风荷载

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， w0为理想
风速的风压。
风载体型系数s： 主要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。 风载体型系数s一般采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行试验
风洞试验--在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖 面、紊流和自然流动，即要求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
建筑物的风洞尺寸：宽24m、高23m，长530m 模拟风剖面--要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频 谱在几何上和运动上都相似
条件，则其均方差：
❖ 定义风的湍流强度
v
1 T
T 0
v 2fi
(t )dt
Iv v v ，表征风速的脉动程度。
❖ 脉动风的频率特性可采用功率谱密度表示，定义为：
Svf
()
1
2
Rv f
(
)ei
d
❖ Svf ()—— 脉动风功率谱密度，是圆频率的函数；
❖ Rvf ( )—— 脉动风速的自相关函数：
最大风速出现 17．2-24．4 米/秒，也即风力 8-9 级（34-47 海里/小时）
最大风速出现＜17．2 米/秒，也即风力为 6-7 级（22-33 海里/小时）
发布的信息
属性
消息
远离或尚未影响到预报责任区时，根据需要可以发布“消息”，报道编号热 带气旋的情况，警报解除时也可用 “消息”方式 发布
越大，参考表4-3。
❖ 由风压与风速的关系，在确定地貌条件下（设此时的地貌粗糙度指数
为 a ），非标准高度处的风压 wa (z)与标准高度处的风压 w0a 间的关
系为：
wa (z) v 2 ( z )2a
w0a
vs2
zs
❖ （2）非标准地貌的换算
❖ 地貌不同，地面的摩阻大小不同，使得该地貌处10m高处的风压与基本 风压将不相同；
脉动风 → 引起结构动力响应
（∵风的短周期接近结构自振周期）
❖ 工程上一般将脉动风处理为随机过程 [v f (t), t T ] ，常假定脉动风速为零均值 正态平稳随机过程，其概率密度函数为：
❖
f (vf )
v —— 脉动风速的均方差。
1
2 v
exp(
v2f
2
2 v
)
❖ 在一个合适的时间段T内，取得其中一个样本vfi(t)，如果脉动风还满足各态历经
❖ 加拿大风工程专家Davenport的结果表明，地表摩擦的结果使得接近地 表的风速随着离地面距离的减小而降低，如图4-6所示；
❖ 只有在离地面300~500米以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气 压梯度的作用下自由流动，达到速度梯度，而将出现这种速度的高度称
为梯度风高度，用 HT 表示。 ❖ 各种地貌条件下风速变化指数 及梯度风高度 HT 的参考值见表4-4。
？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。
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）
当v 时，w1 wb （气流原先压力强度）
wb
1 2
v2
wm
w
wb
wm
1 2
v2
v2 2g
=0.012018kN/m3（空气单位体积的重力），g=9.8m/s2
风压：w v2 (kN/m2) 1630
2、基本风压w0（5个标准规定） 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压
《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：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为1.0 -2.2
二、两类性质的大风 1、台风 弱的热带气旋性涡旋 复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 复合加强，更多的水汽向中心集中 。。。。。。（循环） 台风(typoon) 台风名字
热带气旋按中心附近地面最大风速划分为四个等级
名称
第四章 风荷载
内容提要 第一节 风的有关知识 第二节 风压 第三节 结构抗风计算的几个重要概念 第四节 顺风向结构风效应 第五节 横风向结构风效应
第一节 风的有关知识
一、风的Βιβλιοθήκη Baidu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
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上升。
二、顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线
v(t)
vf
v
t
平均风速 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（即稳定风）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）
3、非标准条件下的风速和风压换算基本风压
❖ （1）非标准高度换算 ❖ 由实测结果分析，平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述：
v ( z )
vs
zs
v ❖ 、z——任一点的风速和高度；
v z ❖ s 、 s ——标准高度处的平均风速和高度，通常为10米；
❖ ——与地貌或地面粗糙程度有关的指数，地面粗糙程度越大，
警报
预计未来 48 小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布警报
紧急警报
预计未来 24 小时内将影响本责任区的沿海地区或登临时发布紧急警报
（影响是以沿海开始出现 8 级风或暴雨为标准。）
2004年8月12日台风“云娜”正面袭击浙江
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
❖ V10/n——10米高度处一次脉动的行程距离，称为波长。
三、横风向风振（在第五节讲）
第四节 顺风向结构风效应
一、顺风向平均风效应
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：
p0+v02/2= p+v2/2
w = p - p0 = (1-v2/v02) v02/2 = sw0
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）（P38，表4-1） 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
比值 r ，如表4-7所示。
❖ 近似拟合公式为：
r 0.336 logT0 0.429
❖ 全国基本风压分布图4-5。
第三节 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 ~ 是指由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应
风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）
风洞试验模型分类 （1）刚性压力模型--主要量测建筑物表面的风压力（吸力）
建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约1：3001：500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与 风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。 风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 。 风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间1h
（2）气动弹性模型 对高宽比大于5，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用
精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、 建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。 （3）刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，1：500量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产 生的动力效应。 模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组 合，可测倾覆力矩和扭矩等
第二节 风 压
1、风压与风速的关系
流向
高压气幕
小股气流
建筑物
压力线
w1dA
dl
(w1+dw1)dA
w =v2/2
风压的形成
风压w 1 v2 推导
2
合力 dw1dA Ma dAdl dv dt
dw1 dl dv dt
dw1 vdv (因为dl vdt )
w1
1 2
v2
c
边界条件：
❖ 设标准地貌的基本风速及其测定高度、梯度风高度和风速变化指数分别为：
v0 s
zs
HTs s
v ❖ 另一地貌的上述各值分别为： 0a
za HTa
a
❖ 可得
v0s
(
HTs zs
)s
v0a
(
HTa za
)a
❖或
v0a
v0
s
(
HTs zs
)s
( HTa za
)a
❖ 所以，任意地貌的基本风压 w0a 与标准地貌的基本风压 w0 的关系为：
Rv f
(
)
1 T
T
0 vf (t)vf (t )dt
❖ 加拿大的Davenport得出水平脉动风的功率谱密度经验公式：
Sv f
(n)
4kv120 n
x2
4
(1 x2 ) 3
❖ V10——10m高度处的风速；
❖ k——与10m高度处相应的地面阻力系数；
❖ n——频率，为ω/2π；
❖ x——10m高度处L行程内的脉动次数，x=nL/v10 ❖ L——假定的湍流行程长度，近似取1200米；
属性
台风 （Typhoon）
强热带风暴 (Severe tropical storm)
热带风暴 (Tropical storm)
热带低压 (Tropical depression)
最大风速出现＞32．6 米/秒，也即 12 级以上（64 海 里/小时或以上）
最大风速出现 24．5-32．6 米/秒，也即风力 10-11 级 （48-63 海里/小时）
地貌（地面粗糙度）
按照空旷平坦地貌确定基本风速或基本风压
高度
10米高为标准高度（GB50009-2001）
公称风速时距
=10min
公称风速v0
1
v
o
t
dt,
即一定时间间隔内的平均风速
最大风速的样本时间 各国基本上都取一年作为统计风速的样本时间
基本风速的重现期T0 基本风速出现一次所需要的时间，一般为几十年（如30年、50年）。
w0a
w0
(
HTs zs
)2s ( HTa za
)2a
❖ （3）不同时距的换算 ❖ 时距不同，所求得的平均风速不同； ❖ 统计得出各种不同时距与10分钟时距风速的平均值，见表4-6。 ❖ （4）不同重现期的换算 ❖ 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就不同； ❖ 根据结构的重要性，设计时可能采用不同重现期的基本风压； ❖ 根据我国各地的风压统计资料，得出不同重现期与常规50年重现期风压
风载体型系数s 【例1】 封闭式双坡屋面
150 300 600 s -0.6 0 +0.8
注：中间值按插入法计算
s +0.8
-0.5 -0.5
-0.7
【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形)
-0.7
+0.8
-0.5
+0.8
-0.5
-0.7
-0.7
？ 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。
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
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（图中影形面积）
GB50009-2001规定：
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。
确定。 《规范》GB50009-2001表7.3.1给出了38项不同类型的建筑物和各类结构体型及
其体型系数 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用； ❖ 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。