第三章 风荷载

辐合加强
。。。。。（循环） 台风(typoon)
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2、季风(season wind) 冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋 夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压 高 风从海洋吹向大陆 三、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）（P47，表3-1） 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
影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物 向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域 相交时，交叠部分的高度取大者； 平均高度h平均取各面域面积为权数计算。
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补充：第四节 风荷载体型系数
1、风载体型系数（s）
气流未被房屋干扰前的流速v0，压力p0
房屋表面某点的流速v，压力p 伯努里方程：
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第三节
风压高度变化系数
风压高度变化系数z 地面的粗糙度、温度垂直梯度 在大气边界层内，风速随离地面高度而增大 当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于 地面粗糙度和温度垂直梯度 通常认为在离地面高度为300m 500m时，风速不再受地面粗 糙度的影响，达到“梯度风速”，该高度称为梯度风高度HT 地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低。
注：中间值按插入法计算
【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形) -0.7 +0.8 +0.8 -0.5 -0.7
-0.7
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？ 当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋 涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应 予以考虑。 《规范》GB50009规定：将单独建筑物的体型系数s 乘以相互干 扰系数(可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试 验得出)以考虑风力相互干扰的群体效应。 ？ 风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐 口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局 部风压会超过按表所得的平均风压 《规范》GB50009规定：对负压区，对墙面取−1.0；对墙角边取 −1.8；对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位)取 −2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取−2.0。 ？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙， 以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。 《规范》GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按 外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。
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 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沉
3
二、两类性质的大风
1、台风 弱的热带气旋性涡旋 辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部 形成暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压 下降） 低涡增强
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aa 0.22
求平均风下结构的静力风载？
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2、体型系数： s =1.3
3、风压高度变化系数 z（z）
z ( z) (
H Ts 2 a s 10 2 aa z 2 aa ) ( ) ( ) 10 H Ta 10
350 0.32 10 0.44 z 0.44 z 0.44 ( ) ( ) ( ) 0.616 ( ) 10 400 10 10
v(t)
v
平均风速
vf
t
v —长周期成分，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 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
（∵风的短周期接近结构自振周期）
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GB50009-2001地面的粗糙度类别 A类—近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B类—田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市 郊区 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
地面粗糙度类别 粗糙度指数a 梯度风高度HG 风压高度变化系数z A类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60
第3章
风荷载
1
内容提要
第一节 风的有关知识
第二节
第三节
风压
风压高度变化系数
第四节
第五节
风荷载体型系数
结构抗风计算的几个重要概念
第六节
第七节
顺风向结构风效应
横风向结构风效应
2
第一节 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 地表上存在气压差或压力梯度
北极
赤道
大气热力学环流模型
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第五节 结构抗风计算的几个重要概念
一、结构的风力和风效应
PL 截面 风速 B PM PD
流经任意截面物体所产生的力
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ห้องสมุดไป่ตู้速度、加速度响应、扭转响应
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二、顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线
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设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为a0，基本风压 值为W0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风高度处风 压相等的条件，由式 可导出：
可得任一地貌条件下，高度z处的风压为： (3-8) 式中，az为任意地貌下的风压高度变化系数，应按地面粗糙 度指数a和假定的梯度风高度HT确定，并随离地面高度z而变 化。
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三、横风向风振（对细柔性结构应考虑） 横风向风振 由不稳定的空气动力特性形成的，其中包括旋涡脱落、弛振、颤 振、扰振等空气动力现象。 与结构截面形状和雷诺数Re有关
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。
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一、非标准条件下的风速或风压的换算 1、不同高度的换算
实测风速高度/m 高度换算系数
表3-2 实测风速高度换算系 数 4 6 8 10 12
14
16
18
20
1.158 1.085 1.036 1.000 0.971 0.948 0.928 0.910 0.895
确定各区段中点高度的风压高度变化系数为：
z1=0.62； z2=1.00； z3=1.25； z4=1.45； z5=1.62；
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4、计算各区段中点高度的平均风下结构的静力风载：
wz= s z(z)w0
W1= 1.3×0.62×0.44=0.35kN/m2 W2= 1.3×1.00×0.44=0.57kN/m2 W3= 1.3×1.25×0.44=0.72kN/m2 W4= 1.3×1.45×0.44=0.83kN/m2 W5= 1.3×1.62×0.44=0.93kN/m2
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2、非标准地貌的换算
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3、不同时距的换算
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4、不同重现期换算
重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值 也不同。我国目前按重现期50年的概率确定基本风压。重现期的 取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏感的结构，重 要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现期的基本风压，以 调整结构的安全水准。
p0+v02/2= p+v2/2
w = p - p0 = (1-v2/v02) v02/2 = sw0
s= 1-v2/v02 —风载体型系数，即风作用于建筑物上所引起的
实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值,w /w0= s。
与建筑物的体型和尺度有关，也与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。
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风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用， 其方向指向建筑物表面；风荷载体型系数为负值，代表风对 结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。 风载体型系数：s=w实测/w计算
【例1】 封闭式双坡屋面 a 150 300 600
s
-0.6
0
+0.8
+0.8
s
-0.5 -0.5 -0.7 -0.5
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2、风压高度变化变化系数z(z)
3、平均风下结构的静力风载 平均风对结构的作用可以等效为静力荷载，不同高 度处的平均风风压可采用高度变化系数进行修正，而该 高度处结构所受的平均风风压，可以采用风载体型系数 对平均风风压进行修正。因此，平均风下结构的静力风 载可用下式确定：
wz= s z(z)w0
最大风速的样本时间： 一年 基本风速的重现期T0 基本风速出现一次所需要的时间(50年)
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最大风速 --随机变量
p
面积 p0=1-1/T0
年平均最大风速 基本风速 年最大风速概率密度分布
年最大风速
每年不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/T0（图中影形面积）
GB50009-2001规定：
v2 风压： w 1630
(kN/m2)
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二、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 地貌（地面粗糙度） 空旷平坦地貌 高度 房屋建筑10米（桥梁工程20米）高为标准高度 公称风速时距 =10min
公称风速 v0

1

o
vt dt ,
即一定时间间隔内的平均风速
12
我国的风气候总况
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第二节 风
压
一、风压与风速的关系
流向 高压气幕 建筑物
小股气流(wb)
(wm)
压力线
w=v2/2 w1dA
dl (w1+dw1)dA 风压的形成(wb- wm)
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1 2 风压 w v 推导 2 dw1dA Ma dAdl dv dt 合力 dw1 dl dv dt dw1 vdv (因为dl vdt ) 1 2 w1 v c 2
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地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数a ）
以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区 分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也 可取其主导风；
以半圆影响范围内建筑物的平均高度h平均来划分地面粗糙度类别， 当h平均18m，为D类，9m h平均18m为C类， h平均 9m，为B类。
风压高度变化系数z(z)=任意高度处的风压 wa(z)/基本风 压w0 ~ 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009— 2001表7.2.1确定。
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风压高度变化系数
离地面或海平 面高度（m） 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 ≥450 地面粗糙度类别 A 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 2.64 2.83 2.99 3.12 3.12 3.12 3.12 B 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 2.38 2.61 2.80 2.97 3.12 3.12 3.12 C 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35 1.45 1.54 1.62 1.70 2.03 2.30 2.54 2.75 2.94 3.12 3.12 D 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.84 0.93 1.02 1.11 1.19 1.27 1.61 1.92 2.19 2.68 2.68 2.91 3.12
边界条件：
当v
0 时， w1 wm （气流冲击结构物后其截面中心点产生的最大气流压强）
wb （气流原先压力强度） 1 wb v 2 wm 2 1 2 v2 w wb wm v 2 2g
当v 时， w1
2 标准大气压 =0.012018kN/m3（空气单位体积的重力） ，g=9.8m/s