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
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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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§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

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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
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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
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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
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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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§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

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

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)
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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
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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
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