2016年Ch04-2风荷载

4 顺风向风振
振型近似公式
均匀高层：附录G
2
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4 顺风向风振
2、围护结构---阵风系数
对于围护结构（包括门窗），由于其刚度一般较大，在结 构效应中可不必考虑其共振分量，可仅在平均风的基础上， 近似考虑脉动风瞬间的增大因素，通过阵风系数gz 来计算 风效应。 即
5 横风向风振
5.2 锁住现象及共振区高度
结构横风向共振现象 横向风旋涡脱落频率（ fs ）与结构横向自振基本频率（ f1）接近时 ，结构横向产生共振反应 锁住（lock-in）现象 试验表明，一旦发生涡激共振，结构自振频率就控制旋涡脱落频率
vcr 1.3vcr
s=2fs= 2St v(z)/D(z)
等效风荷载wLK宜按风洞试验确定。
5 横风向风振
圆筒式结构三个临界范围
风速V
亚临界
超临界
跨临界
雷诺数 Re=
3.0102
3.0 105
3.5 106
极少遇到
微风共振
随机不共振
强风涡激共振
2. 对于圆形截面高层建筑
等效风荷载wLK可按规范附录H.2确定。
V很小， 可以忽略
防振构造措施 或控制Vcr不小 于1.5m/s
4 顺风向风振
P57【例 4-1】：某钢筋混凝土框架剪力墙建筑，质量和外形沿高度 均匀分布，平面为矩形截面，房屋总高度 H=100m ，迎风面宽度 B=45m，建于C类地区，基本风压值 0.55kN/m2。求垂直于建筑物表 面上风荷载标准值及建筑物基底弯矩。 1.沿建筑高度分区段-10段，每段计算风荷载 标准值； 2.风荷载体型系数（附录二37或47） 3.风压高度变化系数（P49表4.5） 4.风振系数 （1）共振分量因子R（结构基本周期） （2）背景分量因子Bz（振型和相关系数） 5.据各区段中点风压值求弯矩
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4 顺风向风振——脉动风的特性
① 幅值特性 为零均值正态随机过程 [ vf(t), t∈T ] 幅值服从正态分布，其概率密度函数为： ②频率特性
4 顺风向风振——脉动风的特性
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
互为傅立叶变换
自相关函数：
自学
5
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4 顺风向风振
4 顺风向风振
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4 顺风向风振
4 顺风向风振
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4 顺风向风振
T1： 荷载规范附录F 教材P56 4.4.6 振型：荷载规范附录G 教材P55
——流体粘性系数 = /——动粘性
D ——圆柱截面直径（外流）
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5 横风向风振
横向风振的产生(圆截面柱体结构)
B A B 沿上风面AB速度逐渐增大（v ），B点压力达到最小值; 沿下风面BC速度逐渐降低（ v ↓），压力重新增大。 气流在BC中间某点S处速度停滞（ v =0），生成旋涡，并在外流的影 响下以一定周期脱落（脱落频率 fs）---Karman 涡街 当气流旋涡脱落频率fs与结构横向自振频率接近时，结构发生共振， 即发生横向风振 。 斯脱罗哈数（无量纲）描述：St=fsD/V=D/(VTs)，对圆形截面结构取0.2 C
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5 横风向风振
3）结构总效应
考虑顺风向动力作用效应（脉动效应）与横风向动力作用 2012规范修订：
5 横风向风振
效应（风振效应）的最大值不一定在同一时刻发生。
采用平方和开方（SRSS）近似估算总的风动力效应
2 2 结构总风效应→ S Sc S A
结构横风向风振效应 结构顺风向效应，w(z)=z s z(z)
粘性力=粘性应力· 面积A =（粘性系数 · 速度梯度dv/dy）· 面积A
如果Re <1/1000，则以粘性力为主，高粘性流体； 如果Re >1000， 则以惯性力为主，低粘性流体； 对于空气， = 0.145×10-4 m2/s，则 Re = 69000 vD
其中包括旋涡脱落、弛振、颤振、扰振等空气动力现象。
不考虑
结构顶部风速1.2VH 大于Vcr时应考虑
How?
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5 横风向风振
2)结构横风向风振验算
结构顶部风速VH：
vH 2000 w H w0 2000 H w0
5 横风向风振
2)结构横风向风振验算
规范附录 H.1：圆形跨临界强风共振引起在 z高处振型 j的等效风 荷载wczj：
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源自文库
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4 顺风向风振
一、结构的风力和风效应
4 顺风向风振
二、平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线
平均风速
v —长周期成分，周期一般在 10min 以上
vf
t
脉动风速vf —短周期成分，周期一般只有几秒钟
v(t)
v
结构上的风力 顺风向力→PD 、 横风向力→ PL 、扭力矩→ PM 结构的风效应 由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应
wczj = ︱ j ︱ v2crzj/（12800 j ） (kN/m2)

vH

Where, w—风荷载分项系数，取w =1.4；
其中，j—计算系数，是对振型情况下考虑与共振分布有关的折算
系数，按P62表4.14 或规范表7.6.2确定；
H—结构顶部风压高度变化系数；？
设计时必须按不同振型对结构予以验算 横风向风振可能与结构不同振型发生共振。 一般低振型起主导作用，可只考虑前4阶振型。
σv：脉动风速的均方差: vfi： vf的一条时程记录曲线 风速脉动程度 风湍流强度表示：Iv= σv/v σv随高度变化不明显，故IV随高度增加而减小。
均方差，也可由功率谱密 度函数积分得到 Davenport水平脉动风速功 率谱密度（经验公式）
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zj—在 z高处结构的j振型系数，计算或表4.9； j —第 j振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取 j =0.05。
临界风速起算点高度H1：
vcr H1 H 1.2v H

1/
附录H.2：矩形
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wz= s z(z) w0
脉动风压：？
应按随机理论计算或简化
哪些结构考虑脉动风压？GB50009规定：
① 基本自振周期T1>0.25s的各种高耸结构；
② 对风敏感、或跨度>36m的柔性屋盖结构； ③ 高度H >30m且高宽比H/B >1.5的房屋。
where， z –高度z处的风振系数
1
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顺风向的风效应：平均风效应+脉动风效应
平均风→忽略其对结构的动力影响→等效为静力作用
（∵风的长周期 结构的自振周期）
脉动风→引起结构动力响应,是引起结构顺风向振动的原因
风的不规则性引起 （∵风的短周期接近结构自振周期）
规律：粗糙度大，平均风速小，而脉动风幅值大、频率高？
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跨临界范围（确定性振动）
Where，Tj：结构第 j 振型自振周期 St：斯托罗哈数，对圆形截面结构取0.2
对应1.3Vcr时，
若离地高度H，若已知VH，则：
实际工程一般取H2=H
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5 横风向风振
5.3 横风向风振验算
横风向风较顺风向风小的多，对称结构可以忽略 但高层建筑、高耸、烟囱、线缆等。。。 风振效应明显，宜考虑 影响因素：结构截面形状、雷诺数（惯性力/粘性力）。 雷诺数作用：动力相似定律、层流与湍流转换尺度 结构横向风振的等效风荷载按以下规定： 1. 平面或立面体型较复杂复杂的高层建筑和高耸结构
w(z)= gz s z(z) w0
表 8.6.1
规范P62；；教材57
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5 横风向风振
5.1 涡激共振
横风向风振
由不稳定的空气动力特性形成的， （对细柔性结构应考虑）
5 横风向风振
——雷诺数Re
惯性力=单位面积上的压力 v2/2 · 面积 A
5 横风向风振
5.2 锁住现象及共振区高度
共振高度
临界风速Vcr：（涡激共振发生的初始风速）
5 横风向风振
对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力
锁住区域: 其它区域： 亚临界范围（确定性振动） 超临界范围（随机振动） PL(z)sin1t PL(z)sins(z)t PL(z)sins(z)t PL(z)f (t)
与结构截面形状和雷诺数（Reynolds number）Re有关
惯性力 v2 D2 vD v D 雷诺数Re 粘性力 v D D2
其中： Re相同，流体动力相似； Re增大，层流向湍流（或紊流）转换。
典型雷诺数Re值：
普通航空飞机：5 000 000 海 鸥： 100 000 圆形光滑管道： 2 500 主动脉中的血流： 1 000 小型无人机： 400 000 滑翔蝴蝶： 7 000 橡胶管道： 1 600~2 100 大脑中的血液流 ： 100
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4 顺风向风振
三、顺风向风压 顺风向风压= 顺风向平均风压 + 顺风向脉动风压 平均风压：
4 顺风向风振
四、顺风向脉动风效应
脉动风—随机动力作用→按随机振动理论进行分析
1、主要承重结构—风振系数
顺风向风压= 顺风向平均风压+ 顺风向脉动风压 即，w(z)=wZ(z)+wd(z)=[1+wd(z)/ wZ(z)] wZ (z)= z s z(z) w0
锁定：一般情况下，脱落频率随风速变化，而横向共振时，脱落频
率不变，与结构自振周期保持一致 锁住区域：风旋涡脱落频率fs保持常数（=结构频率f1）的风速区域 当风速大于结构共振风速1.3倍时，脱落频率重新按新的频率激振
3
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5.3 横风向风振验算
例题4.2 P63
w0
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6 桥梁风荷载
1.
课后作业
某钢筋混凝土剪力墙结构，质量和外形沿高度均匀分布，平面为矩形 截面，房屋总高度H=100m，迎风面宽度B=42m，建于D类，基本风压 值 0.50kN/m2）。求垂直于建筑物表面上风荷载标准值及建筑物基底弯 矩。 2. 某钢筋混凝土烟囱，平面为圆形截面，底部直径8m，顶部直径4.8m， 总高度H=90m，截面沿高度均匀变化;自振周期T1=1.2s，T2=0.6s，阻 尼比0.05；建于C类地区，地面粗糙度指数0.22，基本风压值0.50kN/m2 。求横风向风振等效荷载。 P71：4.1 4.5 4.8; 4.10 4.12