第4章 风荷载
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为便于应用，上表关系拟合成如下近似公式：
r 0.336 log T0 0.429
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
基本风压：
一、结构的风力与风效应
四、风级
同济大学 土木工程
同济大学 土木工程
根据风对地面（或海面）物体影响程度，分13个等级
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、风压与风速的关系
二、基本风压
定义：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，
将对阻塞物产生压力，即风压。
基本风压应符合五个规定：
三、非标准条件下的风速或风压的换算
4.不同重现期的换算
不同重现期风压与50年重现期风压的比值
重现期 T0(年) μr 100 1.114 50 1.00 30 0.916 20 0.849 10 0.734 5 0.619 3 0.535 1 0.353 0.5 0.239
影响该比值的因素有： （1）平均风速值：10分钟平均风速值越小，比值越大。 （2）天气变化情况：天气变化越剧烈，该比值越大。
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同济大学 土木工程
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、横风向风振
2. Strouhal数
涡激振动
三、横风向风振
Strouhal数定义：
（vortex-induced vibration） 旋涡的产生与脱落
—— 10米 —— 空旷平坦 —— 10分钟 —— 1年 —— 50年
同济大学 土木工程
一段时间范围内（30年、50年等）的最大风速为基本风速 基本风速的重现期 T0 年保证率 p0
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5. 基本风速的重现期
三、非标准条件下的风速或风压的换算
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
地面越粗糙（ 越大），
风速变化越慢，HT越大；
地面越平坦（ 越小），
风速换算： 风压换算：
同济大学 土木工程 同济大学 土木工程
风速变化越快，HT越小 不同地貌在梯度风高度 HT处的风速相同
Davenport 风剖面
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
地区流向低纬地区
在高空：空气从低纬
地区流向高纬地区
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§4.5 横风向结构风效应
同济大学 土木工程
大气热力学环流模型
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、两类性质的大风
1.台风 热带海洋面上形成的低压气旋。
风力：风速 个分量）
在结构物表面
风压
沿表面积分
风力（三
Hale Waihona Puke Baidu
1. 标准高度的规定 2 地貌的规定 2. 3. 公称风速的时距 4. 最大风速的样本时间 5. 基本风速的重现期
—— 非标准高度的换算 —— 非标准地貌的换算 —— 不同时距的换算 —— 1年 —— 不同重现期的换算
流经任意截面物体所产生的力
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（1）标准高度的规定：一般取为10m （2）地貌的规定：空旷平坦 （3）公称风速的时距：一定时间间隔的平均风速
时距，取 10分钟 瞬时风速
当气压101kPa、常温15℃、纬度45 海平面上：
o
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（4）最大风速的样本时间：一般取一年
1
2013-10-17
§4.2 风 压
脉动影响系数
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、顺风向总风效应
脉动增大系数
其中，
风振 ( z ) 1 1 ( z ) 系数： z ( z)
钢结构 有填充墙的钢结构 混凝土及砌体结构
三、顺风向总风效应
w( z ) s z ( z ) w0
风载体型系数 风压高度变化系数 基本风压
而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：
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➾ 风载体型系数
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
2. 风压高度变化系数
同济大学 土木工程
我国不同地貌的 α及HT值
地貌 α HT/m
A 0.12 300
B 0.16 350
C 0.22 400
D 0.3 450
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5
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§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
发生过程：弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡
三、我国的风气侯总况
大 风 力 小
台湾、海南、南海诸岛； 东南沿海地区； 东北、华北、西北地区； 青藏高原； 长江、黄河中下游地区； 云贵高原
旋内部产生上升和对流运动→散热、形成暖心→ 加强涡旋 →‥‥‥→台风 2.季风 冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆
实验表明： 当3.0x102≤ Re < 3.0x105时（亚临界范围），St≈0.2; 当3.0x105≤ Re < 3.0x106时（超临界范围），St的离散性大; 当3x106≤ Re 时（跨临界范围），St≈0.27~0.3; 图：圆形截面物体与Re的关系 １—亚临界范围 ２—超临界范围 ３—跨临界范围
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
1.非标准高度换算
实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：
地面粗糙度 常数 高度
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
梯度风：不受地表影响，能在气压梯度作用下自由流动的风 梯度风高度HT：出现梯度风的高度
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风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速 度响应等。
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、顺风向平均风与脉动风
风有两种成分构成 = 平均风 + 脉动风
二、顺风向平均风与脉动风
脉动风的特性：
3
2013-10-17
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、顺风向平均风与脉动风
脉动风的特性：
三、横风向风振
1. 雷诺数
涡激振动
（vortex-induced vibration）
2. 频率特性
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
不同地貌在梯度风高处HT的风速相同：
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
标准高度下。。。 任意地貌风速：
w0 a w0 s 任意地貌风压： H Ts z0s
2 s
地貌 α HT/m
2 a
A 0.12 300
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、基本风压
一、风压与风速的关系 二、基本风压
应符合五个规定：
1 标准高度的规定 1. 2. 地貌的规定 3. 公称风速的时距 4. 最大风速的样本时间
基本风压应符合五个规定：
（5）基本风速的重现期
我国荷载规范
B 0.16 350
C 0.22 400
D 0.3 450
已知： 标准高度下B类地貌风压 w0B 求解： (1) 标准高度A、C、D类地貌风压 (2) H高度A、C、D类地貌风压
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H Ta z0a
标准地貌 （ s）
任意地貌 （ α）
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标准地貌
2
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
2. 风压高度变化系数
三、顺风向总风效应
或
w( z ) ( z ) w( z ) ( z ) s z ( z ) w0
其中风振系数：
脉动增大系数
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第一阶振型 高度变化系数
n=3
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n=4
n=6
n=∞
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
2. 风压高度变化系数
或
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
可能产生负阻尼成分，当负阻尼大于正阻尼 时，结构振动将不断加剧，直到达到极破坏。 这种现象称为驰振。
颤振（ flutter ）：当物体截面的旋转中心与空
一、顺风向平均风效应 二、顺风向脉动风效应 三、顺风向总风效应 四、算例
气动力的作用中心不重合时，将产生截面的平 移和扭转耦合振动，对于这种振动形式，也会 发生不稳定振动现象，称其为颤振。
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
双坡屋顶房屋风载体型系数
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
截面形状规则的高层建筑
（n为多边形边数）
同济大学 土木工程
气流沿上风面AB速度逐渐增大，之后沿下风面 BC速度逐渐减小。由于在边界层内气流对柱体表面 的摩擦，气流在BC中间某点S处停滞，生成旋涡，并 以一定的周期（或频率fs）脱落
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§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
驰振（galloping）：在某些情况下，外界激励
2013-10-17
第四章 风荷载
荷 载 与 结 构 设 计 原 则 荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.1 风的有关知识
一、风的形成
风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形 成的。➾ “压力差”或“压力梯度”
在低空：空气从高纬 在低空 空气从高纬
§4.1 风的有关知识 §4.2 风压 §4.3 结构抗风计算的几个重要概念 §4.4 顺风向结构风效应
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
Davenport谱
式中，ρ：流体密度； μ：流体粘性系数 l ：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸 对于空气：Re=69000vB 如果Re<1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体； 如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体
1. 幅值特性
为一随机过程[ v f t ,t T ] 幅值服从正态分布
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平均风——静力风效应 脉动风——动力风效应 v f 的幅值 v 越小， 地面粗糙度的影响：地面越粗糙， 越大且频率越高。
σv：脉动风速的均方差
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vfi： vf的一条时程记录曲线
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§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应
平均风下结构风载 ：
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
第一阶振型函数
风振 ( z ) 1 1 ( z ) 系数： z ( z)
对于低层建筑结构（剪切型结构）：
对于高层建筑结构（弯剪型结构）：
对于高耸结构（弯曲型结构）：
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§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
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§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
3.不同时距的换算
各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值
风速 时距 统计比值 1 h 0.94 10 min 1 5 min 1.07 2 min 1.16 1 min 1.20 0.5 min 1.26 20 s 1.28 10 s 1.35 5 s 1.39 1.50 瞬时
为便于应用，上表关系拟合成如下近似公式：
r 0.336 log T0 0.429
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
基本风压：
一、结构的风力与风效应
四、风级
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根据风对地面（或海面）物体影响程度，分13个等级
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、风压与风速的关系
二、基本风压
定义：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，
将对阻塞物产生压力，即风压。
基本风压应符合五个规定：
三、非标准条件下的风速或风压的换算
4.不同重现期的换算
不同重现期风压与50年重现期风压的比值
重现期 T0(年) μr 100 1.114 50 1.00 30 0.916 20 0.849 10 0.734 5 0.619 3 0.535 1 0.353 0.5 0.239
影响该比值的因素有： （1）平均风速值：10分钟平均风速值越小，比值越大。 （2）天气变化情况：天气变化越剧烈，该比值越大。
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同济大学 土木工程
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、横风向风振
2. Strouhal数
涡激振动
三、横风向风振
Strouhal数定义：
（vortex-induced vibration） 旋涡的产生与脱落
—— 10米 —— 空旷平坦 —— 10分钟 —— 1年 —— 50年
同济大学 土木工程
一段时间范围内（30年、50年等）的最大风速为基本风速 基本风速的重现期 T0 年保证率 p0
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5. 基本风速的重现期
三、非标准条件下的风速或风压的换算
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
地面越粗糙（ 越大），
风速变化越慢，HT越大；
地面越平坦（ 越小），
风速换算： 风压换算：
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风速变化越快，HT越小 不同地貌在梯度风高度 HT处的风速相同
Davenport 风剖面
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
地区流向低纬地区
在高空：空气从低纬
地区流向高纬地区
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§4.5 横风向结构风效应
同济大学 土木工程
大气热力学环流模型
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、两类性质的大风
1.台风 热带海洋面上形成的低压气旋。
风力：风速 个分量）
在结构物表面
风压
沿表面积分
风力（三
Hale Waihona Puke Baidu
1. 标准高度的规定 2 地貌的规定 2. 3. 公称风速的时距 4. 最大风速的样本时间 5. 基本风速的重现期
—— 非标准高度的换算 —— 非标准地貌的换算 —— 不同时距的换算 —— 1年 —— 不同重现期的换算
流经任意截面物体所产生的力
同济大学 土木工程
（1）标准高度的规定：一般取为10m （2）地貌的规定：空旷平坦 （3）公称风速的时距：一定时间间隔的平均风速
时距，取 10分钟 瞬时风速
当气压101kPa、常温15℃、纬度45 海平面上：
o
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（4）最大风速的样本时间：一般取一年
1
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§4.2 风 压
脉动影响系数
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、顺风向总风效应
脉动增大系数
其中，
风振 ( z ) 1 1 ( z ) 系数： z ( z)
钢结构 有填充墙的钢结构 混凝土及砌体结构
三、顺风向总风效应
w( z ) s z ( z ) w0
风载体型系数 风压高度变化系数 基本风压
而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：
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➾ 风载体型系数
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
2. 风压高度变化系数
同济大学 土木工程
我国不同地貌的 α及HT值
地貌 α HT/m
A 0.12 300
B 0.16 350
C 0.22 400
D 0.3 450
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5
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§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
发生过程：弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡
三、我国的风气侯总况
大 风 力 小
台湾、海南、南海诸岛； 东南沿海地区； 东北、华北、西北地区； 青藏高原； 长江、黄河中下游地区； 云贵高原
旋内部产生上升和对流运动→散热、形成暖心→ 加强涡旋 →‥‥‥→台风 2.季风 冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆
实验表明： 当3.0x102≤ Re < 3.0x105时（亚临界范围），St≈0.2; 当3.0x105≤ Re < 3.0x106时（超临界范围），St的离散性大; 当3x106≤ Re 时（跨临界范围），St≈0.27~0.3; 图：圆形截面物体与Re的关系 １—亚临界范围 ２—超临界范围 ３—跨临界范围
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
1.非标准高度换算
实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：
地面粗糙度 常数 高度
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
梯度风：不受地表影响，能在气压梯度作用下自由流动的风 梯度风高度HT：出现梯度风的高度
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风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速 度响应等。
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、顺风向平均风与脉动风
风有两种成分构成 = 平均风 + 脉动风
二、顺风向平均风与脉动风
脉动风的特性：
3
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§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、顺风向平均风与脉动风
脉动风的特性：
三、横风向风振
1. 雷诺数
涡激振动
（vortex-induced vibration）
2. 频率特性
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
不同地貌在梯度风高处HT的风速相同：
三、非标准条件下的风速或风压的换算
2.非标准地貌的换算
标准高度下。。。 任意地貌风速：
w0 a w0 s 任意地貌风压： H Ts z0s
2 s
地貌 α HT/m
2 a
A 0.12 300
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、基本风压
一、风压与风速的关系 二、基本风压
应符合五个规定：
1 标准高度的规定 1. 2. 地貌的规定 3. 公称风速的时距 4. 最大风速的样本时间
基本风压应符合五个规定：
（5）基本风速的重现期
我国荷载规范
B 0.16 350
C 0.22 400
D 0.3 450
已知： 标准高度下B类地貌风压 w0B 求解： (1) 标准高度A、C、D类地貌风压 (2) H高度A、C、D类地貌风压
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H Ta z0a
标准地貌 （ s）
任意地貌 （ α）
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标准地貌
2
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
2. 风压高度变化系数
三、顺风向总风效应
或
w( z ) ( z ) w( z ) ( z ) s z ( z ) w0
其中风振系数：
脉动增大系数
同济大学 土木工程 同济大学 土木工程
第一阶振型 高度变化系数
n=3
同济大学 土木工程 同济大学 土木工程
n=4
n=6
n=∞
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
2. 风压高度变化系数
或
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
可能产生负阻尼成分，当负阻尼大于正阻尼 时，结构振动将不断加剧，直到达到极破坏。 这种现象称为驰振。
颤振（ flutter ）：当物体截面的旋转中心与空
一、顺风向平均风效应 二、顺风向脉动风效应 三、顺风向总风效应 四、算例
气动力的作用中心不重合时，将产生截面的平 移和扭转耦合振动，对于这种振动形式，也会 发生不稳定振动现象，称其为颤振。
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
双坡屋顶房屋风载体型系数
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
截面形状规则的高层建筑
（n为多边形边数）
同济大学 土木工程
气流沿上风面AB速度逐渐增大，之后沿下风面 BC速度逐渐减小。由于在边界层内气流对柱体表面 的摩擦，气流在BC中间某点S处停滞，生成旋涡，并 以一定的周期（或频率fs）脱落
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§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
驰振（galloping）：在某些情况下，外界激励
2013-10-17
第四章 风荷载
荷 载 与 结 构 设 计 原 则 荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.1 风的有关知识
一、风的形成
风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形 成的。➾ “压力差”或“压力梯度”
在低空：空气从高纬 在低空 空气从高纬
§4.1 风的有关知识 §4.2 风压 §4.3 结构抗风计算的几个重要概念 §4.4 顺风向结构风效应
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
Davenport谱
式中，ρ：流体密度； μ：流体粘性系数 l ：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸 对于空气：Re=69000vB 如果Re<1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体； 如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体
1. 幅值特性
为一随机过程[ v f t ,t T ] 幅值服从正态分布
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平均风——静力风效应 脉动风——动力风效应 v f 的幅值 v 越小， 地面粗糙度的影响：地面越粗糙， 越大且频率越高。
σv：脉动风速的均方差
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vfi： vf的一条时程记录曲线
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2013-10-17
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应
平均风下结构风载 ：
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
第一阶振型函数
风振 ( z ) 1 1 ( z ) 系数： z ( z)
对于低层建筑结构（剪切型结构）：
对于高层建筑结构（弯剪型结构）：
对于高耸结构（弯曲型结构）：
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§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
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§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.2 风 压
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
三、非标准条件下的风速或风压的换算
3.不同时距的换算
各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值
风速 时距 统计比值 1 h 0.94 10 min 1 5 min 1.07 2 min 1.16 1 min 1.20 0.5 min 1.26 20 s 1.28 10 s 1.35 5 s 1.39 1.50 瞬时