第三讲：风荷载(8课时)

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1.2
季风
季风的三大特点
①是大范围地区的盛行风向随季节改变的现象； ②随着风向变换，控制气团的性质也产生转变； ③随着盛行风向的变换，带来明显的天气气候变化。
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1.3 1) 含义
龙卷风
呈漏斗状，移动速度通常超过每小时 300 公里。是一个旋转猛烈的圆形空气 柱，上端与雷雨云相接，下端或者悬在半空中，或者直接延伸到地面或水 面。
（B—受风宽度）
(7)基底剪力： 基底弯矩：
例题6
脉动增大系数-《高层混凝土规程》
振型系数（1）
作业
特殊情况下的风荷载计算-群楼效应
特殊情况下的风荷载计算-山区风荷载
例题6
例题7
美国旧金山金门大桥， 1937年建成，主跨 1280m。桥面加劲钢桁 架的宽跨比为1：47， 而高跨比仅为1：168， 在当时为最小。但有时 在风力作用下左右摇摆 的幅度竟达4m，使得 该桥有时不得不停止使 用。
高层建筑和高耸结构的抗风设计要求
①为了使高层建筑不会发生破坏、倒塌、结构开裂，残余变形过大 现象，保证结构的安全，结构的抗风设计必须满足强度要求 ②为防治隔墙开裂，建筑装饰及非结构构件的损坏，结构抗风设计 必须满足刚度设计的要求。
③须满足舒适度的设计要求
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高层房屋抗风设计的原则
多层房屋的风荷载
• 考虑风振的情形
(1) H＞30m、H/B(窄边宽度)＞1.5同时满足
(2) 自振周期T1＞0.25s的高耸结构 (3) 跨度＞36m的屋盖
高层建筑自振周期的确定
《荷载规范》
总风荷载的确定
风荷载的等效换算
例题
例∶已知剪力墙结构如图所示，38层，123.5m高，位于城市郊区 Ⅱ类场地，基本风压 ，已知结构基本自振周期1.9s。 (墙厚300mm)
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台风灾害
实例1：1994年8月21日晚，9417号台风在浙江省温州市登陆，最大风力
在12级以上，温州沿海受12级以上风力袭击的时间长达10小时，伴有大雨 和大潮，受灾人口达1100万人，直接经济损失超过100亿元。
实例2：2001年9月16日，“纳莉”台风在中国台湾北部登陆，风力强劲，
台风中心最大风速145km/h, 瞬间达180km/h, 同时带来持续降雨，出现严重 积水，台湾岛内交通完全瘫痪。
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1.1 1) 概念
热带气旋
发生在热带海洋上的大气漩涡，是热带低压、热带风暴、 台风和飓风的总称。
随地区不同而异，主要由太阳辐射在洋面所产生的大量热能转变为动能 而产生。
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热带气旋划分标准
①热带低压 平均最大风力小于8级
②热带风暴 平均最大风力 8~9 级 ③强热带风暴 平均最大风力为 10~11 级 ④台风 平均最大风力为 12 级或 12 级以上
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龙卷风特征
发生在海上，犹如“龙吸水”，称为“水龙卷”； 出现在陆地上，将卷扬尘土，卷走房屋、树木，称为“陆龙卷”。 一般情况下，风速在50~150m/s，极端情况下，达到300m/s或超过声速。
主要发生地
国外，主要发生在美国，其次是墨西哥英国意大利、澳大利亚、新西兰， 日本等。我国主要发生在华南和华东地区，此外，还经常出现在南海的西 沙群岛上，范围较小，寿命也相对比较短促。
风振效应的影响因素
• 主要取决于结构自身的刚度（高度）：刚度越小（高 度越大），自振周期越长，动力效应越明显
• 规范中以房屋的高度、结构的自振周期、结构的高 宽比作为确定风振系数的主要参数
《规范》的规定
风振系数的计算
脉动增大系数-《高层混凝土规程》
脉动增大系数-《荷载规范》
脉动影响系数(1)
《高层混凝土规程》的补充规定
《高层混凝土规程》的补充规定
对风荷载体形系数的讨论
合理的建筑体型
①流线形平面
采用圆形或椭圆形等流线形平面的楼房，有利于减少作用于结构上的 风荷载；采用三角形或矩形平面的高楼，转角处设计成圆角或切角， 可以减少转角处的风压集中
②截锥状体形
采用上小下大的截锥状体形，可以减小楼房上部较大的风荷载，并较 小了风荷载引起的倾覆力矩
桥体在风的作用下振动，人们纷纷从远处赶来亲眼目睹桥面是 怎样在中等风力作用下飞舞摇动、起伏不定，以至后面车辆的
大桥塌 落瞬间
装配板和钢梁扭 曲、弯曲的情况
大桥最后竟在风速不大 （56~67km/h)时因震荡幅度 过大，产生共振塌落。
大桥塌落 之后拍下 来的照片
塔科马新桥
20世纪40年代以前，作为大跨度桥梁的悬索桥没 有发生过事故。这就导致了一个错误的结论：主 缆刚度足够大，以至加劲梁梁体刚度无足轻重。 实际上，当桥梁跨度超过200m时，风载的影响将 显著增大。因此，特别是承载铁路交通的悬索桥 更需要有足够的结构刚度。
• 风对房屋表面的作用力不等于基本风压值，风的作用力随房 屋体型、尺度、表面位置，表面状况有关。
风作用在建筑物表面上所引起的实际压力与来流风的 速度压的比值——风荷载体型系数 • 建筑物表面任一点的净风压力除以建筑物来流风压，再加权 风洞试验 平均
风载体型系数ms
• 描述了房屋表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律 ，主要与房屋的体型和尺度有关。 设计时采用各个表面风作用力的平均值
1.06
1.50
1.79
2.00
2.16
(4)求风振系数 高度
高宽比
脉动影响系数： 脉动增大系数：
各高度处风振系数：
111.2m
24.6m
86.5m
24.8m 123.5m 24.8m 24.8m
61.7m
36.9m
12.25m
24.5m
(5)各段风载标准值
(6)求各段风载集中标准值 各分段间风载集中标准值：
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2000 年夏“杰拉华” 台风的卫星照片
台风气向云图
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台风的影响
危害
在海上移动时，会掀起巨浪，引起狂风暴雨，对航行的船只造成严重威胁； 登陆时，狂风暴雨给人们的生命财产造成巨大的损失。
益处
给肥沃的土地带来丰沛的雨水，形成适宜的气候。
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1.2
季风
含义 由内陆和海洋空气温差引起的风。在冬季由内陆吹向海 洋，夏季由海洋吹向内陆。 形成原因 主要是海陆间热力环流的季节变化。夏季大陆增热比海 洋剧烈，产生从大陆指向海洋的水平气压梯度，空气从 海洋流向大陆，形成了与高空方向相反气流，构成夏季 的季风环流。与之相反，同样的原理，形成冬季的季风 环流。
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1.4
其它类型的风
雷爆风：由水蒸气在高空冷凝引起的，瞬时风速一般为 54~90km/h，发生时还伴有闪电、雷鸣和阵雨。 热燥风：由于下沉运动使空气运动升高，湿度降低的风， 常出现在山脉的背风面 布拉风：常发生在陡峭斜坡隔开的高地与平地之间
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风灾害
20世纪特大风灾情况
1900年，美国加尔维斯顿岛，飓风，6000人遇难 1985年，加拿大、美国，龙卷风，死亡200余人，直接经济损失3亿美元 1991年，中国海南岛，台风，50万人口受灾，32人死亡，直接经济损失6.3 亿多元 1992年，美国，弗罗里达，飓风，经济损失300多亿美元 1998年，印度内陆地区，热带风暴，死亡1000多人，直接经济损失4亿美元 2005年，美国新奥尔良，飓风，死亡1200多人，经济损失1000多亿美元
求：在横向风荷载作用下一层底的剪力及倾覆力矩
解：1、求风荷载标准值 (1)基本风压值 (2)风荷载体形系数 (3)风压高度变化系数
wk = Z ms mZ w0
为简化计算，将建筑物分为5段，每段顶标高取在楼层处， 每段中点距地面的距离作为计算风压高度，地面粗糙度，位于 城市郊区为B类，
高度(m) 12.25 36.9 61.7 86.5 111.2
1940年美国西海岸 华盛顿州塔科马峡 谷桥因共振发生塌 桥事故！
风灾
• 工程领域中最著名的 风灾破坏为美国Tacoma 悬索桥的风毁事件。 • 对于高层建筑、大 跨结构、柔性大跨桥梁 、输电塔和渡槽等受风 面积大的柔性结构，抗 风设计与抗震设计具有 同等的重要意义。
Tacoma桥在风中整体坍塌（视频）
梯度风速 梯度风高度
风压高度变化系数定义为任一高度处的风压与B类粗糙度、标准 • 地面粗糙度：由地貌、树木，房屋等形成的地表摩擦层，不 高度为10m处的风压的比值 同的地面粗糙度，风速和风压也不相同，地面粗糙度越大， 对气流的干扰越大。《规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D 四类
风载体型系数ms
塔科马大桥主跨 853m，宽跨比1：79， 高跨比为1；350，比 金门大桥还要柔。大 桥建成后即显柔度太 大，最初在风中行车 的震荡还是竖向的， 使用几个月后，震荡 突然变为扭转。
照片说明中跨的扭曲 运动导致它首先破坏
扭转最大时，右边 人行道比左边高出 8.5m
此照片是在路面混凝 土开始掉落大桥在11 点钟之前塌落抢拍下 来的。
脉动影响系数(2)
振型系数（1）
振型系数（2）：《荷规》附录F
• 《规范》给出了三种情况下结构的前四阶振型的振型系数
– 迎风面宽度远小于高度的高耸结构 – 截面沿高度有规律变化的高耸结构 – 迎风面宽度较大的高层结构
单层房屋的风荷载计算（1）
单层房屋的风荷载计算（2）
风荷载的标准值
总风荷载
基本风压的规定条件
1，标准高度的影响
2，标准地貌的影响
3，公称风速的时距（10min）
4，最大风速的样本时间
5，基本风速的重现期
基本风压w0
基本风压的调整
对基本风压的说明
风压高度变化系数mz
• 反映了风压随高度的变化规律：风速由地面为零沿高 度按曲线逐渐增大，至距地面某一高度（300-500 m） 达到最大，上层风速受地面影响小，风速稳定。
实例3： 2000 年 8 月第 10 号台风给我国东南沿海各省造成极大损失：福
建有 1100 多栋房屋被毁、铁路中断、山体滑坡；浙江省乐清市就毁坏近 700 栋房屋；台湾省经济损失就达新台币 40 多亿元。
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台风灾害链
风对结构作用引起的结果
①使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定 ②使结构开裂或留下较大的残余变形 ③使结构物或结构构件产生过大的挠度变形 ④引起结构或结构构件的疲劳损坏 ⑤由于过大的振动，建筑物的居住者
总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑 物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计
算总风荷载。 z高度处的总风荷载标准值按下式计算：
－(0.48+0.wk.baidu.com3H/L)
-0.6 +0.8
Wz1 Wz2 Wz3 Wz4
-0.6
3.2
风荷载
例题1
例题2
例题3
作用于高层房屋上风荷载特点
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5
风力等级表
台风
急速旋转的暖湿气团，直径在300～1 000 km 不等。靠近 台风中心的风速常超过每180 km/h，由中心到台风边缘 风速逐渐减弱。
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台风特征
是一个很强大的空气旋涡，由中心到外依次是风眼、眼 壁， 螺旋云带。螺旋云伴随着大风、阵雨；越靠近中心，空气旋转 速度越大，并且突然转为上升运动。 在云墙、眼壁发生摧毁性的暴风骤雨；向中心处，风速和 雨势骤然减小；到达台风眼处，气压最低，湿度最高，天气晴 朗。
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主要内容
1，风荷载标准值及相关系数的确定
2，单层房屋上的风荷载计算
3，高层、多层房屋上的风荷载及总风荷载的计算
4，特殊情况下的风荷载计算及本章小结
基本风压w0
• 按规定的地貌、高度、时距等测量 的风速所确定的风压成为基本风压
• 以当地空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min 平均最大风速v0(m/s)为标准，按w0=v02/1600确定(荷载规范)
荷载与结构设计方法
第三讲：风荷载
主讲人：贾玲玲 Email：jll8123@gmail.com
风的基本概念与类型 风 是大气层中空气的流动。由于地球表 面不同地区的大气层所吸收的太阳能量不同， 造成了各地空气温度的差异，产生的气压差驱 动空气从气压高的地方向气压低的地方流动， 即形成了风
常见的自然灾害风类型： 热带气旋、季风和龙卷风
③不大的高宽比
房屋高宽比是衡量一幢高楼抗侧刚度和侧移控制的一个主要指标
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④透空层
高楼在风力作用下，应风面产生正压力，背风面产生负压力，高楼受 到很大的水平荷载 ⑤并连高楼群 减少了高楼顶部的侧移和风振加速度
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风振系数
高耸构筑物 和高层建筑
• 实际风压、平均风压（稳定风压），脉动风压
– 稳定风压：使结构产生侧移 – 脉动风压：使结构在上述侧移附近左右振动，表现形式主 要为顺风向振动、常会伴随横风向振动，甚至会出现扭转 振动