风荷载

寒潮大风最小

不同重现期换算式 ①.重现期不同→最大风速的保证率不同→相应最大风速值不同 ②.不同结构设计→可能采用不同重现期的基本风压→需了解不同 重现期的风速和风压→进行换算 ③.我国规范→根据风压统计资料→风压概率分布→由重现期与超 越概率或保证率关系→不同重现期的风压→不同重现期与常规 50 年重现期风压比值μ T→列表→拟合成公式
脉动风计算：脉动风→随机过程（教材 45 页图 4-8）→根据频率特性 →采用功率谱密度的动力计算手段（能量的概念）→将 时间域上的问题转换为频率域上的问题 横风向： 概念： 横风向力较顺向风力小很多→对于对称结构横向风力可以忽略
风荷载 →对细长柔性结构（高耸塔架、烟囱、缆索等）→引起很大的 动力效应→即风振→为不稳定的空气特性形成→其引起的效应 与结构截面的形状、雷诺数（Reynolds Number ）有关 雷诺数：

梯度风高度与地面粗糙程度关系：
地面越粗糙→风速变化越慢（α 越大）→梯度风高度越高 地面越平坦→风速变化越快（α 越小）→梯度风高度越低
风荷载
基本风速 v0s 测定高度 zs 梯度风高度 HTs 风速变化指数α 风速 v0a 测定高度 za 梯度风高度 HTa 风速变化指数α
设标准地貌→
任意地貌→
风荷载
↓ 存在气压 沿地球径向→大气冷却收缩→气流由高空向地表下沉┓
低空→受指向低纬度气压梯度作用→空气由高纬度流向低纬度地区 高空→ 气压梯度指向高纬－－－→空气则由低纬度流向高纬度
地球→
自转 表面大陆与海洋存在差异
→大气环流改变→
→三圈环流模型→平均径向环流形式（教材中图 4-1） 风的类型： 台风：热带洋面上形成的低压气旋←弱的热带气旋性涡旋产生→磨擦 作用产生复合气流→大量暖湿气流被带到涡旋内部→产生上 升和对流运动→释放潜热→涡旋中心空气柱温度↑→形成暖心 →涡旋内部空气密度减少，下部海面气压下降→低涡增强，复 合加强→更多水气向中心集中→循环不止→逐渐增强→形成台 风 季风： 冬季→大陆辐射冷却强烈→温度低→形成高压→与大陆相邻的海 洋→水热容量大→辐射冷却比大陆慢→温度比大陆高→气压低 →气压梯度由大陆指向海洋→风由陆地吹向海洋 与冬季相反→风由海洋吹向陆地 风与一年四季有关→形成季风 风级：风力等级的划分→12 级（教材中 37 页）→按风所引起的现象 划分 夏季→则
实际上每年的最大风速不同：
年最大风速为随机变量→统计年最大风速概率密度分布→重现期越 大→p0 越高→基本风速越大
我国基本风压分布图 测定条件：
当地较空旷地面 离地面 10m 高 →通过风速与风压 关系得到风压 统计 30 年一遇 10min 时距最大风速 高度 地貌 时距 样本时间
基本风压 根据规定的
风荷载

基本风速重现期 基本风速：规定时间范围（设计基准期）内最大风速产生的 风压→该时间范围内的的最大风速 重现期：上述规定时间内最大风速重复出现一次所需的时间 计算 概念：设重现期为 T0 年→
1 为每年实际风速超过基本风速的 T0 1 T0
概率→每年不超过基本风速的概率 p 1
fs D →采用无量纲数表示旋涡脱落 v
试验表明 气流旋涡脱落频率 fs 或 Strouhal 数 St 与气流 Re 有关 当 3X102≤Re≤3X105 周期脱落明显，St 接近常数→约为 0.2 当 3X105≤Re≤3X106 随机脱落，St 较离散 当 Re≥3X106 脱落大至呈规则性，St=0.27～0.3
风荷载
现行规范《建筑结构荷载规范》 ：GB50009-2001 中关于风压的确定
风荷载
风荷载
风荷载
风荷载
风荷载
风荷载
风荷载
风荷载
结构抗风计算
概念： 风对结构物的作用：教材 45 页图 4-7 顺风向力： p D D 1 v 2 B 2 1 横风向力： pL L v 2 B 2 扭力矩： pM M 1 v 2 B 2 式中：B 为结构迎风面宽； D 为结构顺风向体型系数总和； L 与 M 为横风向和扭转力系数 结构风效应： 由风力受结构物的阻碍→所产生的风压→ 使结构物受影响→产生响应→ 顺风向： 特点：由风速时程曲线→ 将顺向风的效应分 解为→平均风与脉动风
风荷载
风压
风压与风速的关系：
1 w wm wb v 2 2 g
式中：γ —空气单位体积的重力； g— 重力加速度； v— 风速； wm— 气流受阻，速度减少→该点处最大气流原理； wb— 气流没有受阻，原先的压强； 前提条件：在气压为 101.32kPa； 常温下 15℃； 绝对干燥状态下； 常温下 15℃； 纬度 450，平面处 g=9.8m/s2； 修正：不同地理位置； 地球自转； → 值不同→详见教材第 40 页表 4-2 纬度变化； 2g 当地气压； 基本风压： 离地面近→风速小 概念： →造成风速随离地面高度不同变化→ 离地面远→风速大 风→地面物体阻碍→ 定义： 按规定的地貌、高度、时距及样本时间量测的风速→所确定的风速 测定风压应遵守的规定： （风向仪→气象台）
s
a
→得到任意地貌风
H Ts 压 w0 a w0 s z s

2 s
H Ta z a
2 a
不同时距换算： 经过统计→采用不同时距间平均风速与 10min 时距间平均风速比 值 雷暴大风比值最大 ①.10min 平均风速越小→该比值越大 台风次之 ②.天气变化越剧烈→该比值越大→

概念：空气流动时→流体质点自身产生作用→
惯性力→ 粘性力
惯性力=单位面积压力 X 面积= v 2 面积 粘性力=粘性应力 X 面积=粘性系数 速度梯度
dv dy
剪切角γ 时间变化率

定义：雷诺数=惯性力／粘性力 即 Re
v2 l 2 l2
v l

v l v l x

荷载规范规定：基本风速的时距为 10min←因为 10min～1h 之间的基本风速为一个稳定值，太小则脉动 峰值作用明显

最大风速样本时间 样本时间：统计时间域 以 10min 时距为例 1h 中的 最大风速值→ 应为 6 个 样本时间 （1h=10X6min）中的风速最大值 1d 中的最大风速值→应为 144 个样本时间 （1d=10X6minX 24h）中的风速最大值 显然不同的样本时间→最大风速值不一样→ 显然 1d 中的风速最大值＞1h 中的风速最大 值 最大风速样本时间：以 1 年作为最大风速样本时间 （1y=10X6minX 24hX365d）←风按季 节规律变化←重复作用
v0
v(t ) dt ，式中 v(t)—为瞬时风速，τ—
0
1

为时距
风荷载

时距：时间间隔
时距越小→最大风速仅反映风速记录 中最大值附近的较大数值 的影响，较低风速在最大 风速中作用难体现→最大 风速值很高→最大风速越 大 时距越大→大量小风被统计平均进去 →最大风速值很低→最大 风速越小
s
a
H Ts 由于同一环境中各类地貌梯度风速相同 v0 s z s
H Ts H Ta →得到任意地貌风速 v0 a v0 s z z s a
s
a
H Ta v0 a z a
风荷载
顺风向结构风效应
前述顺风向中所述的平均风→长周期 风载体型系数： 前述风速与风压关系：该式表明→自由气流中风速受阻→而完全停滞 →障碍物表面产生压力 实际工程中物体：受风作用→租碍风时→并未让风停滞→而让风绕过 物体继续运行→按风速与风压的公式计算→存在 误差→应进行修正→采用风载体型系数修正 风载体型系数：完全由理论方法得到气流对物体表面压力→很困难→ 通常采用风洞试验方法得到 风洞试验：以坡物顶为例
→所确定的最大风速概率分布→按规定的重现期确定基本风速或年 保证率→由风速与风压关系→基本风压
非标准情况下风速或风压换算：
风荷载 概念：由于基本风压←按标准条件下测得→而实际工程为非标准条件 →需进行修正 非标准高度换算：根据实测→平均风速沿高度变化的规律→可用指数
v z 函数表达→ 式中为 v 任意点风速；为 v s vs za
风荷载
风的概念
定义：风→空气由气压大的地方→向气压小的地方流动→形成气流→气流 遇结构物受阻→形成压力气幕→风压→当风速↑→则风压大 风的形成： 空气流 动形成←
赤道地区，低纬度→受热量大→气温高→空气密度小→气压小 极地地区，高纬度→受热量小→气温低→空气密度大→气压大
地表各点大气压不同←存在压力差←压力梯度的大小 地球→
式中 x

动粘性=绝对粘性／流体密度
Re→
小→粘性大→流体为高粘性 大→惯性大→流体为惯性起作用

横风向风振：
气流变化过程 以圆柱体为例说明雷诺数的作用：
风荷载 风遇物体（柱体）风向发生变化→沿上风面 AB 风速逐渐↑→此时 B 点压力最小→ 往下风速递减→压力又重新↑→外界对内层气流的消耗作用→气流在 S 点停滞→旋 涡在 S 点形成→外流影响→旋涡脱落→周期变化→形成 Karman 涡街 脱落频率 fs→旋涡脱落频率 Strouhal 数 S t

位移或扭转 速度 加速度
长周期 10min 以上 短周期 几秒左右
平均风： 较稳定→受风的长周期的影响→大于结构自振周期附近→ 对结构影响很小→将其视为静力作用→可以忽略

脉动风： 不规则→强度随时间变化→周期短→与结构自振周期接近 →对结构产生动力响应→引起结构顺风向的振动→是结 构产生结构顺风向振动的主要原因