04-风荷载精简

《荷载与结构设计方法》
4.3 风荷载体型系数
风荷载体型系数μs举 例【：例1】 封闭式双坡屋面
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α ≤150 300 ≥600 μs -0.6 0 +0.8
注：中间值按插入法计算
μs +0.8
-0.5 -0.5
【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形) -0.7
-0.7
+0.8
-0.5
+0.8 -0.7 -0.5
我国不同地貌的α及HT值
A类
B类
C类
D类
0.12
0.15
0.22
0.30
300
350
450(原400) 550（原450）
A类: C类:
D类:
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4.2 风压高度变化系数μz
Ä风压高度变化系数μz(z)=任意高度处任意地貌风压wa(z)/基本风压（B类）w0
4
《荷载与结构设计方法》
（1）台湾、海南、南海诸岛：台风，最大风压区
（2）东南沿海：台风影响，大风压区，沿海指向内陆
（3）东北、华北、西北：次大风压区，寒潮风
（4）青藏高原：海拔高，较大风压区
（5）长江中下游、黄河中下游：小风压区
（6）云贵高原：最小风压（东亚大气环流死角，空气静止）
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飓风伊万造成45人死亡，损失30~100亿美元。
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4.3 风荷载体型系数
4.3.3 局部风压体型系数
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4.3 风荷载体型系数
4.3.3 局部风压体型系数
？ 角隅、檐口、边棱处和阳台、雨篷等外挑构件，局部风压增大。 ÄGB50009：8.3.3条 檐口、雨篷、遮阳板、边棱处：-2.0 对封闭式矩形平面建筑物 附录五 P225
4.1 基本风速
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风速---风的强度
气象台记录 随高度、地貌等变化
基本风速---标准条件下
标准地貌（地面粗糙度）： 空旷平坦地貌
标准高度：10米高
规定时间的平均风速：公称风速的时距τ=10min
最大风速的样本时间：一年 （气候重复性）
基本风速的重现期T0： 基本风速出现一次所需要的时间
0级 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9 级 10级 11级 12级
静风 软风 轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
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0 风的有关知识
4、我国风气候总况
夏季受太平洋热带气旋影响，台风在东南沿海登陆；
冬季受西伯利亚和蒙古高原冷空气侵入，形成大风。
2004.9.16 美国飓风伊万 最高风速214 km/h（59.4m/s）
佛罗里达州 彭萨科拉市附近的一座大桥被摧毁。
1
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2004年浙江 台风云娜登陆时卫星云图
台风云娜袭击浙江, 截至16日12时的统计， 164人遇难，失踪24人， 受灾人口达1299万人。
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α = 0.30 D
HTD = 550m
风压高度变化系数μz(z)=任意高度任意地貌风压wa(z)/基本风压w0
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4.2 风压高度变化系数μz
相同大气环境不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即：
则 或
地貌 α
HT(m)
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4.2 风压高度变化系数μz
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截断高度
高度变化系数 ~ 根据离地 面或海平面 高度、地面 粗糙度类别 由 GB50009— 2012 表 8.2.1 确定。
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4.4.3 风荷载体型系数
体型系数的定义： 风作用于建筑物上所引起的实际压力（吸力）与来流风的速度压的 比值：
μs=w /w0
∼ 与建筑物体型、尺度，周围环境和地面粗糙度有关 ∼ 描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律。
其他房屋：表中平均体型系数 × 1.25 8.3.4 非直接承受风载的构件，可按从属面积折减。 8.3.5 围护构件，考虑内部压力的局部体型系数。
6
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4.4 顺风向风振
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Ø 顺风向风速时程曲线
Ä 平均风速 v —长周期，周期一般在 10min 以上
脉动风速vf —短周期成分，周期一般只有几秒钟
50
40
30
20
10
5
换算系数 1.10 1.03 1.00 0.97 0.93 0.87 0.77 0.66
比值拟合公式
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4.2 风压高度变化系数
梯度风：不受地表影响，能够在气压梯度作用下自由流动的风。 梯度风高度（大气边界层高度） HT HT与地面的粗糙程度有关，一般为300~500m， 地面越粗糙，HT越大，α越大。
w
=
1 2
ρv2
=
1 2
γ g
Baidu Nhomakorabea
v2
空气质点密度 (t / m3)
在标准大气情况下，约为
1 1630
沿海城市上海，约为
1 1740
风速
(m / s)
高山地区的拉萨，约为
1 2600
γ =0.012018kN/m3（空气单位体积的重力），g=9.8m/s2
标准大气情况下，我国各种有关风的规范中 1 γ 取为 1
北极
赤道
大气热力学环流模型
Ê 赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度 小、气压小,且大气因加热膨胀，由表面向高空上升。 Ê 极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度 大、 气压大，且大气因冷却收缩由高空向地表下降。
《荷载与结构设计方法》
0 风的有关知识
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3、风级（根据风对地面或海洋物体影响程度） ∼ 13个等级（0级∼12级）
《荷载与结构设计方μ法s=》 1-v2/v0土2 木工程学院 4.4.3 风荷载体型系数——考虑内压
每点实测体型系数不一样，实用时对面取平均值。
5
《荷载与结构设计方法》
4.4.3 风荷载体型系数
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Ø风荷载体型系数μs理论确定很困难； Ø一般采用相似原理，在边界层风洞内对建筑物模型进行试 验或数值模拟确定。 ÄGB50009给出39项建筑物的体型系数； X 按表取用； Y 与表中的体型不同，参考有关资料； Z 体型不同且无参考资料，宜由风洞试验确定； [ 重要且体型复杂的，应由风洞试验确定。
《荷载与结构设计方μ法s=》 1-v2/v0土2 木工程学院 4.4.3 风荷载体型系数
9每点实测速度不同，压力不同 9体型系数不同。
《荷载与结构设计方μ法s=》 1-v2/v0土2 木工程学院 4.4.3 风荷载体型系数
《荷载与结构设计方μ法s=》 1-v2/v0土2 木工程学院 4.4.3 风荷载体型系数
∴
4-17
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4.1.3 风速或风压的换算
实际：气象台根据不同高度风速对比观测资料，给出换算系数。 当无实测资料时：表4.1
3
《荷载与结构设计方法》
Ø2.不同时距换算
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10min平均风速越小，比值越大；天气变化剧烈，比值越大
Ø3.不同重现期换算
重现期 100 60
不同地貌的α及HT值
地貌 海面
α 0.1~0.1 3
HT(m) 275~32 5
空旷平坦 地面
0.13~0.18
325~375
城市
0.18~0.2 8
375~425
大城市 中心
0.28~0.44
425~500
A类
B类
C类
D类
风剖面
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4.2 风压高度变化系数μz
荷载规范将地貌分成A，B，C，D四类
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4.1.2 基本风压
1、风压与风速的关系
流向
高压气幕
小股气流
压力线
w1dA
dl
(w1+dw1)dA
风压的形成
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建筑物 w=ρv2/2
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流体力学，伯努利方程，风压与风速关系：
空气单位体积重力
(kN / m3 )
风压力
( kN / m 2 )
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调整1：山区基本风压
山区地势起伏，对风速影响大，特点：
山间风随高度、地貌等变化 山间盆地、谷地：屏障作用，风速减小10%~25% 谷口、山口开敞地形：风速增大10%~20% 山顶、山坡：风速大
风荷载地形修正系数：
1）山峰：
2）盆地：0.75~0.85 3）谷口、山口：1.2~1.50
2g
1600
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4.1.2 基本风压
2、基本风压w0
∼ 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压。
⇒ GB50009-2012：
以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50 年一遇10min内最大风速v0为标准，按w 0= v02/1600确定。
荷载规范：各城市50年一遇风压值---附录二 桥梁设计：公路桥规 基本风速分布图
《荷载与结构设计方法》
第四章 风荷载
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《荷载与结构设计方法》
第四章 风荷载
第一节 基本风速和基本风压 第二节 风压高度变化系数 第三节 风荷载体型系数 第四节 顺风向风振 第五节 横风向风振 第六节 桥梁风荷载
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引子 风的有关知识
一、风的形成
-- 空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成风。 Ä 地表上存在气压差或压力梯度
-0.7
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4.4.3 风荷载体型系数
Ø 风洞试验--能实现大气边界层范围内的平均风剖面、紊流 和自然流动，能模拟风速随高度的变化。 大气紊流纵向分量 --建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 Ä 风洞尺寸：宽2∼4m、高2∼3m，长5∼30m
模拟风剖面--要求模型与原型的环境风速梯度、紊流强度 和紊流频谱在几何上和运动上都相似。 Ä 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员
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4.1.1 基本风速---重现期
年最大风速 --随机变量
p
1/T0：年超越概率
面积 p0=1-1/T0
年平均最大风速 基本风速
年最大风速
年最大风速概率密度分布
⇒每年不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/T0（阴影面积） 重现期越长，保证率越高。 荷载规范：一般结构：50年；高层、高耸、对风敏感，重现期提高 公路桥规：100年
2
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2、基本风压w0
8.1.3 ¾基本风压值按规范附录E中重现期R为50 年的值采用。 ¾当没有给出时，规范附录E规定的方法根据风速统计资料确定。 ¾当地没有风速资料时，参考附近地区; ¾当地没有风速资料时，比照附图E. 6. 3 全国基本风压分布图近 似确定。
我国基本风压分布特点 P47
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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4.4 顺风向风振
脉动风的特性： 零均值正态随机过程
① 幅值特性
9为一随机过程 [ vf(t),t∈T ] 9幅值服从正态分布。
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4.4 顺风向风振
用风振系数考虑脉动风的影响 Ø 顺风向总风效应= 顺风向平均风效应+ 顺风向脉动风效应 w(z)=w0(z)+wd(z)=(1+wd(z)/w0 (z))w0 (z)=βz μs μz(z) w0
费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）
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4.3 风荷载体型系数
4.3.2 群体风压体型系数
？ 高层建筑群，房屋间距近，旋涡干扰，使局部风压显著增大。 ÄGB50009：单独建筑物的体型系数μs ×相互干扰系数。
(参考类似试验；必要时宜风洞试验) 单个施扰矩形高层，高度相近时，P52图： 顺风向1~1.1,横风向：1~1.2
A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。
，α A
= 0.12
；H TA
= 300m
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇
和大城市郊区为标准地貌。 αB = 0，.16 HTB = HT0 = 3；50m C类：有密集建筑群的城市市区。 αC = 0.22， HTC = 450m
D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
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调整2：远海海面和海岛基本风压
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4.1.3 风速或风压的换算
Ø非标准条件的风速或风压换算 ¾ 非标准高度 ¾ 非标准时距 ¾ 非标准重现期 ¾ 非标准地貌
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4.1.3 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：
v(t)
v
vf
t
Ä 顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应
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4.4 顺风向风振
v(t)
平均风
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脉动风
t
Ø平均风→忽略其对结构的动力影响→等效为静力作用
（∵风的周期> >结构的自振周期）
wz= μs μz(z) w0
Ø 脉动风→引起结构动力响应
风的不规则性 （∵风的短周期接近结构自振周期）