结构抗风设计原理(简本)资料

1 2 w V 2
由于空气密度随地理位置的不同而不同，因此，又 提出了基本风压的概念。基本风压是以当地比较空 旷平坦地面上，离地10m高度处统计的50年一遇的 2 V 10min平均最大风速V0为标准，按 1 0 确定的风压 2 值，用w0表示。
基本风压的特点
1）设定的重现期为50年 2）全国基本风压不小于0.3KN/m2； 3）东南沿海地区的风压比内陆地区大； 4）全国最大基本风压达0.9KN/m2。
2）风压 当风以一定速度向前运动遇到阻碍时，将对阻 碍物产生压力。
伯努利方程
1 2
V P const
2
V=0，得到最大静压力P0。
在建（构）筑物结构设计时，可以将平均风荷载的 大小用风压来表示的。当速度为V的气流流经建 （构）筑物上时，作用在其单位面积上的风的动压 （又称风压，净压力）可表示为
3. 结构抗风问题的分类
Ch Kh F (h , h , h) G(t ) Mh
, h , h) A h A h A h F (h 1 2 3
1）如果A1=A2=0，气动弹性静力问题
A3=0，静力响应
G=0, 静稳定性问题 2）如果 G=0 ，气动弹性动稳定性问题（颤振、驰振） 其它情况，问题响应问题（抖振）
基本风压的获取途径
1）可根据建筑结构荷载规范（GB 50009— 2001 )确定; 2）对于特定地区，可根据年最大风速（一般25年，至少 10年）通过统计方法确定50年一遇的最大风速； 3）大于50年重现期，应根据年最大风速通过统计方法确 定重现期内一遇的最大风速。
3）风压高度变化系数 基本风压是在标准地貌（当地比较空旷平坦 地面上）10m高度处的风压值。但是在建 （构）筑物结构设计时，需要知道任一地貌 和任一高度z处的风压wz与基本风压w0的关 系，因此，引入了风压高度变化系数z，即
在脉动风作用下，结构的风振系数定义为总风力 的最大概率统计值与最大设计风速下的静风力之 比。即
ws ( z ) wd ( z ) wd ( z ) ( z ) 1 ws ( z ) ws ( z )
（1）对于高耸结构，第一振型对响应的贡献 起决定性作用；（2）结构的最大内力按各阶 振型的平方和开方计算，高阶振型对响应的影 响比第一振型小；（3）动力荷载在总荷载中 仅是其中一部分，高阶的贡献并不重要。
烟囱
单筒烟囱动态响应的特点：在高风速时，位移 响应主要来自横风向响应。研究结果还表明： ①在临界雷诺数下，有烟排放时对烟囱位移响 应的影响可以忽略；②在临界雷诺数下，烟囱 的结构响应和风向角无关；③烟囱的固有频率 对结构响应有明显的影响，当烟囱的结构阻尼 很大时，则负气动阻尼的影响可以忽略。
电视塔风荷载和结构响应特性有以 下的一些特点：
1)作用在电视塔上的风荷载主要是顺风向力和顺风 向弯矩，横风向力和横风向弯矩很小；雷诺数对由 圆柱体构件组成的电视塔的风荷载有一定的影响。 2)对于电视塔这类高耸构筑物结构，由于其柔度大， 阻尼小，在风的作用下，结构响应非常显著。一般， 横风向响应与顺风向响应值有相同的量级，有时， 横风向响应要大于顺风向响应。
第二章
作用于结构上的风荷载
由于自然风的湍流特性，风速可分成准定 常的时均风速和非定常的脉动风速，因此， 作用在建（构）筑物上的风荷载包括平均 风荷载和动态风荷载两部分。
平均风荷载
1）力和力矩 对于建（构）筑物来说，平均风荷载主要指作用在 建（构）筑物上的风力，包括顺风向力Fx（阻力）、 横风向力Fy（侧力）、竖风向力Fz（升力）、顺 风向弯矩My（倾覆力矩）、横风向弯矩Mx（横侧 力矩）和扭矩Mz。
Ferrybridge 热 电厂冷却塔群 H: 116m D: 93m
20世纪50年代后，人们开始研究建 （构）筑物的结构响应问题，美国 Liepmann首先研究了由大气湍流产生 的结构响应。但将Liepmann理论应用 到建（构）筑物时，需要发展近地脉 动风的模型。1961年，加拿大 Davenport提出了这种模型，并在此基 础上建立了计算建（构）筑物顺风向 响应的方法，并编入了建筑结构荷载 规范。
建（构）筑物横风向响应远比顺风向 响应复杂，其激励机理与气动弹性联 系在一起。虽然已有不少学者对横风 向响应进行了研究，但至今还没有从 基本原理出发推导出计算建（构）筑 物横风向响应的解析公式。 在建（构）筑群中，各建（构）筑物 间的空气动力干扰一直是人们十分关 注的问题，自80年代后，许多学者对 此进行了研究。
结构抗风设计原理
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5.
主要参考书 黄本才，结构抗风分析原理及应用，同济 大学出版社，2001 张相庭编著，结构风压与风振计算，同济 大学出版社，1981 Simiu,E, Scanlan, RH, 风对结构的作用风工程导论，同济大学出版社，1992 贺德馨等，风工程与工业空气动力学，国 防工业出版社，2005 建筑结构荷载规范，GB 50009—2001
pi p C pi 1 V 2 2
在得到建（构）筑物表面各点的压力系数值后， 要对其进行加权平均，得到该表面的风载体型 系数s(z)，即
s
C
j 1
n
pj
A j
A
当测压点均匀布置时
s
C
j 1
n
pj
n
误差<2%
由于沿建（构）筑物高度方向各点的基本风 压不同，因此，实际计算时可沿高度分区域 进行，在每个区域内可认为其风载体型系数 和风压高度变化系数均为常值。 风载体型系数主要取决于建（构）筑物的体 型，在国内外建筑结构荷载规范中，给出了 各种典型的单体建（构）筑物的风载体型系 数，可供参考使用。当建（构）筑物的体型 变化较大时，或者位于密集的建筑群中时， 则应通过风洞试验来确定其风载体型系数， 以进行合理的结构设计。
wz z w0
10 z z ( z ) 3.12 z 10 g
2 2
地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类： ——A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区（α=0.12,zba=5,zg=300m)； ——B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区
随着城市建（构）筑物高度和密度的增 加，建（构）筑物周围的局部风环境 不仅会影响人们的舒适性，而且会使 城市的空气污染加剧，因此，近年来 越来越引起重视。 随着大跨度柔性建（构）筑物的出现， 对其风荷载特别是风致响应的研究成 为建（构）筑物空气动力学的热点问 题之一。 （英国一座体育场主看台悬 挑钢看台被破坏）
3）冷却塔刚性较强，因此结构响应很小。
群体干扰问题
英国度桥电站冷却塔倒塌的原因
喉部处平均压力分布
不同高度处平均压力分布
倒塌的三座冷却塔均处于前排冷却塔的尾 流区时，电站建筑物和群塔的布置对他们 的平均压力分布和脉动压力分布均产生明 显影响。特别是1A塔。由于压力分布的变 化，使背风区的冷却塔在其子午线方向上 的应力要比迎风区的冷却塔高出10%~20%。
第一章 结构风效应、结构抗风设计理论的发展
1.发展概述
茅屋为秋风所破歌 八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅。 茅飞渡江洒江郊， 高者挂罥长林梢，下者飘转沉塘坳。
• 1890年，澳大利亚W. C. Kernot建筑 物模型屋面上的风压分布。 • 1894年，丹麦J. O. Irminger也在风洞 中测量了建筑物模型表面上的风压分 布，并与实测结果进行了比较。 • 1889年，法国G. Eiffel在设计当时世界 最高（300m）的巴黎埃弗尔铁塔时， 计算了塔的挠度；铁塔建成后，他又 在地面用望远镜测量了塔顶移动的轨 迹呈椭圆形，平均挠度为7~8cm
冷却塔
冷却塔是火力发电厂或核电站的重要设施之一， 随着发电机组容量的增加，用来冷却循环水的大 型冷却塔的高度已超过150m，属于高耸结构。早 在1965年，英国渡桥电站的八座呈双排交错布置 的高114m的双曲型冷却塔在强风的作用下倒塌了 三座，倒塌的冷却塔为2A、1A和1B，如图所示， 经研究分析后认为倒塌的主要原因是设计时风荷 载取值偏低，另外，冷却塔群的平面布置也不尽 合理。在这以后，冷却塔倒塌事件仍时有发生， 因此，对冷却塔的风荷载和结构响应的研究，一 直是风工程领域中的一个重要内容。
（α=0.16,zba=10,zg=350m)；
——C 类指有密集建筑群的城市市区（α=0.22,zba=15,zg=400m)； ——D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区（α=0.30,zba=20,zg=450m) 。
4）风载体型系数 为了得到各种建（构）筑物表面风压的大小 和分布，目前，主要通过风洞试验测量模型 上各点的压力系数，即
风荷载和动力响应的特点
1）不同冷却塔的平均压力分布不同，压力分布除了 取决于塔的几何形状、雷诺数和塔体表面粗糙度 外，还与近地风特性等有关。 2）在60 120范围内，表面粗糙的冷却塔比 表面光滑的冷却塔的脉动风压系数值要小。另外， 在不同雷诺数和不同高度处，冷却塔的脉动压力 系数也是不同的。
按现行规范的定义
z 1 v z / z
式中ξ—脉动增大系数； υ—脉动影响系数； φ(z) —振型系数； μz—风压高度变化系数 严格地讲，风振系数只对简单形状的高层建筑或高 耸结构较适用。对于形状较复杂的结构，则存在平 均风荷载大，动态风荷载小，或刚好相反的情况， 这时，采用风振系数往往给出偏差较大的估计。另 外，它也不适用于大跨度屋面结构。位移风振系数 是另外一种可以采用的参数。
源自文库 2)动态风荷载计算 作用在建（构）筑物上的动态风荷载可表示为
w( z) z ( z) s ( z) z ( z)w0
2. 横风向风荷载
与顺风向风荷载相比，建（构）筑物在横风向的 动态风荷载的产生机理比较复杂，它主要是由来 流湍流，尾流旋涡以及建（构）筑物本身的振动 所产生。目前尚无通用的解析方法来计算建（构） 筑物的横风向荷载，一般依靠风洞试验来获得。
第三章 建（构）筑物风荷载和结构响应特性
主要讨论高层建筑、冷却塔、电视塔、烟 囱、架空输电线路系统、低矮建筑等建 （构）筑物的风荷载和结构响应的基本特 性。
风作用下，矩形截面高层建筑的风荷载和结构响应特性有以 下的一些特点： （1）顺风向平均风荷载大于横风向平均风荷载；横风向动态风 荷载大于顺风向动态风荷载。 （2）地貌条件对动态风荷载有影响，在B类风场中（即平坦地 貌）顺风向动态风荷载要比D类风场中（即粗糙地貌）小，但 横风向动态风荷载则相反。 （3）在通常风速下，结构的横风向响应及顺风向响应都随风速 的增大而增大。当风速大到邻近结构涡振风速时，由于受涡激 力的作用，横风向响应将随风速急剧增大，在涡振风速时出现 峰值。但当风速超过结构涡振风速而继续增大时，横风向响应 往往要回落到一定值，然后再随风速的增大而增大。 （4）旋涡脱落所引起的涡激力对横风向响应和顺风向响应都有 贡献，但是，在横风向上其频率为旋涡脱落频率，而在顺风向 上其频率接近于两倍旋涡脱落频率，横风向响应大于顺风向响 应。 （5）随着风速的增大，结构响应受风向的影响也增大。通常， 当 = 90时，结构响应最大； = 45时，结构响应最小。 （6）通常，在D类风场中（即粗糙地貌）的结构响应最大，B类 风场中次之，均匀风场中最小。
5）平均风荷载计算
w( z) s ( z) z ( z) w0
平均风荷载的用途：进行静风作用下的结构内力和位移 分析。
动态风荷载
1. 顺风向风荷载 脉动风作用在建（构）筑物上的荷载除了平均风 荷载外，还有动态风荷载。动态风荷载一般分为 顺风向动态风荷载和横风向动态风荷载。 1）风振系数 在我国的建筑荷载规范中，采用等效静力荷载 来表示脉动风引起的顺风向动态风荷载，即用平 均风荷载乘以荷载风振系数（简称风振系数）z。
2. 风对结构的作用
• 使结构或其构件受到过大的风力或不稳定 • 使结构或其构件产生过大的变形，引起外墙、 外装饰材料的破坏 • 由风振作用导致的结构或其构件的疲劳破坏 • 由于结构气动弹性失稳，加剧了结构在风中 运动产生的风荷载 • 过大的振动导致建筑物使用者的不舒适感 • 行人高度风环境的舒适性