第六讲：结构抗风计算概念、顺风效应
土木工程中的风载荷效应与结构抗风设计
土木工程中的风载荷效应与结构抗风设计土木工程中的风载荷效应与结构抗风设计引言：风是地球大气系统中重要的一部分，其强度和方向对土木工程结构具有重要影响。
土木工程中的风载荷效应及结构抗风设计是保证工程结构安全可靠的关键。
本文将从风的基本知识、风载荷效应以及结构抗风设计三个方面进行探讨。
一、风的基本知识风的形成：风是由于地球表面温度和压力差异引起的空气运动。
温度差异引起的气压差异形成气压梯度，从而产生风。
风的强度：风的强度可以通过风速来表示，一般以米/秒（m/s）为单位。
根据风速的不同，可以将风分为轻风、微风、和大风等不同等级。
风的方向：风的方向是指风吹过的方向，一般以风向标来表示。
风向的测量可以通过气象仪器或者标志物来进行。
二、风载荷效应风压力：风对建筑物表面产生的压力称为风压力。
风压力的大小与风速和建筑物表面积有关。
一般情况下，风速越大、建筑物表面积越大，所受风压力越大。
风荷载：风对建筑物产生的力称为风荷载。
风荷载是指风对建筑物各部分产生的垂直和水平力。
风荷载的大小与风速、建筑物形状和高度有关。
三、结构抗风设计风荷载计算：结构抗风设计的第一步是计算风荷载。
风荷载计算可以通过风洞试验、数值模拟和规范计算等方法进行。
根据计算结果，确定结构所受的风荷载。
结构抗风设计原则：结构抗风设计的原则是保证结构在风荷载作用下不发生破坏或失稳。
具体设计原则包括增加结构的刚度、增加结构的稳定性、减小结构的风荷载等。
结构抗风设计方法：结构抗风设计方法包括选材、结构形式选择、连接方式选择等。
选材时要选择具有良好抗风性能的材料；在结构形式选择时要考虑结构的刚度和稳定性；在连接方式选择时要选择能够有效传递风荷载的连接方式。
结论：土木工程中的风载荷效应与结构抗风设计是保证工程结构安全可靠的重要因素。
了解风的基本知识，计算风荷载，并根据设计原则和方法进行结构抗风设计，可以有效保证土木工程结构的安全性。
在今后的工程实践中，需要继续深入研究风载荷效应与结构抗风设计，以提高土木工程结构的抗风能力。
建筑结构的抗风设计与控制
建筑结构的抗风设计与控制随着现代建筑技术的不断发展，抗风设计与控制对于建筑结构的安全和可持续发展至关重要。
本文将探讨建筑结构的抗风设计原理、措施与方法，并分析其对建筑的影响和作用。
1. 抗风设计的重要性建筑结构的抗风设计是指在建筑物的设计与施工过程中，考虑到气象条件和气候特点，采取相应的措施和设计原则，使建筑物能够抵御风力的作用，确保其在长期使用中的稳定性和安全性。
抗风设计对于建筑结构来说至关重要，不仅直接关系到人民的生命财产安全，还关系到建筑物的使用寿命和经济效益。
2. 抗风设计原理抗风设计的基本原理是通过减小风力对建筑物的影响，降低风力对建筑物结构的作用，增强建筑物的抵抗力和稳定性。
其主要原理包括：2.1 稳定原理：通过设计合理的结构形式、选择适当的材料和构造，使建筑具有足够的抗倾覆和抗倒塌能力。
2.2 减小风力影响原理：通过合理的立面设计、减小建筑物与风的迎角、设置遮挡物等方法，降低风力对建筑物的作用。
2.3 控制风振原理：通过合理选择阻尼系统、增加刚度和强度，控制风振的产生和传递，保证建筑物结构在风载荷作用下的稳定性。
3. 抗风设计的措施与方法为了实现建筑结构的良好抗风性能，需要采取一系列的措施与方法。
以下是一些常见的措施与方法：3.1 合理的建筑形态设计：选择具有较小风力影响的建筑形态，如流线型、圆形、卵形等，并避免棱角过多的设计。
3.2 优化构造设计：通过合理的结构配置和布置，提高结构的稳定性和抗风性能。
例如增加立杆、加强柱子和梁的抗风刚度。
3.3 选择合适的材料：选用具有良好抗风性能的材料，例如高强度混凝土、结构钢等。
3.4 设置风挡和遮阳装置：在建筑物的外立面或周边设置适当的风挡和遮阳装置，减小风力对建筑物的直接作用。
3.5 增加阻尼措施：在建筑物结构中增加适当的阻尼系统，如阻尼器、减震墩等，以减小风振效应。
4. 抗风设计对建筑的影响与作用抗风设计不仅可以提高建筑结构的抗风能力，还可以对建筑物的整体性能和舒适度产生积极影响。
顺风向结构风效应
第四节顺风向结构风效应顺风向风效应= 平均风效应一、顺风向平均风效应1. 风载体型系数结构表面风压与同一高度来流风速对应的风压的比值实际风到达工程结构物表面并不能理想地使气流停滞，而是让气流以不同方式在结构表面绕过。
但伯努利方程仍成立，即：风洞试验图：气流通过拱形屋顶房屋示意图复杂结构产生正负压风载体型系数：由于气流会以不同的方式在结构表面流过，故实际结构物所受的风压不能直接按照风速与风压的关系计算，而需要对其修正，其修正系数与结构物的体型有关，故称为风载体型系数封闭式双坡屋面的风荷载体型系数风荷载体型系数+0.8而不是+1.0？注意：侧风面-0.7，背风面-0.5Pressure from wind on windward surfacesWind directionPressureWind damage scenarioSuction on roof surfaces Wind directionSuction on side wallWind directionWind damage scenarioWind directionSuction on leeward wallWind damage scenario建筑结构荷载规范(GB50009-2012)有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）(GB50009-2012)建筑结构荷载规范4-10轻钢规范CECS2002目前风洞试验是确定复杂结构风荷载（尤其是脉动风荷载）的唯一可靠方法相同大气环境下（即同一地区）：不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即:任意地貌任意高度z a的风压（书：任意地貌基本风压）与标准地貌的基本风压的关系：2.风压高度变化系数为何引入此概念？或3.平均风下结构的静力风载:任意粗糙度任意高度的风压与标准粗糙度下标准高度处的基本风压的比值任意地貌10米高度(z a )的风压（书：任意地貌基本风压）与标准地貌的基本风压的关系：z a =z s =10 米zμ风压高度变化系数考虑到近地面风速的不确定性较高，规范还分别规定了四类地貌的风压高度变化系数截断高度，对应A 、B 、C 、D 类地貌分别取5m 、10m 、15m 和30m ，即风压高度变化系数取值分别不小于1.09、1.00、0.65和0.51。
风对结构的作用及抗风防护措施
风对结构的作用及抗风防护措施刘宏睿摘要：风灾害是发生频繁的自然灾害．每年会给人类造成重大的生命和财产损失。
工程结构的风灾损失主要形式是结构的开裂、损坏和倒塌。
因此．工程抗风设计计算是工程安全的关键，本文研究了风的特性、风对结构的作用、风设计的主要内容和方法、防风减灾措施。
关键词：风灾；工程结构；抗风设计；防灾措施；一．引言风灾是自然灾害中影响最大的一种。
据有资料显示,从1947～1980年全球十种主要自然灾害中,由台风造成的死亡人数为4919万,占全球自然灾害死亡总人数的41%，比地震造成的死亡人数还多。
1970年11月12～13日袭击孟加拉的一个台风(当地称风暴),死亡人数达30万。
1973年9月14日,7314台风登陆海南岛时风速达60米每秒,使琼海县城夷为废墟。
1992年8月24日安德鲁飓风登陆美国佛罗里达,经济损失高达300亿美元。
2007年10月台风罗莎造成福建省42．91万人受灾，房屋倒塌130间，直接经济损失4.6亿元。
2007年11月孟加拉遭强热带风暴袭击至少1108人死亡，数千人受伤或失踪，数十万人无家可归。
对于工程结构，风灾主要引起结构的开裂、损坏和倒塌，特别是高、细、长的柔性结构。
因此，工程结构的抗风设计是关系到工程安全的重要因素。
本文结合我国有关工程抗风设计的规范，介绍了风对工程结构的作用、抗风设计的主要研究内容和方法和防风减灾措施。
二．风风的形成乃是空气流动的结果，是空气相对于地面的运动。
地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。
1.风形成的原因在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速(或风力)来表示。
空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。
在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。
顺风向脉动风效应和顺风向总风效应
二、顺风向脉动风效应三、顺风向总风效应假定：在脉动风作用下，（竖向悬臂形）结构主要按第一振型振动，按照随机振动理论分析。
高度大于30m 且高宽比大于1.5的房屋基本自振周期T 1大于0.25s 的高耸结构21z z 21s 100q R 1)z ()z (B m )z (B I w 21+⋅=φμωμσ)z (B w )z (R 1B gI 2)z (P 0z s 2z 10d μμ+=2z 10R 1B gI 21)z (++=β主结构：阵风系数围护结构：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）风致动力响应（a）风速或风荷载时程（b）高频结构的响应时程(周期短的结构)（c）低频结构的响应时程(周期长的结构)对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，可按下式计算：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）空间相关系数——空间相关性脉动风荷载的空间相关系数：(1)竖直方向的相关系数可按下式计算：(2)水平方向的相关系数可按下式计算：(3) 对迎风面宽度较小的高耸结构，水平方向相关系数可取。
对于低多层建筑结构(对于高层建筑结构(对于高耸结构(结构的顺风向风荷载可按下式计算：z高度处的风振系数βz可按下式计算:知识拓展：如何减小结构风效应？？-> 加强结构，其它方法？上海中心（总高632米）——“上海慧眼”（位于583.4米）一个重达1000吨的“超级巨无霸”，它由吊索、质量块、阻尼系统和主体结构保护系统四个部分组成，是目前世界上最重的摆式阻尼器质量块(调频质量阻尼器，tuned mass damper ，TMD )。
抗风设计ppt课件
0.84
1.80
1.42
1.00
1.92
1.56
1.13
2.03
1.67
1.25
2.12
1.77
1.35
2.20
1.86
1.45
2.27
1.95
1.54
2.34
2.02
1.62
2.40
2.09
1.70
2.64
2.38
2.03
2.83
2.61
2.30
2.99
2.80
2.54
3.12
2.97
2.75
3.12
年、50 年、100 年基本风压 w0 分布。
《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
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
6
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，承载力设计时风荷载计算可
按基本风压的1.1倍采用。 （2）对于房屋高度不超过60m的一般高层建筑，其基本风压是否提高，可由设计人员根据
实际情况确定。 相对02规程，本次修订： （1）取消了“特别重要”的高层建筑的风荷载增大要求，主要因为对重要的建筑结构，其
重要性已在结构重要性系数体现在结构作用效应的设计值中； （2）对正常使用极限状态设计，其要求可比承载力设计适当降低，一般仍可采用基本风压
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）
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2011）规定：垂直作用于
顺风向脉动风效应和顺风向总风效应
二、顺风向脉动风效应三、顺风向总风效应假定：在脉动风作用下，（竖向悬臂形）结构主要按第一振型振动，按照随机振动理论分析。
高度大于30m 且高宽比大于1.5的房屋基本自振周期T 1大于0.25s 的高耸结构21z z 21s 100q R 1)z ()z (B m )z (B I w 21+⋅=φμωμσ)z (B w )z (R 1B gI 2)z (P 0z s 2z 10d μμ+=2z 10R 1B gI 21)z (++=β主结构：阵风系数围护结构：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）风致动力响应（a）风速或风荷载时程（b）高频结构的响应时程(周期短的结构)（c）低频结构的响应时程(周期长的结构)对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，可按下式计算：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）空间相关系数——空间相关性脉动风荷载的空间相关系数：(1)竖直方向的相关系数可按下式计算：(2)水平方向的相关系数可按下式计算：(3) 对迎风面宽度较小的高耸结构，水平方向相关系数可取。
对于低多层建筑结构(对于高层建筑结构(对于高耸结构(结构的顺风向风荷载可按下式计算：z高度处的风振系数βz可按下式计算:知识拓展：如何减小结构风效应？？-> 加强结构，其它方法？上海中心（总高632米）——“上海慧眼”（位于583.4米）一个重达1000吨的“超级巨无霸”，它由吊索、质量块、阻尼系统和主体结构保护系统四个部分组成，是目前世界上最重的摆式阻尼器质量块(调频质量阻尼器，tuned mass damper ，TMD )。
土木工程结构抗风设计 南航6
最大风振力为：
对于第l振型，上式变成
高耸结构设计规范建议取 L 0.25
一、烟囱
检查共振风速是否属于跨临界范围。烟囱属于空 心的结构，50m以上的烟囱平均外直径一般在4-12m之 间，周期在0.5-2.5s之间，斯脱罗哈数通常可取0.2。 由前所述，共振风速在24-40m／s之间，这样的风速在 实际工程中是能够出现的。又根据雷诺数的计算式， 雷诺数当在3.5X106以上。所以可以发生横风向旋涡脱 落共振。分析时应予以考虑。
图6-1 高耸结构的变形
二、按无限自由度体系的自振周期计算
对于变截面结构，振型方程应按任意截面 方程直接解出，从而求出自振频率或周期。
假定质量与 正比。当然，实际结构是千变万化的，如需精度 极高的频率及振型，应按结构动力学原理直接进 行计算。
lx 2 ( z )成正比，刚度EI(z)与lx 4 ( z ) 成
三、按有限自由度体系的自振周期计算
（1）按质量总数分散集中到点上。
这种按质星相等集中法，对质量数较多，例如超过 3个时，精确度尚能满足要求，但当质量数很小，例如 2个甚至1个，即产生十分可观的误差。当按质量总值 集中法集中一个质量于是臂型结构顶端时，对频率或 周期可以严生30.2％的误差。
（2）按动能相等原则为基础。
由以上各项简化，临界风速变成
第j振型的最大位移为：
Lj u Lj j ( z ) w0 x j max ( z ) 2 j
Lj 1 2 j
所以，有
对于第l振型，上式积分部分积分值为1.56， 如近似取1.6，则上式变成
c2 L D j ( z ) x1max ( z ) 2000 1m12
（1）只针对圆形截面高耸结构，如烟囱等。 （2）只验算跨临界范围，非跨临界范围不需验 算，只通过构造措施解决。
钢结构抗风计算_解释说明以及概述
钢结构抗风计算解释说明以及概述1. 引言1.1 概述本文旨在对钢结构抗风计算进行解释说明以及概述，介绍其背景、重要性，以及应用于钢结构设计中的关键要点。
通过对实际案例和工程实践经验的分享，进一步探讨抗风计算过程中需要注意的细节和常见错误，并对钢结构抗风设计未来的发展方向进行展望。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分。
第一部分是引言，在此部分将概述论文的目的、背景和重要性，并简要介绍后面各节内容。
第二部分将详细解释说明钢结构抗风计算的背景和重要性，包括为什么需要进行抗风计算以及其在钢结构设计中所起到的关键作用。
第三部分将讨论抗风计算过程中的关键要点，包括风荷载计算、结构响应分析以及相关准则和规范要求。
第四部分将提供一些具体案例和工程实践经验分享，通过典型钢结构项目的案例分析来进一步阐述抗风计算的实际应用情况，并探讨在工程实践中可能遇到的挑战和相应的解决方案。
最后，第五部分将对本文进行总结评价，并对钢结构抗风设计未来发展的方向进行展望。
1.3 目的本文旨在提供一个全面且清晰的概述，解释钢结构抗风计算的基本概念与原理，并介绍其在实际工程设计中的应用。
通过对相关背景、重要性、关键要点以及实践经验的探讨与分享，希翼能够为读者提供有益和适用的信息，从而提高钢结构抗风设计的质量和可靠性。
最后，展望未来，探索钢结构抗风设计领域仍需关注和发展的方向，以满足不断变化并日益复杂的建筑和结构需求。
2. 钢结构抗风计算解释说明2.1 抗风计算的背景和重要性钢结构抗风计算是为了确保钢结构在强风环境中的安全性和稳定性而进行的计算和设计。
由于钢结构在建筑工程中具有较高的强度和刚性，因此在遭受强风作用时，它会承受巨大的外部压力和摩擦力。
抗风计算可以帮助工程师预测和评估这些外部力对钢结构造成的影响，从而采取相应的措施来确保其安全使用。
2.2 抗风计算方法概述抗风计算方法是一套科学而系统化的规范，用于评估并确定钢结构在面对不同类型和强度的风荷载时所需采取的防护措施。
顺风向结构风致响应一般计算方法
顺风向结构风致响应公式推导0 引言近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。
每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。
同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。
本文主要讨论顺 风向的结构风致响应。
顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。
我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m 且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s 的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。
由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。
目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport 在20世纪60年代提出并不断发展完善的。
依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。
图0-1（A ）表示了时域内的平均响应r 、背景响应B r 和共振响应R r ，图0-1（B ）表示了频域内的背景均方响应2B r 、前三阶共振均方响应21R r 、22R r 和23R r 。
下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
图0-1 平均、背景和共振响应1 单自由度结构顺风向风振响应结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。
有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。
在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u ，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
结构动力学ch6(风振响应)
平均风速和脉动风速
地面越粗糙，v越小， vf的幅值越大且频率
越高。
§6.1 风荷载
风对结构的作用包括顺风向的平均风荷载和脉动风荷载， 以及漩涡脱落导致的横风向脉动风荷载。 平均风的速度、风向基本上不随时间变化，周期较长，其 性质相当于静力作用； 脉动风的风速和风向随时间，空间变化，具有明显的紊乱 性和随机性，周期较短，其性质相当于动力作用。
24
§6.1 风荷载
对于多自由度体系，其振动微分方程为
[M ]x [C]x [K ]x F (t )
其中，[M], [C], [K]分别为结构的质量、阻尼和刚度矩 阵， x ， x分别为节点的位移、速度和加速度向量， x ， F(t)为脉动风荷载向量。
s 和 s 分别为第s阶模态的固有频率和阻尼比。 式中，
27
§6.1 风荷载
于是任一物理坐标 x j 的响应功率谱为:
2Qs ( )Qr ( ) S x j ( ) lim js jr T T s 1 r 1
n n
2Qs 2 ( ) 2 S x j ( ) lim js T T s 1
式中 v0：公称风速； v(t)：瞬时风速； τ：时距。 10min~1h的平均风速基本稳定，我国取τ=10min
10
§6.1 风荷载
(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) 基本风速的重现期
τ=10min
1小时，6个样本 1天，144个样本
v2 1 f f v f exp 2 2 2 v v
结构抗风计算的几个重要概念(顺风向风力)
第三节结构抗风计算的几个重要概念（顺风向风力）第三节结构抗风计算的几个重要概念（顺风向风力）一、结构的风力与风效应在结构物表面沿表面积分风力：风速风压风力（三个分量：顺风向力、横风向力、扭力矩）流经任意截面物体所产生的力风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。
引申：高层建筑结构加速度的意义？顺风向横风向有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）顺风向横风向•习惯上我们常把气动力分解到两个正交的方向上，可以取“风轴”。
也可以“体轴”，如图。
顺风向横风向风有两种成分构成= 平均风+脉动风平均风——静力风效应脉动风——动力风效应图：平均风速和脉动风速地面粗糙度的影响：地面越粗糙，v越小，v f的幅值越大,且频率越高。
风的湍流强度I v =σ v/ v ：表征风的脉动程度。
由于σ v 沿高度变化不明显，而风速随高度增加而增大，因此I v 随高度增加而减小。
turbulence图：平均风速和脉动风速脉动风的特性：①幅值特性✓为一随机过程[ v f(t),t∈T ]✓幅值服从正态分布，其概率密度函数为：σv：脉动风速的均方差:v fi：v f 的一条时程记录曲线有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）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自相关函数：傅立叶变换21(0)()d (t)dtT v vf vf f R S v T σωω+∞-∞===⎰⎰•Davenport水平脉动风速功率谱密度主要能量的频率/周期？。
结构抗风设计
6.2 风荷载计算风压随风速、风向的紊乱变化而不断地改变。
从风速记录来看，各次记录值是不重现的，每次出现的波形是随机的，风力可看作为各态历经的平稳随机过程输入。
在风的顺风向风速曲线(见图6-2所示的风速记录)中，包括两部分：三、时距取值计算基本风压的风速，称为标准风速。
关于风速的标准值，各个国家规定的时距不尽相同，我国现行的荷载规范规定为：当地比较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v（m/s）。
由于大气边界层的风速随高度及地面粗糙度变化，所以我国规范统一选10m高处空旷平坦地面作为标准，至于不同高度和不同地貌的影响，则通过其他系数的调整来修正。
时距太短，则易突出风速时距曲线中峰值的影响，把脉动风的成分包括在平均风中；时距太长，则把候风带的变化也包括进来，这将使风速的变化转为平滑，不能反映强风作用的影响。
根据大量风速实测记录的统计分析，10min到1h时距内，平均风速基本上可以认为是稳定值。
平均风速的数值与统计时时距的取值有很大关系。
我国规范规定以10min平均最大风速为取值标准。
首先是考虑到一般建筑物质量比较大，且有阻尼，风压对建筑物产生最大动力影响需要较长时间，因此不能取较短时距甚至极大风速作为标准。
其次，一般建筑物总有一定的侧向长度，最大瞬时风速不可能同时作用于全部长度上，由此也可见采用瞬时风速是不合理的。
而10min平均风速基本上是稳定值，且不受时间稍微移动的影响。
若实际结构设计时所取的重现期与50年不同，则基本风压就要修正。
以往规范将基本风压的重现期定为30年，2001新规范改为50年，这样，在标准上与国外大部分国家取得一致。
经修改后，各地的基本风压值总体上提高了10%，但有些地区则是根据新的风速观测数据，进行分析后重新确定的。
为了能适应不同的设计条件，风荷载也可采用与基本风压不同的重现期，规范给出了全国各台站重现期为10年、50年和100年的风压值，其他重现期R的相应值可按下式确定：（6-6）)110ln /)(ln (1010010−−+=R x x x x R对于对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，以及自重较轻的钢木主体结构，其基本风压值可由各结构设计规范，根据结构的自身特点，考虑适当提高其重现期。
2风力、结构风力及风效应
竖向荷载的适当增加并不起着很大的影响，因此对于高层建筑来说，主 要考虑水平侧向风力的影响。
➢§2－1 风力、结构风力及风效应[1]
由流体力学中的伯努利方程可知风压与风速关系：
空气单位体积重力
(kN /m3) w 1 v2 1 v2
2 2g
风压力
(kN / m2 )
空气质点密度 (t / m3 )
在标准大气情况下，约为 1
1630
沿海城市上海，上值约为 1
1740
风速
(m/ s)
高山地区的拉萨，上值约为 1
2600
已知某以高度z处的风速为v，则作用在结构上的风力 一般可表示为顺风向风力（ilong-wind）、横风向风 力(across-wind)和扭风力矩。
建筑物周围气流流形
结构上的风力
p D
D
1 2
v 2 B
p L
p M
L
M
1 v2B 2 1 B 结构的参数尺度，常取截面垂直于流动方向的最大尺度（m）
L 横向力系数（水平向结构也称升力系数）
扭矩系数
M
三种类型的振动
顺风向弯剪振动 或弯扭耦合振动
横风向风力下 涡流脱落振动
空气动力失稳 （驰振、颤振）
当结不 振当无构对 动风偏将结 在尼 间成 在吹心产构 某 力 增时 任向在 种 小 长风生，意结截顺 于 而可风构力顺面风 这 逐形向 些 渐在力，矩风式和 力 衰横情可时向下横 ， 减风况在，风 则 ，，的向下结这向 结 却在振些风构反产 都构风力将而生 能周顺动力甚处不横 发围力，可至在断风生产扭总增以向对力体长产向涡生风高矩负从生风激旋作阻而负力层力振涡用尼导号，动作，结下效致阻，应结尼所现当用构当中构效以象旋下来有，破应横。涡微振坏的，风在脱小动。力风将这。向抗落力 不 时如攻 能 的果角 随 起结时 着 点构， 时 风阻 说风，计一速算般称时为可，临除为界风了弯速必曲，须这型注种（振意动第剪犹一力如类压墙杆振）失动稳，以一外也样，，有但还剪受必到须的不同是轴心压力 切时型考（而 或虑框是 扭第风 受架二力 力类）， ）所 或振，以 颤动当常 振现称 （为象为 弯框空扭。气耦特剪动合别结力受是失力构稳），时，。当在，旋风涡可工程脱为中落弯，频通率常称接为弛振（弯 剪近型结。空构气某动一力自失稳振在频工率程时上视，为可必产须生避免共发振生现的象一类，振即动使现在象。考
第六讲：结构抗风计算概念、顺风效应.
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
2、平均风下结构的等效静风压
平均风对结构的作用可等效为静力荷载，考虑高度、体 型修正，等效静风压为：
3.4.1 顺风向脉动风效应
顺风向脉动风作用下结构的动力响应--风振计算应按随 机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。 规范条件：对于基本自振周期T1大于0.25 s的工程结构， 如房屋、屋盖及各种高耸结构，以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5的高柔房屋。 在原则上应考虑多个振型的影响。
3.3 结构抗风计算的几个重要概念
3.3.1 结构的风力与风效应：
1、风力---作用于物体表面的风压沿表面积分,将得到三种 力的成分:顺风向力PD、横风向力PL、扭风力矩PM。 2、结构风效应—— 由风力产生的结构位移、速度、加速 度响应。
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 平均风(稳定风) 短周期成分(几秒)
脱体
压力可 按伯努 利方程 式确定
脱体点
p0+½ ρv02 = p +½ ρv 2 w=p-p0=(1-v2/v02)½ρv02 = μS w0 μS =1-v2/v02
• μS = w/ w0 = w实际/ w计算
μS查荷载规范表7.3.1
• 验算围护构件及其连接的强度时,采用局部风压体型
系数 • 一、外表面 • 正压区- 查表； • 负压区-对墙面,取-1.0; -对墙角边,取-1.8; -屋面局部,取-2.2; -对檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件，取-2.0。 二、内表面 对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2
1关于风荷载的一些初步知识
横向风振及形成原因1.关于风荷载的一些初步知识。
作用在结构上的风力一般可表示为顺风向风力、横风向风力和扭风力矩，如图6-7。
在一般情况下，不对称气流产生的风力矩一般不大，工程设计时可不考虑，但对有较大不对称或较大偏心的结构，应考虑风力矩的影响。
2.结构抗风计算的几个重要概念结构的风力和风效应3.横向风振的产生及其对建筑物的影响横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。
根据研究可发现横风向风振与结构截面形状和雷诺数R e 有关，可得：惯性力=单位面积上的压力 ρv 2/2 · 面积F粘性力=粘性应力· 面积F =（粘性系数μ ·速度梯度dv /dy ）·面积F 。
横向风振的产生(圆截面柱体结构)沿上风面AB 速度逐渐增大（v ↑），B 点压力达到最小值;风速P M P D→ 结构上的风力 顺风向力→P D 、 横风向力→ P L 、扭力矩→ P M→ 结构的风效应 ~ 由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应()vBlv v F l v F v R e 690002=⋅=⋅=⋅⋅⋅==χμρμρ粘性力惯性力雷诺数m 251045.1,-⨯==χρμχ空气动力粘性系数一、结构的风力和风效应沿下风面BC速度逐渐降低（ v ↓），压力重新增大。
气流在BC中间某点S处速度停滞（ v =0），生成旋涡，并在外流的影响下以一定周期脱落（脱落频率fs）---Karman 涡街当气流旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构发生共振，即发生横向风振。
结构在上述三种力作用下，可以发生以下三种类型的振动。
@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。
结构抗风计算的几个重要概念(顺风向风力)
第三节结构抗风计算的几个重要概念（顺风向风力）第三节结构抗风计算的几个重要概念（顺风向风力）一、结构的风力与风效应在结构物表面沿表面积分风力：风速风压风力（三个分量：顺风向力、横风向力、扭力矩）流经任意截面物体所产生的力风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。
引申：高层建筑结构加速度的意义？顺风向横风向有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）顺风向横风向•习惯上我们常把气动力分解到两个正交的方向上，可以取“风轴”。
也可以“体轴”，如图。
顺风向横风向风有两种成分构成= 平均风+脉动风平均风——静力风效应脉动风——动力风效应图：平均风速和脉动风速地面粗糙度的影响：地面越粗糙，v越小，v f的幅值越大,且频率越高。
风的湍流强度I v =σ v/ v ：表征风的脉动程度。
由于σ v 沿高度变化不明显，而风速随高度增加而增大，因此I v 随高度增加而减小。
turbulence图：平均风速和脉动风速脉动风的特性：①幅值特性✓为一随机过程[ v f(t),t∈T ]✓幅值服从正态分布，其概率密度函数为：σv：脉动风速的均方差:v fi：v f 的一条时程记录曲线有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）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自相关函数：傅立叶变换21(0)()d (t)dtT v vf vf f R S v T σωω+∞-∞===⎰⎰•Davenport水平脉动风速功率谱密度主要能量的频率/周期？。
建筑结构抗风基本理论分析
建筑结构抗风基本理论分析摘要:风灾在中国屡见不鲜，其产生的影响对人类的生存和发展存在巨大的影响，特别是我国临海地区，比如福建、海南、广东等地，台风造成的经济损失严重。
从对建筑的影响出发，风灾主要体现在对于建筑结构发生部分损坏或整体倒塌，特别针对现在高层建筑不断涌现增加，对于抗风设计的研究是十分必要的，首先强调风对建筑物的作用及其危害，随后对抗风理论进行研究分析。
关键词:风灾，建筑结构，抗风理论风是一种自然现象，是相对于静止的地面由于大气温度不均匀分布产生的一种运动。
在我们日常生活中，常被提到的有台风、龙卷风以及热带气旋。
中国在全世界范围之内属于风灾发生频繁的国度之一，经常风起东南沿海地带，逐渐向内地发展延伸，已发生的风灾对于人民的经济产生巨大的损失，通过台风活动的数据统计分析［1］，发现北太平洋的台风数量和能量急剧增长，会增加台风发生的次数以及强度，其给我们的启示要加强抗风理论的研究，特别是建筑结构的抗风理论研究。
1建筑结构风荷载对于建筑物的影响1．1建筑结构风荷载对于建筑产生振动原因分析。
1)一个地区的风向是一定的，在外界条件不发生变化时，是不会发生较大变化的，这种风结构包括平均风和脉动风，其中脉动风的发生主要体现在对建筑结构产生顺风向振动，这种振动要在结构设计中特别考虑。
2)建筑结构背后存在的漩涡也会引起结构的振动，方向与风向垂直，尤其建筑结构背后附属建筑烟囱、高层建筑等细长柱体结构。
3)受其他建筑物尾流影响而产生的振动。
4)由空气负阻尼引起横向失稳式振动［2］。
1．2建筑结构风荷载后果分析。
1)结构物或者建筑结构构件发生过大的挠度或变形，使得外墙、外装修材料发生损坏;2)风荷载对建筑物产生的振动会使得建筑受到疲劳破坏，严重影响建筑结构的使用功能;3)气动力会随着建筑结构气动弹性的影响逐渐增大;4)风荷载动力的不断增大，导致受力增大，影响人类的居住舒适度。
2抗风基本理论2．1基本概念。
建筑结构面直接承受风荷载作用，其可能产生的结果效应，是在结构设计中必须要考虑的因素之一，根据风压荷载作用面积进行分类，具体可以将风荷载效应分为以下几类:1)顺风向效应;2)横风向效应及共振效应;3)空气动力失稳。
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为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个 区段20m高，区段中点位置风荷载值作为该区段的平均 风荷载值。 解： 1、体型系数。 迎风面 0.8(压），背风面-0.5(吸） -0.7 顺风向总体型系数 μs=1.3 2、风压高度变化系数μz 城市市区、地面粗糙度类别C 各区段风压高度及 μz 值如下
3.4 顺风向结构风效应
3.4.1 顺风向平均风效应
1、风荷载体型系数（μS)
(Style)
工程结构物不能理想地使自由气流停滞，而是让气流 以不同方式在结构表面绕过，因此需对风压计算公式进 行修正，修正系数与结构物的体型有关，称为风荷载体 型系数。 外区（伯努利式） 完全从理论上确定任意受 气流影响的物体表面的压 力尚做不 到。 一般通过试验方法（风洞 （内区） 试验、实际测量风压分布 粘性、湍 流影响 ）确定μS 。
3.3 结构抗风计算的几个重要概念
3.3.1 结构的风力与风效应：
1、风力---作用于物体表面的风压沿表面积分,将得到三种 力的成分:顺风向力PD、横风向力PL、扭风力矩PM。 2、结构风效应—— 由风力产生的结构位移、速度、加速 度响应。
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 平均风(稳定风) 短周期成分(几秒)
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
2、平均风下结构的等效静风压
平均风对结构的作用可等效为静力荷载，考虑高度、体 型修正，等效静风压为：
3.4.1 顺风向脉动风效应
顺风向脉动风作用下结构的动力响应--风振计算应按随 机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。 规范条件：对于基本自振周期T1大于0.25 s的工程结构， 如房屋、屋盖及各种高耸结构，以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5的高柔房屋。 在原则上应考虑多个振型的影响。
ξ ---- 脉动增大系数（表3-10） υ ---- 脉动影响系数 （表3-11、12、13） φz ---- 振型系数（应按实际工程由结构力学计算）
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。
对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱 等高耸结构，以及对于高度大于30m，高宽比 大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑（由于 频谱比较稀疏，第一振型起到绝对的影响）,均 可仅考虑第一振型影响，结构的风荷载可通过 风振系数βz计算。
将顺风向平均风压与脉动风压之和表达为 顺风向总风压w(z)
w(z)=β(z)μs(z)μz(z)w0 βz =1+ξυφz/μz
4、各区段中点高度处风压值( wk=βzμs μz w0 ) Wk1=1.02 ×1.3 ×0.74 ×0.44=0.43(kN/m2) Wk2=1.126 ×1.3 ×1.00 ×0.44=0.64(kN/m2) Wk3=1.225 ×1.3 ×1.25 ×0.44=0.88(kN/m2) Wk4=1.342 ×1.3 ×1.45 ×0.44=1.11(kN/m2) Wk5=1.393 ×1.3 ×1.62 ×0.44=1.29(kN/m2) 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)
脉动风(阵风脉动)
顺风向风效应特点 平均风: 对结构的动力影响很小,可等效为静力作用。 脉动风：使结构产生动力响应。是引起结构顺风向振动 的主要原因。
地面粗糙度大的上空 平均风 风速小 地面粗糙度小的上空 风速大
脉动风
脉动风幅值大且频率高
脉动风幅值小且频率低
脉动风速一般处理为随机过程[vf(t),t∈T] 工程上常假定为零均值正态平稳随机工程。
-0.5
+0.8 -0.7 高度 10
30
50
70
90
μz
0.74
1.00
1.25
1.45
1.62
3、风振系数 （βz =1+ξυφz/μz ） 。 ξ ---- 脉动增大系数（表3-10）(C类w0 ×0.62） w0T12=0.44×0.62 ×2.52 =1.705 ξ =1.51 υ ---- 脉动影响系数 （表3-13） H=100m,B=33m H/B=3.03 C类 υ =0.49 φ z ---- 振型系数（规范表F1.2 ） φ z1~5 =0.02,0.17,0.38,0.67,0.86 βz1 =1+1.51 ×0.49 ×0.02/ 0.74=1.02 βz2 =1+1.51 ×0.49 ×0.17/ 1.00=1.126 βz3 = 1+1.51 ×0.49 ×0.38/ 1.25=1.225 βz4 = 1+1.51 ×0.49 ×0.67/ 1.45=1.342 βz5 = 1+1.51 ×0.49 ×0.86/ 1.62=1.393
脱体
压力可 按伯努 利方程 式确定
脱体点
p0+½ ρv02 = p +½ ρv 2 w=p-p0=(1-v2/v02)½ρv02 = μS w0 μS =1-v2/v02
• μS = w/ w0 = w实际/ w计算
μS查荷载规范表7.3.1
• 验算围护构件及其连接的强度时,采用局部风压体型
系数 • 一、外表面 • 正压区- 查表； • 负压区-对墙面,取-1.0; -对墙角边,取-1.8; -屋面局部,取-2.2; -对檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件，取-2.0。 二、内表面 对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2