向位移响应谱.从图1可以看出:对于Ⅱ类结构，结构自振频率附近的响应谱明显低于低频位置的响应谱;对于Ⅲ类结构，自振频率处的响应谱峰值明显，但峰值大小及附近的面积(包围的面积大小就是均方响应)与低频响应成分处于同一数量级;对于Ⅳ类结构，结构自振频率附近的响应峰值十分明显，而且峰值大小及附近的面积远大于低频响应成分.上述结构分类方法是基于风振响应中平均响应、背景响应和共振响应的相对大小，不便于工程应用.在研究过程中，应建立结构抗风类型与脉动风荷载、结构的基本几何参数或结构动力参数之间的直接联系，这样结构工程师只需通过风荷载和结构基本参数，就可确定结构抗风类型，进一步选择相应的抗风分析方法，从而简化部分结构的抗风分析.影响风振响应中3个响应分量相对大小的主要因素包括屋面风荷载的分布特征和结构刚度的大小.对于某一具体结构形式，屋面风荷载分布特征相似，结构的基频能够较好地反映结构的刚度和动力特性.因此，针对某一类型结构，可以通过参数化研究，根据风荷载基本参数(如平均风速)和结构基频，划分结构抗风类型.研究结构抗风类型划分的关键是大规模计算结构风振响应，分析风振响应随各参数的变化规律.平均风荷载下的平均响应可以直接采用静力方法进行计算.背景响应是反映脉动风荷载的准静力效应，采用准静力方法计算将更为高效.在脉动风荷载作用下，t时刻的背景响应可表示为式中:{i r}表示该响应的影响线函数;{P(t)}表示脉动风荷载向量.ij、pj(t)分别表示{i r}和{P(t)}的第j个元素;N表示结构的总自由度数.根据式(14)，可以将背景响应的功率谱表示为式中:Spjpk(n)表示 j，k自由度两方向间脉动风荷载的互谱密度.根据式(15)，背景响应均方根为共振响应可采用振型分解法计算，其主要贡献振型可以根据文献[2]所述方法进行选择.共振响应的功率谱矩阵可表示为式中:{ψ}j和{ψ}k分别表示{ψ}的第 j阶和第k阶振型;表示第 j阶与第k阶振型广义力互功率谱;Hk(n)表示频响传递函数表示振型广义坐标响应谱密度是H j(n)的共轭复数.对式(17)进行积分，便得到第 i自由度的共振响应均方根值根据第1节所述结构抗风分类方法，以拱结构作为研究对象，研究风振响应随风荷载参数和结构参数的变化特性，并对拱结构的抗风类型进行分类.拱结构作为大跨度屋盖结构的一种基本结构形式，可以看作两边支承柱面网壳或者拱桁架的简化模型，在实际工程中应用较为广泛.图2为所分析的拱结构模型，两支点为固定铰支座.其中，h0为檐口高度;f为拱的矢高;L为拱的跨度.将拱模型均匀地划分为20个节点和20个单元，其编号从左侧到右侧按顺序依次增大.为确定拱形屋面的风荷载，进行了矢跨比分别为1/8和1/4的柱面屋盖结构刚性模型同步测压试验.风洞试验在长安大学大气边界层风洞进行，试验段高2.5 m，宽3.0m，长 15m.拱结构原型的跨度L=80m，檐口高度h0=20m.试验模型几何比例为1∶100，屋面共布置204个测压点，按B类地貌进行同步测压试验，采样频率为312.5 Hz，可以获取屋面平均压力和脉动压力，以用于结构风振响应分析.图3和图4分别给出了B类地貌条件下，矢跨比为1/8和1/4的柱面结构的风洞试验结果，风压系数参考点为离地面10m高度处.假定拱位于试验模型长边方向的中间位置，如图3(a)所示的1-1剖面位置，根据柱面风洞试验结果就可以确定图2所示拱结构的平均风荷载和脉动风荷载，用于风振响应分析.当风向为图3所示的方向时，对结构较为不利.拱结构的参数设计符合工程设计要求、并覆盖工程常用应用范围的原则.拱的截面尺寸根据跨度、矢跨比和拱的间距确定，满足变形和承载力要求，文中所有参数均在常用范围内选取，考虑主要参数变化.每榀拱之间的间距为6 m.结构矢跨比对结构动力特性和风荷载影响较大;屋面质量对结构动力特性有较大影响，在矢跨比一定的条件下，改变结构跨度和屋面质量对结构动力特性的影响相似，因此，着重考虑屋面质量的变化.1)结构跨度.跨度 L取 80m和40 m两种.该类屋面近似为钝体，其屋面风压主要受特征湍流控制，因此，同一次风洞试验的脉动风压系数适用于不同跨度、但几何形状完全相同的拱结构.2)矢跨比.矢跨比是影响拱结构力学特性的重要参数，而且直接影响屋面风荷载的分布特征，根据开展的风洞实验，屋盖矢跨比f/L分别取1/8和1/4.3)屋面质量.屋面质量(不包括拱构件自重)分别考虑了10 kg/m2、60 kg/m2和100 kg/m2共3种情况.当平均风速为30 m/s时，还增加了30 kg/m2和150kg/m2两种情况.4)截面类型.主要考虑了4种截面刚度:截面1，面积为0.011m2，惯性矩为0.000 244 m4，截面高度为400mm;截面 2，面积为 0.021 m2，惯性矩为0.00195m4，截面高度为800 mm;截面 3，面积为0.032 m2，惯性矩为0.006 59 m4，截面高度为1 200mm;截面 4，面积为 0.043 m2，惯性矩为0.015 60 m4，截面高度为1 600mm.结构跨度为40 m时，分别取截面1、截面2和截面3;跨度为80 m时，分别取截面2、截面3和截面4.在矢跨比、屋面质量和截面变化范围内，结构的基频在0.4～7.0Hz之间变化，涵盖了较大范围.5)平均风速.考虑的平均风速分别为25m/s、30 m/s、35m/s和40m/s.对应的基本风压在0.4～1.0 kN/m2范围变化.考虑以上各参数的变化，共分析了168个拱结构的风振响应.在参数变化范围内，按照第1.3节的风振响应三分量频域分析方法对大跨拱结构的风振响应进行系统的参数分析.结果表明，所有拱结构的极值响应与平均风响应之比均大于2，没有出现结构抗风为Ⅰ类的情况.因此将着重研究背景响应与共振响应间的比值随风荷载参数和结构参数的变化规律.因各点位移及各单元应力的背景响应和共振响应间比值存在一定差别，定义针对整个结构的背景响应与共振响应间比值，即式中表示第i个节点位移或者第i个单元的背景响应和共振响应间比值.对于跨度 L=80m、矢跨比 f/L=1/8、第4种截面、屋面质量为60 kg/m2、平均风速为30 m/s的拱结构，图5分别给出了竖向位移和杆件内力中背景响应与共振响应间比值的分布特征.可以看出:根据位移响应和单元应力计算的针对整个结构的背景响应与共振响应的比值较为近似;不同节点间的位移背景响应与共振响应比值较为近似.因此，选取针对整个结构竖向位移响应的背景响应与共振响应的比值作为划分结构抗风类型的响应指标.图6给出了屋面恒荷载为60 kg/m2，不同矢跨比、不同跨度和不同平均风速条件下，背景响应与共振响应间比值的变化规律.可以看出:背景响应与共振响应间的比值，基本呈现随着平均风速的增大，比值逐渐减小的总体变化趋势，但波动幅度较小.图7给出了跨度 L=80 m、矢跨比 f/L=1/4、V0=30 m/s，不断改变拱截面和屋面质量时，背景响应与共振响应比值的变化情况.图7中所呈现的基本趋势是:随着屋面质量的增大，截面刚度的减小，结构刚度变柔，基本呈现背景响应与共振响应间的比值也逐渐减小的总体变化趋势.通过参数化研究可知:影响背景响应与共振响应间比值的主要因素是风速和结构特性;风速越大，背景响应与共振响应间的比值呈现减小的趋势，但变化幅度不大;矢跨比越大、截面刚度越小、屋面质量越大时，拱结构自振频率越小时，背景响应与共振响应间比值呈现逐渐减小的趋势.风速是体现荷载特性的重要参数.跨度、矢跨比、截面刚度和屋面质量是影响结构动力特性的主要参数，可用结构的第1阶自振频率(基频)综合反映这几个影响因素的共同影响.为此，以第2.4节的参数分析结果为基础.图8给出了在不同设计基本风速条件下，背景响应与共振响应间的比值与结构自振频率的变化规律.从图8可以看出:基频小于4 Hz，且背景响应与共振响应之比小于0.5的绝大多数拱结构都属于脉动风响应不可忽略，背景响应可以忽略，共振响应占主导地位的Ⅳ类结构.结构抗风类型的划分方法，在工程应用时，可以采用式(12)和式(13)这一简化方法计算结构风振响应和等效静风荷载，忽略风振响应和等效静风荷载的背景分量，使抗风分析过程得以简化.1)在研究确定风荷载、风振响应分析和计算等效静风荷载等过程的基础上，初步提出了划分大跨屋盖结构抗风类型的思想，并给出了具体划分方法，能够有效地简化抗风分析过程.2)对于大跨拱结构，风荷载基本参数和结构参数对结构风振响应特性都有较大影响，基频小于4 Hz的绝大部分拱结构属于脉动风响应不可忽略，背景响应可以忽略、共振响应占主导地位的Ⅳ类结构.【相关文献】[1]M asanao Nakayama，Yasuhito Sasaki，Keiji M asuda.An efficientmethod forselectionof vibrationmodes contributory to wind responseon dome-like roofs[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam ics，1998，73:31-43.[2]Chen Bo，Wu Yue，Shen Shizhao.A new method for wind-induced response analysis of long span roofs[J].International Journal of Space Structures，2006，21(2):93-101.[3]陈波，杨庆山，武岳.大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法[J].土木工程学报，2010，43(3):62-67.CHEN Bo，YANG Qingshan，WU Yue.Multi-objective equivalent static wind loads forlarge-span structures[J].China Civil Engineering Journal，2010 ，43(3):62-67.(in Chinese) [4]顾明，周暄毅.大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应用[J].建筑结构学报，2007，28(1):125-129.GU Ming，ZHOU Xuanyi.Equivalent static wind loads of large-span roofstructure[J].Journal of Building Structures，2007 ，28(1):125-129.(in Chinese)[5]Davenport A G.Gust loading factors[J].Journal of the Structural Division，1967，93(ST3):11-34.[6]Holmes JD.Effective static load distributions in wind engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam ics，2002(90):91-109.[7]Kasperski M.Extreme wind load distributions for linear and nonlineardesign[J].Eng.Struct，1992，14:37-34.[8]Harris R I.The classification of structures for assessment and codification of w ind effects[C]∥Wind Engineering:Proceedings of the Fifth International Conference，Colorado，USA，1982，2:1257-1269.[9]ASCE 7-05，Minimum design loads for buildings and other structures[S].American Society of Civil Engineers，2006.[10]GB 5009-2001，建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2006.GB 5009-2001，Load code for the design ofbuilding structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2006.(in Chinese)。

第5章结构抗风设计

5.1.2.2 风振响应分析
在第 4 章中介绍结构风致振动的类型及分析方法，但并非所有的结构的脉动风响应都显著，对于柔性结构属于风敏感结构，需要同时考虑风的静力和动力作用，但等效静风荷载的确定较为繁琐；对于刚性结构，其风致动力放大效应可以被忽略，仅需考虑风的静力作用即可。
系数，基本风压和风压高度变化系数已在前面做了介绍，下面将介绍风荷载体型系数和风振
系数。
5.1.2.1 风荷载体型系数
建筑物上某点的风荷载体型系数 μsi 是指风作用在其表面上所引起的实际压力（或吸力） wi 与来流风的速度压 ρUi2/2 的比值，即：
si
wi
U
2 i
2
(5-6)
式中，Ui 为测点高度的平均风速。由于大气边界层中建筑物的风压分布是不均匀的，因此，在实际工程中，通常采用整个
wa (z) w0
U
2 a
(
z
)
2
U
2 0
2
(5-1)
将式错误！未找到引用源。代入式(5-1)，并将 ZG0 =350m， z0 =10m，0 =0.15 代入得：
z
(z)
(
z ZGa
)2
(
ZG0 z0
)20
=2.905(
z ZGa
)2
根据不同的和 ZGa，可得到不同地貌下的风压高度变化系数分别为：
结构基本信息结构类型外形动力特性等建造地风场基本信息基本风压地貌类型是否存在特殊地形等依据荷载规范风洞试验或相关资料主体结构抗风设计围护结构抗风设计结构是否需要考虑风振确定体型系数平均风荷载动力效应等效风荷载确定局部体型系数阵风系数围护结构设计风荷载主体结构设计风荷载顺风向横风向扭转风振静力效应是图51结构抗风设计的基本流程511风场基本信息5111基本风压基本风压w0是由基本风速通过伯努利方程即式错误

结构抗风设计

结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动。

顺风向弯剪振动或弯扭耦合振动当无偏心力矩时，在顺风向风力作用下，结构将产生顺风向的振动，对高层结构来说，一般可为弯曲型（剪力墙结构），也有剪切型（框架结构）和弯剪型（框剪结构）。

当有偏心力矩时，将产生顺风向和扭矩方向的弯扭耦合振动；当抗侧力结构布置不与x、y轴一致而严重不对称时，还可产生顺、横、扭三向的弯曲耦合振动。

横风向风力下涡流脱落振动当风吹向结构，可在结构周围产生旋涡，当旋涡脱落不对称时，可在横风向产生横风向风力，所以横风向振动在任意风力情况下都能发生涡激振动现象。

在抗风计算时，除了必须注意第一类振动外，还必须同时考虑第二类振动现象。

特别是，当旋涡脱落频率接近结构某一自振频率时，可产生共振现象，即使在考虑阻尼存在的情况下，仍将产生比横向风力大十倍甚至几十倍的效应，必须予以高度重视。

空气动力失稳（驰振、颤振）结构在顺风向和横风向风力甚至风扭力矩作用下，当有微小风力攻角时，在某种截面形式下，这些风力可以产生负号阻尼效应的力。

如果结构阻尼力小于这些力，则结构将处在总体负阻尼效应中，振动将不能随着时间增长而逐渐衰减，却反而不断增长，从而导致结构破坏。

这时的起点风速称为临界风速，这种振动犹如压杆失稳一样，但受到的不是轴心压力，而是风力，所以常称为空气动力失稳，在风工程中，通常称为弛振（弯或扭受力）或颤振（弯扭耦合受力）。

空气动力失稳在工程上视为是必须避免发生的一类振动现象。

当结构沿高度截面缩小时（倾斜度不大于0.02）,可近似取2/3结构高度处的风速和直径。

三个临界范围的特征为：亚临界范围：周期脱落振动超临界范围：随机不规则振动跨临界范围：基本上恢复到周期脱落振动5103Re ×<5.0~2.0≈L µ65105.3Re 103×≤≤×2.0≈L µ6103Re ×>25.0~2.0≈L µ（6-44）（6-43）（6-42）周期振动可以引起共振（涡流脱落频率接近自振频率）从而产生大振幅振动。

厦门大学《风工程》课件-2顺风向风振、风振系数和阵风系数

i j
需要注意的是，csd 得到的互谱为复数，可根据实际情况或直接计算，或仅取实部进行计算，或取其模进行计算。三者所得结果有一定差别，但均可为实际工程所接受。
厦门大学土木工程系硕士课程二、计算顺风向风振时，可根据准定常理论求得。顺风向准定常理论有以下假设： 1、假定压力系数与时间无关，平均风压成为一个定常量，而脉动风压随时间的变化情况与风速保持一致，即： 1 P ( z , t ) v 2 ( z , t )C ( z ) 2 v( z , t ) v ( z ) v( z , t )
厦门大学土木工程系硕士课程
本章仅考虑高耸结构、高层建筑等竖向直立结构承受水平风作用的情形，因此，也仅考虑竖向直立结构的顺风向风振及顺风向风振系数，大跨度屋盖与桥梁等结构的风振将在后续相关章节论述。
6.1 结构顺风向风振随机振动理论与风振系数
如第2章所述，结构在脉动风荷载作用下的运动方程为：
[M ]{ y} [C ]{ y} [ K ]{ y} {P(t )}
厦门大学土木工程系硕士课程（2）Harris等其他学者沿高度变化的谱
nS ( z , n) 1 ( z ) ( z ) f b 2 v* (a 2 ( z ) f c ) d nz f v
1 ( z),2 ( z), a, b, c, d 等均式中，f 为莫林坐标，为无量纲数，为无量纲数。
i j
S Pi Pj ( ) S Pi ( ) S Pj ( ) coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , )
其中，SPi ()、SPj () 分别为 i、j 两点脉动风力的自功率谱密度函数，两点的坐标分别为 ( xi , yi , zi ) 和 ( x j , y j , z j ) ，两点处脉动风力的相干函数为 coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , ) 。上述系列公式可用于对任意结构的脉动风力响应进行计算，包括了各振型响应以及各振型耦合项响应的贡献。考虑的模态越多，结果越准确，越接近于时程分析的结果。

厦门大学《风工程》课件-0建筑结构风洞试验过程、结果计算与使用方法

地貌类别
A B
地表状况
近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区

0.12 0.16
ZG(m)
300 350
C D
有密集建筑物群的城市市区有密集建筑物群且房屋较高的城市市区
0.22 0.30
400 450
二、风洞试验基本过程
1、风场类型的选择与风洞中的模拟
二、风洞试验基本过程
6、试验风向角间隔
实验模型安放在实验转盘上。实验时通过旋转转盘，模拟不同风向的作用。实验风向角国外一般为10度间隔（即模拟36个风向），国内一般为15度间隔（24个风向）。在最不利风向之间再增加一个角度试验。
二、风洞试验基本过程
7、采样频率和样本长度
测压信号采样频率我们通常为 312.5Hz ，每个测点采样样本总长度为 6000 个数据，即每个测点采样时间
一、风洞试验必要性
2、风洞试验类型
一个单自由度气弹模型例子
(Isyumov,1982)
一、风洞试验必要性
2、风洞试验类型
多自由度气弹模型例子
刚性模型测压试验例子-世茂国际广场
刚性模型测压试验例子-上海铁路南站
刚性模型测压试验例子-上海F1赛车场副看台
刚性模型测压试验例子-首都机场T3A、T3B航站楼
一、风洞试验必要性
2、风洞试验类型
B、高频动态天平测力试验
假设结构的一阶振型为理想的线形振型，则结构广义力与基底倾覆力矩之间存在着简单的线形关系。利用高频动态天平直接测得模型的倾覆力矩就可获得广义力，得到结构的风荷载，从而可计算出结构的风致动态响应。高频动态天平所测的气动力仅与结构的建筑外形有关，而结构的质量、刚度和阻尼在以后用解析方法求结构响应时考虑。

大跨度平屋面的风振响应及风振系数

First five frequencies for various roof thickness (Hz)
振型一 0.299 0.398 0.598 振型二 0.747 0.996 1.495 振型三 0.747 0.996 1.495 振型四 1.197 1.596 2.394 振型五 1.１５ｍ０．２０ｍ０．３０ｍ
1.286 1.283 1.815
1.286 1.293 1.815
1.286 1.293 1.815
1.286 1.293 1.816
1.286 1.293 1.816
1.286 1.293 1.816
图3 Fig.3
0°和 45°风向角下屋面板的
σx (cm)
将屋面板划分成四边形单元(沿 x 轴和 y 轴方向各 32 等分，共 1024 个四边形单元)，并通过有限元分析程序 ALGOR93 计算后，得到屋面板的各阶振型及自振频率。图 2 所示的是屋面板的前三阶基本
54
工
程
力
学
振型示意图。由于屋面板呈正方形，故第二、三振型频率相同。表 1 所列的是 40m 跨度屋面板在不同厚度下前五阶振型的自振频率。
虽然这两种风振系数在数值上差异比较大但是如果将按这两lidi轴方向各节点的荷载风振系数及位移风振系数分别作用在屋面上得到的屋面各节点的位移与屋面在风荷载作用下产生的实际位移sixi20020020020020020020050100150200250300350li178244288303288244178di2112132152152152132115010015020025030035020020020020020020020012517224630331926819119320020821522122322456比都是比较吻合的见图5图中分别3荷载风振系数在整个屋面各节点上的数值差异比较大而位移风振系数在各节点的值变化不大因此在实际工程设计中建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载它既正确又使用方便

厦门大学《风工程》课件-3横风向旋涡脱落风振及共振响应

t(s)
t(s)
随机减量计算过程示意图
厦门大学土木工程系硕士课程二、基底弯矩风洞试验根据研究的需要，采用了15种不同断面的模型，模型的高宽比在4/1～9/1范围内变化，宽厚比在1/3～3/1范围内变化,模型截面角点不设或者设置5％，10％或20％削角和凹角。15个模型的截面形状如下图所示。模型高度均为600mm，若缩尺比取为 1/500，等效超高层建筑高度为300m。
2 f p 105 (191 9.48 w 1.28 hr hr w )(68- 21 db 3db )
0.4 1 2 S p 0.1 w 0.0004 e w (0.84 hr 2.12 0.05 hr )(0.422 db 0.08 db ) 2
0.010
s=2.17％C类风场
拟合值
a,x
0.005
0.000
-0.005 4 6 8 10 12 14
U/(f1B)
厦门大学土木工程系硕士课程
7-2 圆形截面高层建筑横风向风振研究方法
第一章已经阐明，对圆柱体而言，不同的雷诺数范围，出现不同的风致振动特征，在 Re 3 105 时，即亚临界范围，为周期性的旋涡脱落振动；当 3 105 Re 3.5 106 时，即超临界范围，为不规则的随机振动，当 Re 3.5 106 时，即跨临界范围，又逐渐由不规则随机振动出现规则的周期振动。对于亚临界和超临界随机振动而言，由于风力尚小，一般远离设计荷载，但 Re 对于跨临界范围，由于大必然风速大，对此可能产生的共振，必须予以严密的注意和验算。
8
9 D E F G H I
ABCD
ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD

大跨度结构的抗风设计

大跨度结构的抗风设计摘要：大跨度结构设计中风荷载是控制荷载之一。

由于其在风荷载和结构特性方面的复杂性，至今还没有建立像高层建筑那样有效的风荷载分析方法。

本文回顾总结国内外大跨度结构抗风设计方法，并指出其存在的不足，进一步分析这种结构的破坏形式及有关的抗风措施。

关键字：风荷载，风压分布，风振响应，风洞试验，抗风措施Abstract: the big span structure design stroke is one of the load load control. For the wind load and structure characteristics of complexity, so far no set up like that effective high-rise building wind load analysis method. This paper reviewed and summarized up big span structure wind design method, and points out the existing problems and further analyses the structure, the destroy form of wind resistance and relevant measures.Key word: wind loading, wind pressure distributions, wind vibration response, wind tunnel test, wind measures1. 引言借着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的契机，在中国掀起了一股修建大跨度体育馆（场）的热潮，出现了像“鸟巢”、“水立方”等跨度大、建筑新颖、结构复杂的建筑物。

DavenPort[1]曾经说过，如果没有风，结构尤其是大型结构的设计将会容易很多，造价也会低很多。

抗风设计 PPT课件

脉动风是平均风基础上的脉动，其周期与结构物的自振周期较为接近，因此对结构的作用是动力的。
横风向:动力扭转：对称结构，一般可以忽略。
细长柔性结构,横风向可能产生很大的动力效应.
4
一、顺风力（平均风力+风振力）
5
1、基本风压
6
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）进一步规定基本风压重现期及其使用情况
16
高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒服，甚至不能忍受，两者的关系如下表。
舒适度与风振加速度的关系
不舒适的程度无感觉
建筑物的加速度＜0.005g
有感
0.005g～0.015g
扰人
0.015g～0.05g
十分扰人
0.05g～0.15g
不能忍受注：g 为重力加速度。
基本风压重现期及其使用情况
重现期 10 年 50 年 100 年
适用情况舒适度控制抗风设计抗风设计
基本风压 w0 （ kN m2 ）是以当地空旷平坦地面以上 10m 高度处统计所得在
规定重现期内 10min 平均最大风速 v0 （ m
s ）为基本风速，按 w0
1 1600
v02
计
算确定
7
几点说明（1）考虑到房屋高度大于60m的高层建筑对风荷载比较敏感，承载力设计时风荷
20
21
三、扭转风振
GB50009-2011 规定：
(1)基本自振周期 T1>0.25s 的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）
(2)高度 H >30m 且高宽比 H/B >1.5 的高柔房屋
考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响

高层建筑第三讲结构抗风设计PPT课件

第68页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
风压基本特点紊乱性和随机性迎风面压力，背风面吸力风压的不确定性
第69页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
第70页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
第71页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
第72页/共99页
高层建筑结构概念设计
第42页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第43页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第44页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第45页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第46页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第47页/共99页
高层建筑结构概念设计
风压数值模拟
第67页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
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。结构的阻尼越高，其风致振动的响应也就越小。风致振动减振措施研究一般也是从这四方面着手。
第66页/共99页
高层建筑结构概念设计
风荷载概述
当风以一定速度吹响建筑物时，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。

第六讲结构抗风计算概念顺风效应ppt课件

3.3.2 顺风向平均风与脉动风：
顺风向风速成分
长周期成分(10min) 顺风向风效应
短周期成分(几秒)
平均风(稳定风)
脉动风(阵风脉动)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
计算单位宽度内底部弯矩
mk =0.43×10+0.64×30 +0.88×50+1.11×70+1.29×90 =261.3 (kN.m/ m2)
Mk =261.3 ×20 ×33=1.72 ×105 (kN.m)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
例题---顺风向风效应已知城市市区一矩形平面RC高层建筑,平面沿高度保持不变。 H=100m,B=33m。基本风压w0=0.44kN/m2，结构自振周期T1=2.5s。求风产生的建筑底部弯矩。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
V>V0或V=0 μS〈 0
V<V0或V=0 0〈μS ≤1
实用时将同一部位的μS
值进行平均，作为该部位的风荷载体形系数代表值
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用