第3章 风荷载(2010年9月)

不同结构的重要性不同，要求的结构可靠
度不同时，采用不同重现期的基本风压。 不同重现期与50年重现期风压比值μ r的计 算公式： μr=0.336LgT0+0.429
风荷载体型系数：
1 w 2g
v
2
是在自由空气流动被建筑
物阻碍而完全停滞条件下得出的；
实际气流是以某种方式从建筑物表面绕过，故建筑物
规定时间内的平均风速作为风速计算标准，
这一规定的时间称为时距。
平均风速与时距的大小关系密切 ：
时距大，平均风速偏小；时距小，平
均风速高，低速风的作用难以体现。

时距为10min至1h的平均风速基本上是一个稳
定值，若时距太短，则突出风的脉动峰值作用， 风速值不稳定。

风对结构产生破坏作用需一定长度的时间和 一定次数的往复作用。
表值。查表。
群体风荷载体型系数：
多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互
间距较近时，考虑风力相互干扰的群体效应，设 计时将单体建筑物质体型系数μs乘以相互干扰增 大系数（通过试验得到）。 局部风荷载体型系数：
A：建筑物外表面正压区查表；
B：建筑物外表面负压区：
墙面：-1.0
雨篷、檐口、遮阳板等突出构件：-2.0
我国规范《建筑结构荷载规范》规定的基本
风速的时距为10min
桥梁设计时需进行阵风荷载作用下的内力计
算，阵风风速确定采用的时距为1—3s。
4、最大风速的样本时间 样本时间：统计最大风速的时间段。
样本时间1h 时距为10min时 6个风速样本中的 最大值 样本时间1d 24×6个样本中的 最大值

受到的实际风压不能按上式计算； 设实际风压（或吸力）为w实；按（3-3）计算的风压 为w计，则
w w
s

实 计
——风荷载体型系数
单体风荷载体型系数：
风荷载体型系数一般
通过风洞试验确定，各个 面上的风压分布不均匀， 同一面上各测点的风压分 布也不均匀，将同一部位
的μs值进行平均，作为该
部位的风荷载体型系数代
③东北、华北和西北地区是我国大陆的次大风区，
风速梯度由北向南，与寒潮入侵路线一致。
④ 青藏高原海拔高平均4000-5000m，为较大风压区。
⑤ 长江中下游，黄河中下游地区属于小风区，一般 台风到此时已大为减弱，寒潮风到此也是强弩之末。 ⑥ 云贵高原和四川盆地处于东亚大气环流的死角， 空气常处于静止状态，形成我国的最小风区。
Wa(z) v z 2 aa 由 2 ( ) W0 a zs vs Z 2 aa 得：W a ( Z ) W0 a ( ) 10
2
梯度风高度处风压相等，得：
HT 0 W0 10
关系：
2 as
H Ta wk.baidu.com W0 a 10
2 aa
任意地貌的基本风压W0a与标准地貌的基本风压W0的
基本风压不同；
风剖面：风速沿高度的变化规律。

由风剖面看出，接近地表的风速随离地面距离的减小
而降低，只有离地300—500m以上的地方，风不受地表的影 响，达到梯度风速。大气以梯度风速流动的起点高度称为 梯度风高度，也称大气边界层高度用HT表示。
在大气边界层内，风速随距地面的高度的增加而增大。 地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区
---风压高度变化系数，即：
HT 0 Z ( z) 10
2 as
10 H Ta

2 aa
Z 10
2 aa
表3-5给出风压高度变化系数μ z的取值，地貌
（地面粗糙度）分为A、B、C、D四类
区； B类：田野，乡村，丛林，丘陵以及房屋比较 稀疏的乡镇和城郊； A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地
风季节性重复，所以年最大风速最具有代表
性，世界各国基本上均取1年作为统计最大风速
的样本时间。
5、基本风速的重现期
1年作为统计最大风速的样本时间，得到各
年的最大风速；每年的最大风速是不同的。
工程设计时，考虑结构在几十年时间范围内，
可能遭遇的最大风速；该最大风速不是经常出现，
是间隔一段时间后再出现，这个时间间隔称为重 现期。


C类：有密集建筑群的城市市区
D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区

对桥梁结构，由于其标准高度取20m，故μz值不同, 需换算。
4、不同时距的换算
时距（一定的时间间隔）不同，所求得的平 均风速不同；
5、不同重现期的换算


重现期不同，最大风速的保证率不同，相
应的最大风速值不同；
多，结构对称时，横风向力可忽略；
细长的柔性结构（高耸塔架，烟囱，缆索等）， 横风向力会产生很大的动力效应，即风振。

横风向风振是由不稳定的空气动力特性形
成，它与结构截面形状及雷诺数（Reynolds
number）有关：
空气流动中的两种力：惯性力、粘性力 雷诺数：惯性力与粘性力之比。
Re 69000 vD
不同粗糙度的地面上空同一高度处，脉动
风的性质有差异：
地面粗糙度大的上空，平均风速小，脉动 风的幅值大且频率高； 地面粗糙度小的上空，平均风速大，脉动 风的幅值小且频率低。
§3.3.3 横风向风振
建筑物或构筑物受到风力作用时，顺风向发
生风振，在一定条件下，横风向也能发生风振。
多数情况下，横风向风力PL较顺风向风力小的
§3.1.4

风级
区分风的大小，在没有风速仪测定风速时，根据风 对地面（或海面）物体的影响程度，将风划分为13个等 级。
风荷载
wz z s ( z ) z ( z ) w0 ( KN/m 2 )
幻灯片 12 幻灯片 19
§3.2

风压
风以一定的速度向前运动遇到阻塞，对阻塞
雷诺数相似，流体动力相似 空气 : Re 69000 vD D — 垂直于流速方向物体截面的最大尺寸 雷诺数很小（小于 1/1000），惯性力可忽略，为高粘性 行为 雷诺数很大（大于 1000），粘性力影响很小，惯性力起 主要作用
§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：作用于结构上任 一截面上的风对结构产生三种力： 顺风向风力PD横风向风力PL和扭
力矩PM
2、风效应：风力产生的结构位移、速度和加速度。 对桥梁结构需要考虑风对桥梁结构的竖向作用分量，即
升力。
§3.3.2 顺风向平均风与脉动风
设基本风速的重现期为T0年，每年实际风
速超过基本风速的概率为1/T0，则每年不超过
基本风速的概率或保证率p0为：
P0 1 1 T0
年最大风速为一随机变 量，基本风速的重现期 越大，其年保证 率P0 越高，则基本风速越大
荷载规范规定：一般结构，重现期为30年；高层建筑 和高耸结构，重现期取50 年；特别重要和有特殊要求的高 层建筑和高耸结构、桥梁结构重现期100年。 基于上述五个条件，我国建筑结构荷载规范规定， 基本风压以当地比较空旷平坦地面、离地10m高，统计所 得50年一遇10分钟平均最大风速 v(m / s) 为标准。
度为20m。
2、标准地貌的规定
同一高度的风速与地貌或地面粗糙程度有关
海岸附近，风速较大，大城市市中心，风速较小
我国规定：基本风速或基本风压按空旷平坦地貌 而定。 城市郊区，房屋较为低矮的小城市，作标准地貌 处理。 3、公称风速的时距 公称风速：一定时间间隔内的平均风速。
时距：风速随时间不断变化，取某一
邻的海洋水热容量大，辐射冷却慢，温度高，气压低， 风从大陆吹向海洋；夏季，风向正好相反
§3.1.3
我国风气候总况
对我国东南沿海及岛屿地区影响最大的是台风
对内陆地区影响最大的是季风
①台湾，海南和南海诸岛地处海洋，常年受台风的 直接影响，是我国的最大风压区 ②东南沿海地区因受台风影响是我国大陆的大风区， 风速梯度由沿海指向内陆
或
(3 - 2)
1 2 v 2
称为动压。

气流在运动过程中本身压力随流速变化而变化，流速 快，压力大，流速慢，压力小。 单位面积上风压：
1 2 1 2 w v v 2 2g
（3-3）为风速与风压的换算关系， γ ：空气重度， G：重力加速度。
（3-3）
幻灯片 9
§3.2.2.

低。
各种地貌条件下风速变化指数α 及梯度风高度HT参考值
见表3—4

设标准高度处的平均风速及标准高度、标准地貌下
梯度风高度、风速变化指数分别为： V 、Z 、H 、α s s Ts s 任意地貌的上述各值分别为： V 、Z 、H 、α
0a a Ta
a
任意地貌高度Z处风压Wa（Z）与任意地貌标准高度 处基本风压W0a的关系：

基本风压：根据规定的重现期确定的基本风
幻灯片 9
速确定的。
§3.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算
1、非标准高度换算


在同一地区，高度不同，风速也不同，风速沿高度
规范采用指数函数描述风剖面，即
的变化规律称为风剖面。
a
v z vs z s
s s
(3 - 7)
v、z — 任一点的平均风速和高度；

顺风向的风由平均风（即稳定风）和脉动
风（阵风脉动）组成。

平均风相对稳定，周期长，远大于结构的自
振周期，对结构的动力影响很小，可以忽略，
将其等效为静力作用
脉动风由风的不规则引起，其强度随时间
随机变化，脉动风周期短，与结构的自振周期
较接近，引起结构动力响应。 脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。
第3章 风荷载
§3.1
3.1.1 风的形成
风的有关知识
空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成.
太阳对大气加热和大气温度上升的不均匀性—压力差— 空气流动（风） 一般循环盛行风：南、北纬30°-60°之间 贸易风（信风）：赤道无风带和南、 北回归线

无风带之间。
极地东风：南北两极和南北纬60°之间。
物产生压力，即风压。
§3.2.1 风压与风速的关系
风速越大，风对建筑物产生的压力也越大
假定：忽略空气颗粒间的粘结力和空气的体力。 由伯努利方程得空气在同一水平线上运动 时用能量表达的运动方程：
1 m v2 waV C (3 - 1) 2 式中：m — 空气流体质点的质量， m V, 为空气质量密度 ; v — 空气运动的速度 w a — 单位面积上的静压力 V — 空气质点的体积 C — 常数 （3 - 1 两边同除以 V ，有 ） 1 V 2 wa C V C1 2 1 wa ρ V 2 C1 2
基本风压
基本风压：按规定的地貌、高度、时距等量测的
风速所确定的风压。基本风压按以下五条规定定义。
1、标准高度的规定 风速随高度而变化，离地越近，地表摩擦耗能越 大，平均风速越小，我国《建筑结构荷载规范》 （GB50009—2001）规定以10m高为标准高度，标准高
度处的最大风速为基本风速；对桥梁结构规定标准高
2 as
10 H Ta

2 aa
Z 10
2 aa
3、风压高度变化系数
考虑不同高度和不同地貌情况的影响，设任意粗糙 度、任意高度处的风压为Wa(z);标准粗糙程度、标准高 度（10m)的风压为W0; 令
Wa ( z ) z ( z) W0
（3-12）
§3.1.2
1、台风
两类性质的大风
台风:太阳辐射在海洋表面产生的大量热能转化为动能， 是热带洋面上形成的低压气旋
影响我国的热带气旋都生成在西北太平洋的热带洋面上 在我国登陆的台风占西太平洋台风总数的35% 2、季风 季节性的风称为季风，受季节性影响较大
冬季，大陆上辐射热冷却快，温度低形成高压，与其相
HT 0 W0 a W0 10
2 as
H Ta 10
2 aa
（3-11）
Wa(z) v z 2 aa 由 2 ( ) W0 a zs vs Z 2 aa 得：W a ( Z ) W0 a ( ) 10
2
HT 0 Waz W0 10
v 、 — 标准高度处的平均风速和高度，多数国家均规定10 m z
— 与地貌或地面粗糙度有关的指数，一般采用实测数据
非标准高度处的风压Wa ( z )与标准高度处的 风压W0 a的关系： Wa(z) v z 2a 2 ( ) W0 a zs vs
2
（ 3—8）
2、非标准地貌的换算 基本风压按空旷平坦地面处所测数据求得； 地貌不同，由于摩阻大小不同，该地貌10m高处的风压与