结构风工程

标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；
任一高度和任一高度处的平均风速； 地面粗糙指数
z , v z

在土木工程设计和计算中，一般采用指数律，因为指数 律比对数律计算简便，而且两者差别不是太明显。 在我国的建筑结构荷载规范中也是采用指数律。
不同地面粗糙度下的平均风剖面
第三章
结构上的平均风荷载
台风是一个大的强的空气涡旋，平均半径600-1000km，从 台风中心向外依次是台风眼、眼壁，再向外便是几十至几千km 长的螺旋云带。 台风带来的灾害有三：狂风的摧毁力、强暴雨引起的水灾 和巨浪暴潮的冲击力。
台风主要对我国东南沿海影响较大。
二、飓风 飓风的地面风速可达到70m/s，具有极强的破坏性。美国 每年由飓风造成的损失可达20亿美元。 三、季风 季节性的风称季风。由于周围热力的原因，冬季形成大 陆高压，夏季形成大陆低压。因亚洲大陆陆地辽阔，所以受 季风的影响也非常强烈。 四、龙卷风 龙卷风是一种剧烈的大气涡旋，其直径在300m左右。它 是在强雷雨中形成的。龙卷风的活动区域极广，几乎遍及全 球。在我国主要在长江三角洲和华南。
台风云图
我国风云一号气象卫 星
在台风中围绕云墙的边缘有一条相当清 楚的环状下沉运动带；而在环状下沉运动 带的外面是台风的外围对流带。
§1.2 结构风灾 国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾千成的损失 为各种灾害之首。例如1999年，全球发生严重自然灾害共造成800 亿美元的经济损失，其中，在被保险的损失中，飓风造成的损失 占70%。 一、台风灾害 1、9417号台风对浙江温州市的影响 受灾人口达1100万，死亡1100人，直接经济损失100亿元人民 币。 2、9914号台风对福建沿海的影响 风速达38m/s，死亡72人，失踪21人，直接经济损失85.6亿元 人民币。
2、标准高度
我国规范规定离地面10米高为标准高度。
3、标准重现期
我国规范规定取一年中最大的平均风速作为一个数理统 计样本。在工程中，不能直接选取各年最大平均风速的平均 值进行设计，而应取大于平均值的某一风速作为设计依据， 从概率的角度分析，在间隔一定的时间之后，会出现大于某 一风速的年最大平均风速，我们称这个间隔期为重现期。我 国规范规定基本风速的重现期为50年。 重现期限为T的基本风速，则在任一年中只超过该风速一 次的概率为1/T。而不超过该基本风速的概率为
p0 1 1 T
可以看出，重现期为50年的保证率为
p0 1 1 50 98%
4、平均风的时距 我国规范规定平均风的时距为10min。关于平均风的时 距含义
v

1
t0 2
t0 2
v t dt
各国所取的风时距不同，在引用各国资料时应进行换算。 5、概率分布类型 一般地，我们所研究的对象不会出现异常风的气候，称为 良态气候。对于这种气候，我们可以认为最大风速的每一个数 据都对极值的概率特性起作用，因此世界上许多国家把年最大 风速作为概率统计的样本，由重现期和风速的概率分布获得该 地区的设计最大风速，或称为基本风速。我国规定基本风速采 用极值Ⅰ型概率分布函数进行统计分析。 极值Ⅰ型分布：
5、由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不 舒适感。
美国塔科马大桥
1940年，美国华盛顿州塔科马 （Tacoma）海峡建造的塔科马悬索桥，主 跨853米，建好不到4个月，就在一场风速 不到20m/s的灾害下产生上下和来回扭曲振 动而倒塌了。
第二章
大气边界层的平均风特性
§2.1 大气边界层
三、龙卷风灾害
全球受龙卷风袭击的次数每年高达1000次。美国是龙卷风 的故乡，给美国造成较大的经济损失。美国出现较多龙卷风的 原因是著名的墨西哥暖流给美国南部输送了大量的暖湿气流， 形成了龙卷风气一个必要条件。 四、风灾对结构的主要损坏 风灾的损害主要体现在结构的损坏上，对桅杆结构、体育 场馆、高层建筑和桥梁结构的损坏最为突出。
4、由空气负阻尼引起的横向失稳式振动。
因此，由于风对结构的作用，会产生以下结构： 1、使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定； 2、使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外 装修材料的损坏；
3、由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；
4、气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动 力；
F1 x exp
exp x
式中，μ和σ分别为位置参数和尺度参数，由下两式获得
E x 0.5772
x 6
上两式中，E(x)和σ i分别为风速样本的数学期限望和根方差， 是已知的。实际上，风速资料的数学期望就是年最大风速x i的 数学平均值，用 x 表示，这样，由风速资料可得风速的平均 数和根方差：
1 n x E x xi n i 1 2 xi x x i 1 n 1
n 12
整理后可得到参数μ和σ，则极值Ⅰ型的概率分布函数F 1(x)就确 定了。 6、用极值Ⅰ型分布求基本风速 对
F1 x exp
台 自然界常见的风
飓 季
风（Typhoons）
风（Hurricanes） 风（Monsoons）
龙 卷 风（Tornadoes）
一、热带气旋、台风 发生在低纬度热带洋面上的低气压或空气涡旋统称为热带 气旋。从1989年起，采用国际标准，将热带气旋分为四类： 1、热带低压：热带气旋中心附近的最大平均风力6—7级； 2、热带风暴：热带气旋中心附近的最大平均风力8—9级； 3、强热带风暴：热带气旋中心附近的最大平均风力10—11级；
地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力,从而 使气流速度减慢,该阻力对气流的作用随高度的增加而减弱,当 超过了某一高度之后,就可以忽略这种地面摩擦的影响,气流将 沿等压线以梯度风速流动,称这一高度为大气边界层高度或边 界层厚度，用δ表示。在边界层以上的大气称为自由大气，以 梯度风速流动的起点高度称作梯度风高度，用z G表示，梯度 风速用v z G表示。
二、飓风灾害 1、1969年美国的一次强飓风 1969年8月17日，从古巴方向吹来的“卡迈乐飓风”横穿密 西西比海岸，西至路易斯安那及东至亚拉巴进入，沿密西西比 州的整个宽度范围内发生了严重的风灾。造成255人死亡，68人 失踪，房屋倒塌3867幢，损坏42092幢。 2、1999年底飓风对西欧的影响 1999年12月26日，从英吉利海峡吹来的飓风袭击了西欧国 家，风速高达63.9m/s，法国受灾最为严重，有70%的地区停电， 有两亿棵大树被连根拔起，光凡赛尔宫和巴黎圣母院的屋顶损 坏就需花费4~5亿法朗才能修复。飓风过后的巴黎，重建工作用 了三年。在这次飓风中，德国、瑞士、比利时、西班牙、奥地 利和意大利等国也受到不同程度的人员伤亡扣财产损失。
城市中零平均位移由下式计算
z0 zd H 0 kd
式中，H0为城市建筑屋面一般高度（），且地面阻力系数k d 由下式确定：
k kd ln 10 z0
因近地面风速随高度变化比较紊乱，不一定符合对数律的变化 规律，故在土木工程实际应用中，常将地面某一高度内的风速 近似取为常数。
作数值变换 exp x
x1 x ln ln F1
将已知的μ和σ代入，便可写成
x1 x x
x1即为所要求的设计最大风速，或基本风速，符号ψ称为保证 系数，其表达式如下：

0.5772 ln ln F1
大气底层内z′高度处的平均风速 摩擦速度或流动剪切速度
v* k , k 0.40 z0 z , z z zd
卡曼常数(Karman)
地面粗糙长度(m) 有效高度(m)
其中
z zd
离地面高度（m）
零平均位移（m）
城市覆盖层上面的和内部的风剖面线示意图
地面粗糙度长度z0是地面上湍流旋涡尺寸的量度。由于局 部气流的不均匀性，不同测试中z0的结果相差较大，故z0的大 小一般由经验确定。 Z0的取值根据不同的地面类型或地面粗糙 度而定。
6
极值型分布的保证系数与概率函数
二、基本风压
一般，由实测记录的是风速，但工程设计中则采用风压 （或风力）进行计算，这就需要将风速转换为风压。
台风在危害人类的同时，也在保护人类。 台风给人类送来了淡水资源，大大缓解了全 球水荒。一次直径不算太大的台风，登陆时 可带来30亿吨降水。另外，台风还使世界各 地冷热保持相对均衡。赤道地区气候炎热， 若不是台风驱散这些热量，热带会更热，寒 带会更冷，温带也会从地球上消失。一句话， 台风太大太多不行，没有也不行。
4、台
风：热带气旋中心附近的最大平均风力12级或以上。
在2000年以前，按年份和出现次数对热带气旋编号，9914 号为福建省厦门—龙海台风。在2000年以后，按名字命名，如 0418“艾利”。
影响我国的热带气旋都发生在西北太平洋面上，在我国登 陆的台风占整个西北太平洋台风总数的35%。 在北半球，热带气旋的风向按逆时针旋转；而在南半球， 热带气旋的风向按顺时针旋转。
§1.3 风对结构的作用
自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如 龙卷风，称为异常风，不属于异常风的则称为良态风。本教材主 要讨论良态风作用下的结构抗风分析内容。 风对结构的作用，使结构产生振动，其原因主要有以下几个 方面：
1、由与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉 动风要引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结 构中都要考虑； 2、结构物背后的旋涡引起结构物的横风向的振动，对烟囱、高 层建筑等一些自立式细长柱结构物，特别是圆形截面结构特，都 不可忽视这种形式的振动。 3、由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。
从顺风向的实测记录看出，可将风速看作为由两部分组成： 第一部分是长周期部分，其周期大小一般在10分钟以上；另一 部分是短周期部分，是在长周期基础上的波动（或称脉动）， 其周期只有几秒到几十秒。由实测可知，第一部分远离一般结 构物的自振周期，其作用属于静力性质；第二部分则与结构物 的自振周期接近，因而其作用属于动力的，且属随机的动荷载。 在实际工程应用中，常将风荷载作为静力风与动力风的共同作 用。
§3.1
基本风速和基本风压
基本风速是不同地区气象观察站通过风速仪的大量观察、 记录，度按照我国规定标准条件下的记录数据进行统计分析进 而得到该地的最大平均风速。标准条件是指标准的地面粗糙度 类别、标准高度及重现期、平均风时距和平均风概率分布类型 等。 一、基本风速
1、标准地面粗糙度类别
地面粗糙度为地面对风速的影响程度，我国目前将其分为 四类，我国规范规定标准地面粗糙度类别为比较空旷平坦地面。
Zc
V zc
自由大气
大气边界层
梯度风Байду номын сангаас度
边界层厚度
§2.2
平均风剖面
一、对数律 平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种主要方法。 目前，气象学家认为用对数律表示大气底层风速廓线比较理 想，其表达式为
1 * z v z v ln k z0
v z
式中
结构风工程
结构工程 防灾与减灾工程
黄本才编著 教 材：结构抗风分析原理及应用 同济大学出版社 参考书：工程抗风设计计算手册 中国建筑工业出版社 张相庭编者
第一章
§1.1
绪
言
自然界的风
风是空气相对于地面的运动。因太阳对地球大气加热的不均 匀性，导致不同地区产生压力差，从而产生趋于平衡的空气流动， 便形成了风。 热带气旋（Tropical Cyclone）
二、指数律
在较早的时候，对于平均地形的平均风速廓线一直采用 1916年G.Hellman提出的指数规律，后来由A.G.Davenport根据多 次观测资料整理出不同地面的风剖面，并提出平均风速沿高度 变化的规律可用指数函数描述。
v z z vb zb

式中：
zb , vb