土木工程结构抗风设计 南航8
工程结构的抗震和抗风设计
地震波的传播速度受地球内部物质性质影响，纵 波速度最快，横波次之，面波最慢。
3
地震波衰减
地震波在传播过程中，随着距离的增加和能量的 耗散，振幅逐渐减小，即地震波衰减。
结构动力学基础
结构动力特性
结构自振周期、阻尼比和振型等是描述结构动力特性的重要参数。
结构动力响应
在地震作用下，结构会产生加速度、速度和位移等动力响应，这些 响应与地震波的特性和结构动力特性密切相关。
尽管新材料和新技术在抗震抗风设计 中具有广阔的应用前景，但由于成本 、技术成熟度等因素，实际应用仍较 少。
未来发展趋势预测
智能化设计
借助人工智能、大数据等技术 手段，实现工程结构抗震抗风 设计的智能化和自动化，提高
设计效率和准确性。
绿色建筑设计
在抗震抗风设计中融入绿色建 筑理念，注重环保、节能、可 持续发展等方面，推动建筑行
某高层建筑在台风中保持稳定，得益于其采 用的流线型建筑形体和刚度较大的结构体系 。
案例三
某输电塔在极端风况下仍能正常运行，这与 其采用的圆形截面塔身和有效的阻尼器设置 有密切关系。
数值模拟技术在抗震抗风设计中的应
用
有限元法在抗震抗风设计中的应用
结构动力分析
有限元法可用于建立结构的动力模型，通过输入地震波或 风荷载进行动力时程分析，得到结构的动力响应。
端荷载下的倒塌机制。
大变形分析
离散元法能够处理结构的大变形问题，如 地基液化、结构倾覆等，为抗震抗风设计 提供重要依据。
接触与碰撞模拟
离散元法可模拟结构构件间的接触和碰撞 行为，揭示结构在地震或风荷载作用下的
动力相互作用机制。
数值模拟技术在复杂结构分析中的优势与挑战
土木工程结构抗风的设计
2020/5/1
四、抗风设计要求
• 强度设计要求 • 刚度设计要求 • 舒适度设计要求 • 局部构件的合理设计——外墙、玻璃、女儿墙等 • 疲劳设计要求——高周疲劳
2020/5/1
2020/5/1
表1-1 高层建筑顶部水平位移与结构高之比Δ/H
结构类型
钢筋混凝土结构
钢结构
框架 框架－剪力墙 筒体及筒中筒
w1v2 1 v2
2 2g
2020/5/1
1.3 风对结构物的作用
一、风作用的类型
(1)顺风向力——由与风向一致的风力作用 (2)横风向力——结构物背后的旋涡引起结构物的横 风向(与风向垂直)力 (3)风力扭矩——由横风向力、顺风向力引起
2020/5/1
二、风作用效应
(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、
剪力墙 框架
框架－剪力墙 筒体及筒中筒
剪力墙
轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准
1/500 1/650 1/800 1/900 1/900 1/1000 1/1000 1/1200 1/450 1/500 1/700 1/800 1/800 1/900 1/900 1/1100
2020/5/1
课程内容
• 风工程基本知识
风的特性 结构上的静力风 结构上的脉动风
• 结构抗风设计
结构的风振响应(高层、屋盖、桥梁） 结构风振控制
2020/5/1
第一章 绪论
全套土木工程结构抗风设计
P 1 1 T0
平均风概率分布类型
我国荷载规范也规定：基本风速采用极 值Ⅰ型的概率分布函数。
F (x) exp{exp[(x ) / ]}
根据概率论 由风速资料
二、风作用效应
(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； (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
• 一般建筑物总有一定的侧向长度，而最大瞬时风速不 可能同时作用在全部长度上。
• 10分钟至1小时的平均风速基本上是一个稳定值，太短 了，则易突出峰值的作用，包括了脉动的最大部分， 风速值也不稳定，真实性较差；若取的过长，则风速 的变化将大大平滑。
最大风速的样本
采用年最大风速作为统计样本原因 ： （1）一年之中，只有一次风速是最大的，它应在统计场
结构类型
钢筋混凝土结构
钢结构
框架 框架－剪力墙 筒体及筒中筒
剪力墙 框架 框架－剪力墙 筒体及筒中筒 剪力墙
轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准
1/500 1/650 1/800 1/900 1/900 1/1000 1/1000 1/1200 1/450 1/500 1/700 1/800 1/800 1/900 1/900 1/1100
土木工程结构抗风设计概要
无法忍受 150gal
注： 其中 1gal=1/100m/s2
结构类型 框架 轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 一般装修标准 较高装修标准 轻质隔墙 砌体填充墙 一般装修标准 钢筋混凝土结构 1/500 1/650 1/800 1/900 1/900 1/1000 1/1000 1/1200 1/450 1/500 1/700 1/400～1/800 钢结构
三、效应分析方法
• 顺风向平均风——静力计算 • 顺风向脉动风——随机振动理论计算 • 横风向周期性风——按确定性荷载进行 动力计算
四、抗风设计要求
• • • • • 强度设计要求 刚度设计要求 舒适度设计要求 局部构件的合理设计——外墙、玻璃、女儿墙等 疲劳设计要求——高周疲劳
表1-1 高层建筑顶部水平位移与结构高之比Δ /H
风速风压关系
对工程结构设计计算来说，风力作用的大小直 接以风压来表示。
1 2 1 2 w v v 2 2 g
1.3 风对结构物的作用
一、风作用的类型
(1)顺风向力——由与风向一致的风力作用 (2)横风向力——结构物背后的旋涡引起结构物的 横风向(与风向垂直)力 (3)风力扭矩——由横风向力、顺风向力引起
实测风速时程曲线
• 风与结构的耦合
风强度的表示方法
(1)蒲福风速表 英国人蒲福(F．Beaufort)于 l 805年拟定了风 级，根据风对地面(或海面)物体影响程度而定 出的带气旋最大平均风力12级或以上
(2)福基达龙卷风风力等级表 龙卷风——范围小而时间短的强烈旋风， 切向速度达100m/s。 美国芝加哥大学福基达(T．T．—Fujita)教 授曾于1970年提出龙卷风按最大风速划分为 7个等级. 规范中未考虑。
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。
工程结构抗风措施
工程结构抗风措施介绍工程结构的抗风措施是指在建筑物、桥梁、塔架等工程结构设计和施工过程中采用的一系列防风措施。
在地震、风暴、龙卷风等自然灾害中，工程结构的抗风能力起到至关重要的作用，保证了工程结构的安全稳定。
抗风设计原理风荷载计算抗风设计的第一步是进行风荷载计算。
风荷载是指风对建筑物或结构物表面施加的力和力矩。
常用的风荷载计算方法包括等效静力法和风洞试验法。
等效静力法是一种简化的计算方法，根据建筑物的形状、面积和高度确定风荷载大小。
风洞试验法是通过在风洞中对模型进行试验，测量风荷载大小和分布情况。
结构抗风设计在风荷载计算的基础上，进行结构抗风设计。
主要采取以下措施：1.根据风荷载计算结果，设计合适的结构强度，确保结构能够承受风荷载带来的力和力矩。
2.通过增加抗风承载构件（如加强墙体、设立加强筋等），增加结构的稳定性和抗风能力。
3.采用合适的结构形式，如倾斜支撑、减振措施等，降低结构的共振风振响应，提高抗风能力。
抗风施工措施在工程结构的施工过程中，也需要采取一系列抗风措施。
1.施工材料的选择：选择适合抗风建设的材料，如抗风钢材、抗风混凝土等。
2.施工工艺的优化：合理制定施工工艺和顺序，保证施工过程中的稳定性。
3.施工设备的使用：使用适当的施工设备和技术，确保施工质量和效率。
4.施工监督和检测：加强施工监督和检测，及时发现和纠正施工中的问题，保证施工质量。
抗风结构的应用领域抗风结构广泛应用于以下领域：1.高层建筑：高层建筑面积大，高度高，容易受到强风的影响，抗风结构的设计和施工至关重要。
2.桥梁和隧道：桥梁和隧道通常横跨开放空间，抗风能力直接影响其安全稳定性。
3.塔架和烟囱：塔架和烟囱通常高耸入云，需要具备良好的抗风能力。
4.高速列车和飞机跑道：高速列车和飞机跑道需要抵抗高速气流对结构的影响，确保运行安全。
结论工程结构的抗风措施是确保工程结构在自然灾害中安全稳定的关键。
通过准确计算风荷载和设计合理的结构，以及在施工过程中采取适当的措施，可以提高工程结构的抗风能力。
土木工程专业本科课程《桥梁抗震与抗风》教学方法探讨
土木工程专业本科课程《桥梁抗震与抗风》教学方法探讨收稿日期：2018-11-29作者简介：刘福寿（1984-），男（汉族），安徽全椒人，博士，讲师，研究方向：结构动力学与控制。
一、引言随着我国综合国力和经济实力的提升，我国在基础设施建设方面取得了飞速的发展。
桥梁结构作为交通基础设施中的枢纽工程，在发展经济和保证人民生命财产安全中起到至关重要的作用。
然而，近年来地震与风灾导致的桥梁结构破坏时有发生，2008年汶川大地震造成了重大的人员伤亡和经济损失，桥梁的安全直接关系到整个交通生命线的畅通与否，进而直接影响抗震救灾和灾后重建工作的大局[1]，2018年即将通车的港珠澳大桥就经受了17级台风“山竹”的考验。
因此，对于现代的桥梁设计师和工程师而言，掌握一定的桥梁抗震与抗风设计的理念和方法十分必要。
《桥梁抗震与抗风》课程是培养桥梁设计师的一门必修课程，本课程的学习对学生今后从事桥梁结构的抗震与抗风设计及相关施工工作具有重要意义[2]。
由于本课程理论性强，同时又紧密联系工程实践的特点，在学习过程中学生基本上很难单纯依靠课本上的理论知识来了解抗震与抗风设计的细则和掌握具体的计算方法。
这就要求主讲教师具备相当的授课技巧，能够激发学生的学习兴趣和思考能力，使他们真正掌握桥梁抗震与抗风设计的要领。
鉴于本课程的上述特点，为了更好地提高教学质量，我们有必要在传统教学方法上进行一些思考和改进。
笔者根据自身的教学经历，从教学目标、教学现状、教学方法改进等方面对本课程的教学方法进行探讨。
二、教学目标《桥梁抗震与抗风》作为土木工程专业（交通土建工程方向）的一门专业课程，是培养桥梁设计师和工程师的必修课程，该课程包含理论力学、材料力学、结构力学、桥梁工程、结构设计原理等一系列专业课程的基础知识，是一门理论性很强的专业课程。
本课程首先要求学生掌握地震基本知识、桥梁震害的特点、桥梁抗震与抗风的基础知识、计算理论和分析方法，其次要求学生掌握桥梁抗震与抗风的发展历程与最新研究成果，熟悉桥梁抗震与抗风设计规范，初步具备桥梁结构抗震抗风设计的能力，在提出解决复杂结构或环境下桥梁抗震与抗风设计规范时有创新意识。
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。
建筑结构的抗风设计
建筑结构的抗风设计抗风设计在建筑结构中起着至关重要的作用。
随着城市化进程的加快和建筑高度的不断增加，风力对建筑物的影响日益凸显。
本文将从建筑结构抗风设计的基本原理、抗风设计中的关键要素以及未来抗风设计的发展方向等方面进行探讨。
一、基本原理在进行抗风设计时，需要考虑风荷载的作用。
风荷载由于其不确定性和变化性，成为了抗风设计的主要难点。
根据建筑物所处的地理位置和气象条件，设计师需要确定适用的风荷载标准，并结合建筑物的高度和结构形式进行合理分析。
抗风设计的基本原理包括风荷载的计算、风力对建筑物的作用分析以及结构的强度和刚度的设计。
建筑物所受到的风力主要包括气压力和气动力。
气压力作用于建筑物的表面，而气动力则是由于风与建筑物之间的相对运动而产生的。
通过结构强度和刚度的设计，可以保证建筑物在风力作用下的稳定性和安全性。
二、关键要素（一）建筑结构形式不同的建筑结构形式对抗风设计的要求不同。
例如，高层建筑通常采用框架结构或剪力墙结构，而大跨度建筑常采用悬索结构或空间网壳结构。
结构形式的选择直接决定了建筑物的抗风能力。
（二）风荷载计算风荷载计算是抗风设计的重要环节。
风荷载计算需考虑建筑物的高度、地理位置、气象条件等因素，并依据相关规范和标准进行合理的计算。
风荷载计算的准确性和合理性直接影响到建筑物的抗风性能。
（三）结构材料与构件设计结构材料和构件的选择与设计也对抗风性能有着重要影响。
常用的结构材料包括钢材和混凝土，而构件设计则需要考虑风荷载的传递和分配。
合理的结构材料选择和构件设计可有效提高建筑物的抗风能力。
（四）风振问题大风作用下，建筑结构容易产生振动现象，即风振。
风振问题会对建筑物产生不利影响，甚至危及其安全性。
因此，抗风设计中需要考虑风振问题，并采取相应的抑制措施，如加装阻尼器或控制振动装置。
三、未来发展方向（一）气候变化的考虑随着全球气候变化的加剧，极端天气现象频发，抗风设计需要更加关注气候变化对风荷载的影响。
工程结构抗震与防灾_东南大学_6 第六章建筑结构抗风设计_2 第2讲结构顺风向抗风设计
6.3
结构顺风向抗风设计
加速度限值：
风荷载振幅和频率到达某一关系时，人体会产生不
舒服感。通常对弯曲振动，以加速度为度量指标，
扭转振动以角速度为度量指标，下表是国内外有关
规范的建议值。
弯曲振动加速度（m/s2） 振动类型
旅馆、公寓 办公楼
扭转振动角 速度
（rad/s）限Biblioteka 值0.20.3
0.001
顶点位移μ/H限值
结构类型 填充墙
框剪 剪力墙
实心砖 空心砖
风荷载 1/450（1/500） 1/500（1/500） 1/800（1/500） 1/1000（1/500）
筒体
1/900（1/500）
钢筋混凝 土结构由 于易开裂， 要乘以刚 度折减系 数。
注：括弧外数字用于钢筋混凝土结构，括弧内数字用于钢结构。
建筑结构抗风设计
6.1 风灾及其成因 6.2 风荷载计算
6.3 结构顺风向抗风设计
6.4 结构横风向风振计算
26
6.3
结构顺风向抗风设计
顺风向的风力常分为平均静风力和脉动风力，前者作用 于受风面积，后者作用于质量中心。因此要使风荷载作 用下不产生扭转，应使刚度中心与受风面积中心、质量 中心三心一致。
抗风设计都考虑在弹性范围内，进行弹性计算，不考虑 出现塑性变形的情况。
风荷载作用下结构的层间位移、顶点位移与结构总高度 之比值不得超过下表中的限值。
6.3
结构顺风向抗风设计
框架 框架
层间位移Δμ/H限值
结构类型
风荷载
填充墙 实心砖 1/400（1/400）
框剪 剪力墙
筒体
空心砖
1/500（1/400） 1/600（1/400） 1/800（1/400） 1/700（1/400）
土木工程的结构抗风
土木工程的结构抗风风灾是自然灾害的主要灾种之一，其发生频繁，在全世界范围内造成了巨大的人员伤亡和经济损失。
其中对结构工程师来说，如何使自己的结构能够抵抗可能出现的风灾，也是近年来结构设计的重点之一。
近20年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构，在这些重大工程的设计中，强风作用下结构的风荷载往往决定着结构的安全性能，需要引起设计人员的高度重视。
风，即在外力作用下引起的气流流动。
首先能够影响到建筑安全性的风大多都是近地风。
那么近地的风有什么样的特点呢？在流体力学中我们知道，流体固壁对流体的剪切力使得流体速度接近于零，并且随着与固壁距离的增大这种剪力会减小。
同理，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，一般达到几百米以上。
结构上需要考虑的风都处于大气边界层中。
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zc 表示，梯度风速用vzc表示，就可以得到以下一个定性的风速关系：一般来说如果与流体力学相对应的话，大气边界层内近地层的气流是湍流。
而在自由大气中的空气流动则是层流，基本上是沿着等压线以梯度速度流动（均匀流）。
作为土木工程结构设计者，我们最关心的是处于大气边界层内部风的状况。
在对大气边界层内部风速变化的研究中，一般用对数律表示大气底层风速廓线比较理想，其表达式为式中， ——大气底层内z ’高处的平均风速——摩擦速度或流动剪切速度——卡曼常数——地面粗糙长度——有效高度这种方法是现阶段公认的较为理想的大气底层风速廓线描述方法。
在此基础上，接下来对风对结构的作用进行描述。
首先，我们能测得的是风的速度，而风对结构的作用则是采用风压或者风力进行表达，因此这里首先说到如何将风速转化成风压。
因为大气边界层中我们认为气体不可压，因此根据伯努利方程p + ρv2/2 +ρgh =常量忽略体力作用的话，以w1表示单位面积上的静压力（k N/m ²），可将上公式改写成当v=0时，C 1=w 2为最大静压力，令 为静压力则有 这就是在已知基本风速情况下的风压计算公式。
高层建筑结构抗风设计鞠向伟
高层建筑结构分析与设计高层建筑结构抗风设计学院：航空宇航学院专业：建筑与土木工程学号：BZ1301005姓名：鞠向伟指导老师：毛利军南京航空航天大学二〇一四年七月高层建筑结构抗风设计鞠向伟（南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系，南京市，210016）摘要：本文简要介绍了高层建筑结构风荷载作用特点，提出基于性能的结构抗风设计理论框架；对结构抗风概念设计与计算分析及结构抗风性能安全性评价进行简单讨论；同时提出改善抗风性能的结构设计方法，展望抗风设计的发展前景。
关键词：高层结构，抗风设计，安全性Wind resistant design of high-rise building structureAbstract: This paper introduces the high-rise building structural characteristics of wind loads, wind-resistant design proposed theoretical framework based on structural performance. Wind conceptual design of the structure and calculation analysis and safety evaluation of structural wind resistance brief discussion; also proposed to improve the wind resistance of the structure design, development prospects Prospects wind design.Key words: tall structure; wind-resistant design; safety1 高层建筑结构抗风设计理论高层建筑高宽比大，抗侧刚度小；所承担的水平荷载除地震作用外，主要为风荷载。
土木工程结构抗风课程教学改革的探讨
土木工程结构抗风课程教学改革的探讨土木结构抗风近年在国内外发展很快,已形成一门新兴学科,它涉及气象学、空气动力学及气动弹性力学、结构工程学、振动工程学等多门学科。
国际风工程学会和中国风工程学会分别于20世纪60年代和80年代成立。
其学科基础是风工程,而南航作为国内外最早开展风工程研究的高校之一,在这门课程的教学、试验方面拥有独特的优势。
但是,由于土木结构抗风学科对交叉学科的要求较高,一些学生对这门新兴学科避而远之、提不起兴趣、没有信心。
但现代社会的发展要求结构风工程工作者需具备很强的主动进取精神和创新思维能力,要善于从错综复杂的工程实际中独立地提出问题和解决问题。
面对这一挑战,我们在土木工程结构抗风教学改革中,注重提高学生学习的积极性和主动性,鼓励他们自觉探索创新,尽量多接触相关的交叉学科,以适应培养面向21世纪人才的需要。
1 提高学生学习的主动性在土木结构抗风的第一堂课上,我们坚持抽出半节课时列举重大工程中结构抗风研究的重要性,以及国内外这门学科的发展现状和未来展望。
在以后的课堂讲授中,也不时地穿插国内外一些重大风灾事故的实例,目的是希望学生把今天的学习和明天的责任联系起来,使他们深切地感受到土木结构抗风是和我们国家的重大工程建设的安全性息息相关。
现在不掌握这门学科,万一将来疏忽失误,可能就给人民生命财产造成重大的损失。
通过事例分析、思想教育,提高了学生学习本课程的自觉性、主动性和积极性。
2 将学生的学习兴趣充分的调动起来在我们的教学中,要把学生的学习兴趣放在首位,并且让他们学会自己独立思考。
让学生们通过不同的思路进行探讨,当然环境不是特定的,课上也好课下也好,充分激发出学生的学习兴趣。
作为老师我可以保证,学生所提出的问题都可以给予负责的解答;而通过书面提出的问题也会给予书面解答;在课堂上提出普通意义的问题,要在全班同学面前公开解答,并及时给予表扬,鼓励同学多提出有创新的问题。
对于最近来说我们新增了一些奖励措施,就是对于一些爱提问的学生并且提出问题很有深度的学生,在平时成绩中给予加分的奖励。
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。
工程结构抗震与防灾_东南大学_6 第六章建筑结构抗风设计_3 第3讲结构横风向风振计算
6.1 风灾及其成因 6.2 风荷载计算 6.3 结构顺风向抗风设计
6.4 结构横风向风振计算
26
6.4
结构横风向风振计算
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，如下图。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
vH
2000 W H w0
W ——风荷载分项系数，取1.4；
H ——结构顶部风压高度变化系数；
w0 ——基本风压（ kN / m2）；
——空气密度（ kg / m3）。
此最大风速大于临界风速时，就会发生共振，此时 Re和 vc 满足：
Re
69000vc
D
3.5 106
响。
PL
PD
PM
结构上的风力
6.4
结构横风向风振计算
结构在顺风向风力、横风向风力和扭风力矩作用下， 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）。
组合公式为：
wc
vc2 1600
(kN / m2 )
S
S
2 L
S
2 A
j 称为横风向第j振型参与系数
国内规范取 H1 0，
各阶 取值见右表。
j
1
2
数值
1.56
-0.85 0.47
L 0.2
呈随机性，不会 造成破坏
土木工程专业研究生课《结构风工程》教学方法探索
运用综合知识解决实际问题的平台，加强学生独立思考，提高学生综合知识运用能力。
四、开放性实践教学改革特色1.开放性实践教学改革是综合理论知识在水污染控制工程中的实际应用，既强调了基本理论知识的综合运用，又鼓励学生探索前沿技术，将学生的独立思考能力、综合分析能力、动手操作能力、相互协作能力融会贯通在水处理工程实践中；既是将所学知识转变为现实生产力的一条重要途径，也是培养学生实践创新能力的一个平台，是该门课程教学工作的一个创新举措[2]。
2.让学生从当前各高校，从加强课堂教学、实验教学、课程设计、毕业设计、认识实习和生产实习中，从动者、旁观者转变为现实实践活动的参与者，是将独立分散的知识综合运用的一个具有系统性的实践过程，是将“理论来源于实践又回到实践”中的一个实践过程，是理论知识“升华”的过程。
五、需要解决的关键问题1.在特定时间内采集生活污水、各类工业废水等不同性质的污水水样，并进行污水水质化验分析。
2.采用生物技术处理生活污水或工业废水，需要在特定的时间内培养优势微生物种群，但微生物的培养需要一定的时间并受环境因素影响很大，好氧微生物的培养一般需要7～10天的时间，而厌氧微生物的培养则需要1～3个月的时间，污水处理试验不能够同步，处理效果难于评价。
3.同一污水水样可以采用不同的处理技术达到相同的出水水质要求，确定最优处理工艺方案需要进行污水处理效果不同连续试验的对比分析，并进行技术经济分析比较，在此过程中各种运行费用难于精确计算。
4.反应器的加工需要特定的专业制作。
六、开放性实践教学改革意义及成果展望通过开放性实践教学改革，有望开创高校《水污染控制工程》课程开放性实践教学改革的全新尝试，极大程度提高学生各种污水处理技术的综合实践运用，学生综合能力得到较大提高，对理论知识的融会贯通、系统性地综合运用得到较大程度提高，学习本课程理论知识的积极性空前高涨；开展开放性实践教学改革研究，对学生来讲既是科研创新活动，也是一种将理论知识转化为现实生产力的社会实践活动，对本学科建设意义重大：每年组织学生定期举办“污水处理技术”竞赛活动，形成一种体制；进行开放性实践教学改革，对提高高校实践教学水平、学科建设创新意义重大；和工业企业及居民区物业相联合，为工业企业和居民区污水处理提供新技术，为污水处理中存在的问题寻求解决方案，并为促进学生的就业开辟了一个新的途径。
土木工程中的风动力分析与设计
土木工程中的风动力分析与设计近年来，随着城市化进程的加快，高楼大厦的建设越来越多，而由于地理环境的不同，往往会面临各种自然灾害的威胁。
其中，风力对建筑物的影响尤为明显。
因此，土木工程领域中的风动力分析与设计变得愈发重要。
首先，我们需要了解风的基本概念和特性。
风是一种气象现象，由大气中空气的水平流动引起。
风的强度和方向是我们进行风动力分析的关键参数。
土木工程师需要根据不同项目的需求，合理选择风速和风向作为设计基准，以保证建筑物的安全性和稳定性。
在进行风动力分析时，我们需要借助计算方法和数值模拟来模拟和预测风的作用。
其中，风洞试验是一种常用的实验手段。
通过在缩小的尺寸空间中模拟风的流动，我们可以观察建筑物在不同风速下的响应，从而判断其结构强度是否满足要求。
此外，还有一些计算软件可以帮助工程师进行风动力分析，如ANSYS Fluent、OpenFOAM等。
这些软件基于数值模拟方法，能够更全面地分析风对建筑物的影响。
在风动力设计中，我们需要考虑建筑物的结构特点和目标。
比如，在高层建筑中，涉及到的问题包括建筑物的抗风性能、风荷载的分布以及附属设施的设计等。
为了提高建筑物的抗风能力，可以采用一些风防措施，如增加建筑物的质量和刚度，调整外形设计等。
同时，对于一些特殊结构，还需要进行风振分析，以避免共振和破坏现象的发生。
此外，我们还需要关注风动力设计的可持续性和环保性。
随着人们对环境保护的要求越来越高，传统的建筑设计方式已经不能满足需求。
因此，土木工程师需要在风动力设计中考虑到能源的利用和节约。
比如，在建筑物外墙设计中加入风力发电装置，通过利用风的能量来为建筑物提供电力。
这种设计不仅能够提高建筑物的自给自足能力，还能够减少对传统能源的依赖，从而实现可持续发展。
总之，土木工程中的风动力分析与设计是保证建筑物安全和稳定的重要环节。
通过合理选择计算方法和数值模拟，我们能够更全面地了解风力对建筑物的影响，并采取相应的设计措施来提高建筑物的抗风能力。
C区宾馆综合大楼框架——剪力墙结构抗风、抗震结构设计
C区宾馆综合大楼框架——剪力墙结构抗风、抗震结构设计黄朱功;张鹏
【期刊名称】《广西工学院学报》
【年(卷),期】2005(0)S3
【摘要】完成了宾馆综合大楼框架—剪力墙高层结构的抗风、抗震结构设计。
主要内容包括:1.工程概况与结构体系的选择;2.结构布置;3.荷载计算;4.刚度计算;5.水平荷载作用效应分析;6.框架以及壁式框架梁、柱弯矩的计算;7.单片剪力墙的弯矩轴力计算;8.重力荷载作用框架和剪力墙的内力计算;9.剪力墙墙肢及过梁内力计算;10.荷载效应组合;11.截面设计。
整个设计围绕延性设计这一思想进行,力求体现建筑师的设计风格,不违背建筑设计的意图,体现强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强锚固的要求。
【总页数】3页(P137-138)
【关键词】抗风;抗震;毕业设计
【作者】黄朱功;张鹏
【作者单位】广西工学院土木工程012班;广西工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU398.2
【相关文献】
1.某综合大楼框架剪力墙结构工程主体施工技术研究 [J], 张敏
2.浅谈某大楼工程框架剪力墙结构设计 [J], 陈志峻
3.浅谈高层框架剪力墙结构的抗风与抗震设计 [J], 操长节
4.框架剪力墙结构抗震动力性能与抗侧向倒塌能力研究 [J], 马肖彤; 包超; 马艳; 张立新; 陆华
5.框架剪力墙结构设计中的抗震结构设计理念 [J], 张鹏飞
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（3）桥梁抗风设计的基本过程
桥梁抗风设计的过程见图8-2。 对于一般的大桥，初步设计阶段的抗风分析可采用近 似的公式对各方案的静风载内力和气动稳定性进行估算， 待方案确定后再通过节段模型的风洞试验测定各种参数， 进行抗风验算和风振分析。对于重要桥梁，宜在初步设计 阶段通过风洞试验进行气动选型，为确定主梁断面提供依 据。在技术设计阶段再对选定的断面方案进行详细的抗风 验算和风振分析，还应通过全桥模型的风洞试验对分析结 果予以确认。
8.4 桥梁动力特性及其计算分析
桥梁结构动力特性是桥梁抗风设计中的重要 资料，进行桥梁风致振动计算分析和桥梁模型风 洞试验，都须以结构动力特性为依据。这里首先 介绍如何采用有限元方法进行悬索桥和斜拉桥的 结构动力特性分析，然后介绍 采用近似公式计算 桥梁基频。
频率、 一、 频率、振型及结构阻尼
频率——单位时间内系统简谐振动的次数，常记为f，单位为Hz（次/ 秒）。简谐振动的频率等于周期的倒数。圆频率ω=2πf，单位为（周/ 秒）。 振型——结构以某一频率做箭谐振动时，结构各点相对位移的关系。 阻尼——结构在做有阻尼自由振动时振幅衰减的程度 对数衰减律
FH = 1 ρV 2 HLC H 2
阻力
升力FV =ຫໍສະໝຸດ 1 ρV 2 BLC V 2
力矩
1 M = ρV 2 B 2 LC M 2
1 ρV 2 式中：ρ为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度， 2
为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力 系数、力矩系数，它们由节段模型试验提供。
在风轴坐标系下，静力三分力表达为： 阻力
图8-1 Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片
一、 风对桥梁作用的现象及作用机制
风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自 然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制 约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风 速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和 随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁 结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。 这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引 起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。 从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变 化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑 它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象 和机制见表1。
π 3(
m B r 1 µ= ;b = ; = 2 πρb 2 b b
Im ft ;ε = m fb
四、桥梁空气静力稳定性的非线性分析
考虑结构的几何非线性及静力三分力随攻角的变化， 采用非线性有限元方法进行分析。该方法可以将横向屈 曲和静力扭转发散一并考虑，是研究桥梁空气静力稳定 性的较为完善的方法。
升力
力矩
1 F D = ρ V 2 HLC D 2 1 F L = ρ V 2 BLC L 2 1 M = ρ V 2 B 2 LC M 2
1 2 式中：ρ为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度， ρV 2
为气流的动压。CD、CL、CM分别为主梁的阻力系数、升力 系数、力矩系数。
2. 桥塔、主缆及拉索上平均风荷载
1 M a = ρV 2 B 2 C M (α ) 2
C 式中： M (α ) 为绕扭转轴转动的气动力参数。
代回风速计算式:
三、横向屈曲
对于单跨简支的悬索桥，可采用以下公式估算横向 屈曲临界风速
Vlb = K lb f t B B r )µ ( ) b H K lb = ' C L Bc 1.88C Dε 4.54 + CD H
悬索桥结构动力特性示例
风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面 风的攻角 产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对 桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高 风速时的平均攻角约在±3°之间。 阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风荷 阵风系数 载时应采用时距为1～3s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系 数乘以设计基准风速求得。 静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过 静力扭转发散 某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生 的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现 一种不稳定的扭转发散现象。 静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过 静力横向屈曲 主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。
表1 风对桥梁作用的现象及作用机制 分类 现象 静风载引起的内力和变形 静力 作用 扭转发散 静力不稳定 横向屈曲 抖振（紊流风响应） 限幅振动 涡振 动力 作用 自激振动 驰振 扭转 颤振 古典耦 合颤振 单自 由度 二自 由度 发 散 振 动 自激力的气动负阻尼 效应——阻尼驱动 自激力的气动刚度驱 动 旋涡脱落引起的涡激 力作用 静阻力作用 紊流风作用 静（扭转）力矩作用 作用机制
阻尼比的统计范围 0.5%~1.0% 1.0%~1.5% 2.0%~3.0%
二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性
空间杆单元
空间梁单元
进行结构动力特性分析常用的商业有限元软件
1. ANSYS 2. ALGOR 3. SAP2000 4. ADINA 5. NASTRAN 6. ABAQUS 7. DIANA
1 x0 δ = ln n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
δ=
2πζ 1− ζ
2
，δ ≅ 2πζ
结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得， 结构阻尼与材料、结构形式等多种因素有关，无法通过 计算取得。桥梁抗风设计中结构的阻尼比可以取以下经 验值：
桥梁种类 钢桥 结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 0.005 0.01 0.02
（2）桥梁抗风设计中的重要因素 桥梁抗风设计中的重要因素
抗风设计中的重要因素有： （1）风特性参数 应通过调查和收集气象资料掌握桥 址处的风特性，并采用正确的方法确定合理的参数供抗 风设计使用。特别要注意桥址处特殊的地形、地貌和风 向条件，以便对常规的取值进行必要的修正。 （2）桥梁的动力特性 需采用合理的力学模型，并注 意边界支承条件的正确处理。对计算结果要通过与相似 桥梁的比较检验其合理性和可靠性，其中特别是对于主 梁前二阶对称和反对称的竖向弯曲、侧向弯曲和扭转振 型要作出正确的判断。 （3）桥梁风荷载、颤振临界风速、抖振响应 抖振响 应的正确预测主要取决于桥梁的动力特性、主梁断面的 气动特性和紊流风特性。
静力三分试验： 静力三分试验 ： 采用主梁或桥塔的刚性节段模型，在风 洞中测定平均风绕流的静作用力的三个分量，即阻力、升 力和扭转力矩。无量纲的三分力系数和攻角的关系曲线反 映出断面的基本气动性能，是分析桥梁各种风致振动和静 力稳定的重要参数。 节段模型试验： 节段模型试验 ： 将主梁的代表性做成刚性模型，用弹簧 悬挂在支架上形成一个有竖向平动、转动（及侧向）自由 度的振动模型，在风洞中测定风的动力作用。满足相似条 件的节段模型试验可直接测定二维颤振的临界风速，也可 识别出用气动导数表示的非定常动力，是桥梁最重要的风 洞试验之一。 全桥气动弹性模型试验： 全桥气动弹性模型试验 ： 将全桥按一定几何缩尺制成并 满足各种必要的空气动力学相似条件的三维弹性模型，在 大型边界层风洞中观测其在均匀流及紊流风场中的各种风 致振动现象，用于考察桥梁从施工期各阶段到成桥的抗风 性能。是研究桥梁风致振动最精确的试验方法。
1 F D = ρV 2DLC D 2
式中：D为桥墩、塔柱宽度或拉索外径，其余参数意义 同上。计算桥塔和拉索承受的风荷载时，按风剖面变 化考虑不同高度的风速。由于桥墩、塔柱、拉索截面 较为规则其阻力系数CD可按《公路桥梁抗风设计指南》 取值或通过模型实测
α
二、扭转发散
Ka
α
V 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数 令扭转弹簧刚度为Kα ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为α，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气 动力矩为 ：
结构型式
重现期 气象资料
动力特性 基本风速 截面选择 假定Th值 假定阻力系数 颤振风速估计 设计风载 不安全 稳定性验算 很安全 阵风系数 设计风速
及格 不安全 静力抗风设计算 很安全
及格 节段模型风洞试验 各类风振分析 满意 静力抗风验算 否 是否要进行 全模型验算 不够满意 抗风措施 三分力试验
第八章 桥梁抗风设计
本章主要介绍桥梁动力特性、作用于桥梁上的 风荷载的计算及桥梁动力失稳判断等内容。此处的 桥梁动力特性主要涉及桥梁的自振周期及频率，本 章介绍了如何用结构动力学方法和一些经验公式进 行计算。风荷载计算在基准风压基础上考虑了重现 期、结构体型、地形、地理条件等因素的影响。桥 梁动力失稳包括颤振失稳和驰振失稳，本章介绍失 稳机理及如何用运动方程和经验公式来判断桥梁是 否可能发生动力失稳。
平均风的静风压产生的 阻力、升力和力矩作用
二、 桥梁抗风设计目的和基本过程
（1）桥梁抗风设计的目的 桥梁抗风设计的目的
桥梁抗风设计的目的首先在于保证结构在施工阶 段和建成后的营运阶段能够安全承受可能发生的最大 风荷载的静力作用和由于风致振动引起的动力作用。 因此，首先应掌握架桥地点的风特性，决定桥梁的设 计风速，并据此推算风对桥梁的作用，校核抗风安全 性，如果有可能出现有害的振动或变形，就应考虑适 当的防止对策或进行设计变更。
阶段I
阶段II 是 全桥气弹模型试验 满意 阶段III 检验 不够满意 抗风措施
图8-2 桥梁抗风设计过程
8.3 风对桥梁的静力作用
一、作用在桥梁结构上的平均风荷载
1. 主梁静力三分力及静力三分力系数
FL FV
y MZ α α o 风 x
FD
FH
体轴坐标系和风轴坐标系
在体轴坐标系下，静力三分力表达为：
颤振：是一种危险性自激发散振动，当其达到临界风速时， 颤振 振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量从而使振幅逐 步增大直至最后使结构破坏。 驰振：对于非圆形的边长比在一定范围内的类似矩形断面的 驰振 钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的 (8-2) 结构能够从风流中不断吸取能量，当达到临界风速时，结构 吸收的能量将克服结构阻尼所消耗的能量，形成一种发散的 横风向单自由度弯曲自激振动。 涡激共振：风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等） 涡激共振 的钝体结构时都有可能发生旋涡的脱落，出现两侧交替变化 的涡激力。当旋涡脱落频率接近或等于结构的自振频率时， 将由此激发出结构的共振。 抖振：大气中的紊流成分所激起的强迫振动，也称为紊流风 抖振 响应。抖振是一种限幅振动，由于它发生频度高，可能会引 起结构的疲劳。过大的抖振振幅会引起人感不适，甚至危及 桥上高速行车的安全。