第4章風(fēng)荷載介紹.ppt

第4章風(fēng)荷載,第4章風(fēng)荷載,內(nèi)容提要第一節(jié)風(fēng)的有關(guān)知識(shí)第二節(jié)風(fēng)壓第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念第四節(jié)順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)第五節(jié)橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),第一節(jié)風(fēng)的有關(guān)知識(shí),赤道和低緯度地區(qū)：受熱量較多，氣溫高，空氣密度小、氣壓小,且大氣因加熱膨脹，由表面向高空上升,極地和高緯度地區(qū)：受熱量較少，氣溫低，空氣密度大、氣壓大，且大氣因冷卻收縮由高空向地表上升,一、風(fēng)的形成,風(fēng)是空氣相對于地面的運(yùn)動(dòng)。由于太陽對地球各處輻射程度和大氣升溫的不均衡性，在地球上的不同地區(qū)產(chǎn)生大氣壓力差.,-空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)而形成地表上存在氣壓差或壓力梯度,二、兩類性質(zhì)的大風(fēng)1、臺(tái)風(fēng)弱的熱帶氣旋性渦旋輻合氣流將大量暖濕空氣帶到渦旋內(nèi)部形成暖心（渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降）低渦增強(qiáng)輻合加強(qiáng)。（循環(huán)）臺(tái)風(fēng)(typoon)臺(tái)風(fēng)名字,2、季風(fēng)(seasonwind)冬季:大陸溫度低、氣壓高；相鄰海洋溫度比大陸高、氣壓低風(fēng)從大陸吹向海洋夏季:大陸溫度高、氣壓低；相鄰海洋溫度比大陸低、氣壓高風(fēng)從海洋吹向大陸三、風(fēng)級(jí)（根據(jù)風(fēng)對地面或海洋物體影響程度）13個(gè)等級(jí)（0級(jí)12級(jí)）（P37，表4-1）0級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)5級(jí)6級(jí)7級(jí)8級(jí)9級(jí)10級(jí)11級(jí)12級(jí)靜風(fēng)軟風(fēng)輕風(fēng)微風(fēng)和風(fēng)清勁風(fēng)強(qiáng)風(fēng)疾風(fēng)大風(fēng)烈風(fēng)狂風(fēng)暴風(fēng)颶風(fēng),1926年9月，美國邁阿密17層高的Meyer-Kiser大樓在一次颶風(fēng)襲擊下，維護(hù)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，大樓在風(fēng)暴中嚴(yán)重?fù)u晃，頂部殘留位移達(dá)0.61m。,風(fēng)災(zāi)實(shí)例,當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)遇到建筑物、構(gòu)筑物、橋梁等阻礙物時(shí)，將對這些阻礙物產(chǎn)生壓力。,風(fēng)荷載是工程結(jié)構(gòu)的主要側(cè)向荷載之一，它不僅對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生水平風(fēng)壓作用，還會(huì)引起多種類型的振動(dòng)效應(yīng)。,第4章風(fēng)荷載,美國約翰漢考克大樓（JohnHancock），自1972年夏天至1973年的1月，由于外飾玻璃經(jīng)常遭受大風(fēng)破壞，不得不更換所有的玻璃，耽誤了三年半的使用，還增加了830萬美元的預(yù)算。,第4章風(fēng)荷載,1988年美國Missouri一座高610m的電視桅桿在陣風(fēng)下倒塌。,第4章風(fēng)荷載,1965年11月1日，英國渡橋（Ferrybridge）熱電廠的8座大型冷卻塔，每座塔高116m，直徑93m，其中有3座塔在風(fēng)暴襲擊中被吹毀，該事故促使人們開始注重群體風(fēng)效應(yīng)的研究。,第4章風(fēng)荷載,位于上海嘉定的國際賽車場F1看臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了12級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響，但在事故當(dāng)天，嘉定區(qū)部分地段遭受了13級(jí)（40m/s）的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，是造成這起事故的主要原因，賽車場損失上千萬元。,第4章風(fēng)荷載,廠房屋面風(fēng)致破壞,第4章風(fēng)荷載,膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞,第4章風(fēng)荷載,廣告牌風(fēng)致破壞,第4章風(fēng)荷載,2006年3月12日，位于福建泉州北峰路段的一塊大型戶外廣告牌被大風(fēng)吹倒，壓住了兩輛行駛中的摩托車，造成3人死亡。當(dāng)天，受強(qiáng)冷空氣影響，泉州氣溫持續(xù)下降，并伴有8級(jí)大風(fēng)。,2007年7月29日下午，鄭州市區(qū)瞬時(shí)大風(fēng)吹倒鄭州市文化路的巨幅廣告牌。將4輛奇瑞轎車全部壓在身下，砸塌了另外2輛轎車的車頂。倒塌的廣告牌下，停放著10多輛展銷轎車。,1940年11月7日，美國華盛頓州塔科馬橋（TacomaBridge）因風(fēng)振致毀，這一嚴(yán)重的橋梁事故，開始促使人們對橋梁的風(fēng)致振動(dòng)問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。該橋主跨長853.4m，全長1810.56m，橋?qū)?1.9m，而梁高僅1.3m。通過兩年時(shí)間的施工，于1940年7月1日建成通車。但由于當(dāng)時(shí)人們對柔性結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)的認(rèn)識(shí)還不深入，雖然設(shè)計(jì)風(fēng)速為60m/s，但在19m/s風(fēng)速下結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生強(qiáng)烈扭曲振動(dòng)而遭破壞。,第4章風(fēng)荷載,風(fēng)致橋梁破壞,第4章風(fēng)荷載,第4章風(fēng)荷載,風(fēng)毀橋梁表,第4章風(fēng)荷載,JGJ3高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程,高度超過150m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的10年一遇的風(fēng)荷載取值計(jì)算順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度amax不應(yīng)超過下表的限值。必要時(shí)，可通過專門的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果確定順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度，且不應(yīng)超過下表的限值。,第4章風(fēng)荷載,抗風(fēng)減振措施,臺(tái)北101大樓（高508米），在92樓層懸掛設(shè)置重達(dá)800噸的懸浮阻尼球，通過吸收振動(dòng)能量，避免大樓在強(qiáng)風(fēng)下大幅晃動(dòng),第4章風(fēng)荷載,抗風(fēng)減振措施,上海環(huán)球金融中心（高492米），在395米的第90層安裝兩臺(tái)重達(dá)150噸、長寬各9米的風(fēng)阻器，中間桔紅色的是用鋼索懸吊的重100多噸的配重物，其下安裝了驅(qū)動(dòng)裝置。,第二節(jié)風(fēng)壓,一、風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系,建筑物,小股氣流,流向,高壓氣幕,壓力線,w=v2/2,風(fēng)壓：當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)遇到阻塞時(shí)，將對阻塞物產(chǎn)生壓力，即為風(fēng)壓。,由于各地地理位置不同，因而和g不同。,-為空氣單位體積的重力；g為重力加速度。,：對于海拔500m以下地區(qū)，該值約為1/1600，海拔3500m以上的高原或高山地區(qū)，該值減小至1/2600左右。,風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系式：,得出風(fēng)壓與風(fēng)速的微分方程,據(jù)合力等于質(zhì)量與加速度乘積,取任一小段,據(jù)已知條件對方程求解,得到,二、基本風(fēng)壓w0,基本風(fēng)壓符合以下五個(gè)規(guī)定：,基本風(fēng)壓：在空曠平坦的地面、離地面10m高處、50年一遇的10min的平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，由風(fēng)壓和風(fēng)速的關(guān)系式確定的風(fēng)壓值(w0=v02/1600)。,地貌（地面粗糙度）空曠平坦地貌高度10米高為標(biāo)準(zhǔn)高度,公稱風(fēng)速時(shí)距=10min,最大風(fēng)速的樣本時(shí)間一年,基本風(fēng)速的重現(xiàn)期T0基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間,取年最大風(fēng)速記錄值為統(tǒng)計(jì)樣本。,工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)在使用過程中幾十年時(shí)間范圍內(nèi)可能遭遇到的最大風(fēng)速。該最大風(fēng)速不是經(jīng)常出現(xiàn)，而是間隔一段時(shí)間后再出現(xiàn)，這個(gè)間隔時(shí)間稱為重現(xiàn)期。,每年不超過基本風(fēng)壓的概率或保證率p0=1-1/T0（圖中影形面積）,最大風(fēng)速-隨機(jī)變量,年最大風(fēng)速,p,基本風(fēng)速,面積p0=1-1/T0,年平均最大風(fēng)速,年最大風(fēng)速概率密度分布,建筑荷載規(guī)范：對一般結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期取50年，對于特別重要和有特殊要求的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期可取100年。,設(shè)基本風(fēng)速重現(xiàn)期為T0年，則1/T0為超過設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率，而不超過該設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率或保證率為：,三、非標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)速或風(fēng)壓的換算,1、非標(biāo)準(zhǔn)高度的換算,式中：,任一點(diǎn)的平均風(fēng)速和高度。,標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)速和高度，我國標(biāo)準(zhǔn)高度為10m。,與地貌或地面粗糙度有關(guān)的指數(shù)，地面粗糙程度越大，越大。,因?yàn)椋?2、非標(biāo)準(zhǔn)地貌的換算,梯度風(fēng)：不受地表影響，能夠在氣壓梯度作用下自由流動(dòng)的風(fēng)，稱為梯度風(fēng)。,梯度風(fēng)高度：出現(xiàn)梯度風(fēng)的高度HT,不同粗糙度影響下的風(fēng)剖面,加拿大風(fēng)工程專家整理的風(fēng)剖面：,接近地表的風(fēng)速隨著離地面距離的減小而降低,離地300-500m以上的地方，風(fēng)才不受地表的影響。,地面越粗糙（越大），風(fēng)速變化越慢，梯度風(fēng)高度越高；,地面越平坦（越小），風(fēng)速變化越快，梯度風(fēng)高度越小。,同一大氣環(huán)境中各類地貌梯度風(fēng)速相同，則可得,任意地貌的基本風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)地貌基本風(fēng)壓的關(guān)系：,任意地貌的,基本風(fēng)速,據(jù)風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系,風(fēng)壓高度變化系數(shù)：任意地貌下任意高度處的平均風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)地貌下基本風(fēng)壓的比值,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的地面粗糙度分類：,A類：指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)，取aA=0.12，HTA=300m；,B類：指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和市郊，取aB=as=0.16，HTB=HTS=350m；,C類：指有密集建筑群的城市市區(qū)，取aC=0.22，HTC=400m；,D類：指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)，取aD=0.30，HTD=450m。,GB50009-2012地面的粗糙度類別：A類近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)B類田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)C類有密集建筑群的城市市區(qū)D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū),地面粗糙度類別粗糙度指數(shù)梯度風(fēng)高度HG風(fēng)壓高度變化系數(shù)zA類0.12300m1.379(z/10)0.24B類0.16350m1.000(z/10)0.32C類0.22400m0.616(z/10)0.44D類0.30450m0.318(z/10)0.60根據(jù)離地面或海平面高度、地面粗糙度類別由GB50009表8.2.1確定?！舅伎碱}】1、規(guī)范GB50009對遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)z如何確定？,【思考題】2、上表風(fēng)壓高度變化系數(shù)z中的1.379、1.0、0.616、0.318如何得來的？,代入四類地貌下粗糙度指數(shù)以及梯度風(fēng)高度，可得,A類：ca=1.379B類：ca=1.000C類：ca=0.616D類：ca=0.318,同時(shí)規(guī)定不同地貌的標(biāo)準(zhǔn)參考高度z0a：,z0a=5m（A類）z0a=10m（B類）z0a=15m（C類）z0a=30m（D類）,并規(guī)定z0a以下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)取常數(shù)，分別為：,1.09（A類）；1.00（B類）；0.65（C類）；0.51（D類）,思考題：為什么表格線下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)都為2.91？,3、不同時(shí)距的換算,4、不同重現(xiàn)期的換算,時(shí)距不同，所求得的平均風(fēng)速將不同。,重現(xiàn)期不同，最大風(fēng)速的保證率將不同，相應(yīng)的最大風(fēng)速值也就不同。,第三節(jié)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念,PL截面風(fēng)速BPMPD流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力,結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力,順風(fēng)向力PD、橫風(fēng)向力PL、扭力矩PM,結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng),由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)響應(yīng),一、結(jié)構(gòu)的風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng),二、順風(fēng)向平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng),順風(fēng)向風(fēng)速時(shí)程曲線,（風(fēng)的長周期結(jié)構(gòu)的自振周期）,順風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)：平均風(fēng)效應(yīng)、脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng),脈動(dòng)風(fēng)速vf短周期成分，周期一般只有幾秒鐘,vf,v(t),t,地面粗糙度的影響：地面越粗糙，平均風(fēng)速越小，而脈動(dòng)風(fēng)的幅值大且頻率高。,平均風(fēng),其作用效應(yīng)與靜力相近，認(rèn)為其作用性質(zhì)相當(dāng)于靜力（穩(wěn)定風(fēng)載）；,脈動(dòng)風(fēng),其與結(jié)構(gòu)物自振周期較為接近，作用性質(zhì)完全是動(dòng)力的，應(yīng)按照隨機(jī)動(dòng)力荷載來考慮（脈動(dòng)風(fēng)載）。,脈動(dòng)風(fēng)特性：,可見，一般脈動(dòng)風(fēng)的頻率較小，或周期較長。,水平脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度,三、橫風(fēng)向風(fēng)振（對細(xì)柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮）橫風(fēng)向風(fēng)振由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力特性形成的，其中包括旋渦脫落、弛振、顫振、擾振等空氣動(dòng)力現(xiàn)象。與結(jié)構(gòu)截面形狀和雷諾數(shù)Re有關(guān),粘性力=粘性應(yīng)力面積F=（粘性系數(shù)速度梯度dv/dy）面積F,慣性力=單位面積上的壓力v2/2面積F,對于空氣：,若Re小于1/1000，則以粘性力為主，為高粘性液體；,若Re大于1000，則以慣性力為主，為低粘性液體。,1、雷諾數(shù),橫向風(fēng)振的產(chǎn)生(圓截面柱體結(jié)構(gòu)),沿上風(fēng)面AB速度逐漸增大（v），B點(diǎn)壓力達(dá)到最小值;,沿下風(fēng)面BC速度逐漸降低（v），壓力重新增大。,氣流在BC中間某點(diǎn)S處速度停滯（v=0），生成旋渦，并在外流的影響下以一定周期脫落（脫落頻率fs）-Karman渦街,當(dāng)氣流旋渦脫落頻率fs與結(jié)構(gòu)橫向自振頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，即發(fā)生橫向風(fēng)振。,2、Strouhal數(shù),A,B,S,B,S,C,Fs為脫落頻率,D為圓柱直徑，V為風(fēng)速。,旋渦周期性脫落現(xiàn)象用一個(gè)無量綱參數(shù)來描述（斯脫羅哈數(shù)），表示為：,圓柱體流場,Re1：流動(dòng)將附著在圓柱體表面，即流動(dòng)不分離；,5Re40：流動(dòng)分離，分離點(diǎn)靠截面中心前緣，分離流線內(nèi)有兩個(gè)穩(wěn)定的旋渦；,3、橫風(fēng)向共振,試驗(yàn)表明：氣流漩渦脫落頻率或St與氣流的雷諾數(shù)有關(guān)：,（a）5Re40,Re3.0105：分離出的旋渦將交替脫落，向下游流動(dòng)形成渦列，若旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)橫向自振頻率時(shí)引起結(jié)構(gòu)渦激共振，即產(chǎn)生橫向風(fēng)振；,（b）40Re3.0105,（c）3.0105Re3.5106,（d）Re3.5106,Re3.5106：又呈現(xiàn)了有規(guī)律的旋渦脫落，若旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近，結(jié)構(gòu)將發(fā)生強(qiáng)風(fēng)共振。,3.0105Re3.5106：尾流在分離后十分紊亂，出現(xiàn)比較隨機(jī)的旋渦脫落，沒有明顯的周期；,雷諾數(shù)Re=,圓筒式結(jié)構(gòu)三個(gè)臨界范圍：根據(jù)氣流漩渦脫落的三段現(xiàn)象而分,跨臨界范圍：Re3.5106強(qiáng)風(fēng)共振,超臨界范圍：3.0105Re3.5106呈隨機(jī)性,亞臨界范圍：3.0102Re3.0105微風(fēng)共振,3.5106,跨臨界,3.0105,超臨界,3.0102,亞臨界,工程設(shè)計(jì)時(shí)，對跨臨界范圍的橫風(fēng)向共振問題應(yīng)特別注意。,塔科馬海峽吊橋崩塌,美國國家航空航天局拍攝的智利海岸的卡門渦街,第四節(jié)順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),一、順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng),1、風(fēng)載體型系數(shù)（s）,僅表征自由氣流的風(fēng)速因阻礙而完全停滯所產(chǎn)生的對障礙物表面的壓力,實(shí)際風(fēng)到達(dá)結(jié)構(gòu)物表面并不能理想地使氣流停滯，而是讓氣流以不同形式在結(jié)構(gòu)物表面繞過，因此上式需要修正，但伯努利方程仍成立。,問題提出：結(jié)構(gòu)物表面所受風(fēng)壓并不是由風(fēng)速確定的風(fēng)壓。,處理方法：應(yīng)以風(fēng)荷載體型系數(shù)對基本風(fēng)壓進(jìn)行修正。,風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)作用在建筑物表面的不同部位將引起不同的風(fēng)壓值，此值與來流風(fēng)壓之比稱為風(fēng)載體型系數(shù)，它與建筑物的體型、尺度以及周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。,風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：采用相似原理，在邊界層風(fēng)洞內(nèi)對建筑物模型進(jìn)行測試。,規(guī)范GB50009-2012給出了38項(xiàng)不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)體型及其體型系數(shù)房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時(shí)，可按表規(guī)定取用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時(shí)，可參考有關(guān)資料采用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同且無參考資料可借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；對重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。,風(fēng)洞試驗(yàn)-在風(fēng)洞中建筑物能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化大氣紊流縱向分量-建筑物長度尺寸具有相同的相似常數(shù)建筑物的風(fēng)洞尺寸：寬24m、高23m，長530m模擬風(fēng)剖面-要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強(qiáng)度和紊流頻譜在幾何上和運(yùn)動(dòng)上都相似風(fēng)洞試驗(yàn)：委托風(fēng)工程專家和專門的實(shí)驗(yàn)人員費(fèi)用較高（國外應(yīng)用較普遍、國內(nèi)應(yīng)用較少）風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ头诸悾?）剛性壓力模型-主要量測建筑物表面的風(fēng)壓力（吸力）建筑模型材料：采用有機(jī)玻璃建筑模型比例：約1：3001：500建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實(shí)物幾何相似，與風(fēng)流動(dòng)有明顯關(guān)系的特征（建筑外形、突出部分等）都應(yīng)正確模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動(dòng)壓力、體型系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)一次需持續(xù)60s左右，相應(yīng)實(shí)際時(shí)間1h,（2）氣動(dòng)彈性模型對高寬比大于5，需要考慮舒適度的高柔建筑時(shí)采用精確地考慮結(jié)構(gòu)的柔性和自振頻率、阻尼的影響。要求模擬幾何尺寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。（3）剛性高頻力平衡模型模型尺寸較小，1：500量級(jí)將一個(gè)輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反應(yīng)的力平衡系統(tǒng)上，可得到風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。模擬結(jié)構(gòu)剛度或高頻力平衡系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿長約150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組合，可測傾覆力矩和扭矩等,建筑物表面風(fēng)流示意,風(fēng)壓在房屋平面上的分布,建筑物周圍氣流流動(dòng)及風(fēng)壓分布,氣流碰撞和分離，表面風(fēng)壓分布不均勻。迎風(fēng)面產(chǎn)生壓力，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面由于旋渦作用呈現(xiàn)吸力。迎風(fēng)面中部的正壓較大，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面角部的負(fù)壓最大。,單體建筑物立面流線,迎風(fēng)面大約2/3高度處存在氣流停滯點(diǎn)（正壓最大）；緊靠地面處形成水平滾動(dòng)的駐渦區(qū)，建筑物的背風(fēng)面，存在背風(fēng)渦旋區(qū)（背風(fēng)面出現(xiàn)負(fù)壓）；背風(fēng)渦旋區(qū)以外是尾流區(qū)。,單體建筑物平面流線,迎風(fēng)轉(zhuǎn)角處氣流分離，建筑物背后存在一對近尾回流，尾渦區(qū)的形狀和近尾回流的分布取決于分離流線邊緣的氣流速度及結(jié)構(gòu)物截面形狀。,風(fēng)荷載體型系數(shù)的試驗(yàn)確定,風(fēng)壓力系數(shù)：測得建筑物表面上任一點(diǎn)的凈風(fēng)壓力，再將此壓力除以建筑物前方來流風(fēng)壓，即得該測點(diǎn)的風(fēng)壓力系數(shù)。,式中Cpi第i測點(diǎn)風(fēng)壓力系數(shù)；p0i第i測點(diǎn)凈風(fēng)壓力；pi第i測點(diǎn)風(fēng)壓值；p上游遠(yuǎn)前方參考高度處靜壓力值；V參考高度平均風(fēng)速，為10m高度處的，也可采用建筑物頂部高度處的平均風(fēng)速或梯度風(fēng)高度處平均風(fēng)速，但需換算；r空氣質(zhì)量密度。,測點(diǎn),風(fēng)荷載體型系數(shù)：同一面上各測點(diǎn)的風(fēng)壓分布是不均勻的，通常采用面上各測點(diǎn)的加權(quán)平均風(fēng)壓系數(shù)，得到表面風(fēng)荷載體型系數(shù)。,式中n測點(diǎn)數(shù)；Cpi建筑物某表面上第i測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)；Aii測點(diǎn)所屬的面積；A該面的全面積。,示意：雙坡屋面建筑的風(fēng)載體型系數(shù)。正值代表風(fēng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力；負(fù)值代表風(fēng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸力。,荷載規(guī)范列出了結(jié)構(gòu)物風(fēng)荷載體型系數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)物與表中的體型類同時(shí)可參考取用，若不符或重要且體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。,風(fēng)載體型系數(shù)s,【例1】封閉式雙坡屋面：迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)面、迎風(fēng)屋面和背風(fēng)屋面,【例2】封閉式房屋和構(gòu)筑物(正多邊形),+0.8,-0.5,-0.5,s,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,注：中間值按插入法計(jì)算,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,矩形平面高層建筑順風(fēng)向總體型系數(shù)s=0.8+0.5=1.3,正多邊形平面高層建筑順風(fēng)向總體型系數(shù)s=n為多邊形邊數(shù),正值代表風(fēng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力；負(fù)值代表風(fēng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸力。,？當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時(shí)，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。規(guī)范GB50009規(guī)定：將單獨(dú)建筑物的體型系數(shù)s乘以相互干擾系數(shù)(可參考類似條件的試驗(yàn)資料確定；必要時(shí)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出)以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。？風(fēng)力作用在高層建筑表面，其壓力分布很不均勻，在角隅、檐口、邊棱處和在附屬結(jié)構(gòu)的部位（陽臺(tái)、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會(huì)超過按表所得的平均風(fēng)壓規(guī)范GB50009規(guī)定：對負(fù)壓區(qū)可根據(jù)不同部位分別取體型系數(shù)為-1.0-2.2？對封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實(shí)際存在的個(gè)別孔口和縫隙，以及機(jī)械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。規(guī)范GB50009規(guī)定：對封閉式建筑物的內(nèi)表面壓力系數(shù)，按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2,2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)z地面的粗糙度、溫度垂直梯度在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大當(dāng)氣壓場隨高度不變時(shí)，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度通常認(rèn)為在離地面高度為300m500m時(shí)，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，達(dá)到“梯度風(fēng)速”，該高度稱為梯度風(fēng)高度HG地面粗糙度等級(jí)低的地區(qū)，其梯度高度比等級(jí)高的地區(qū)為低。GB50009地面的粗糙度類別A類近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)B類田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)C類有密集建筑群的城市市區(qū)D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū),地面粗糙度類別粗糙度指數(shù)梯度風(fēng)高度HG風(fēng)壓高度變化系數(shù)zA類0.12300m1.379(z/10)0.24B類0.16350m1.000(z/10)0.32C類0.22400m0.616(z/10)0.44D類0.30450m0.318(z/10)0.60,風(fēng)壓高度變化系數(shù)z(z)=任意粗糙度任意高度處的風(fēng)壓wa(z)/標(biāo)準(zhǔn)粗糙度標(biāo)準(zhǔn)高度下的基本風(fēng)壓w0,a,a,地面粗糙度近似確定原則（無實(shí)測粗糙度指數(shù)）以擬建房2km為半徑的迎風(fēng)半圓范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風(fēng)向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向?yàn)闇?zhǔn)，但也可取其主導(dǎo)風(fēng)；以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h平均來劃分地面粗糙度類別，當(dāng)h平均18m，為D類，9mh平均18m為C類，h平均9m，為B類。影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時(shí)，交疊部分的高度取大者；平均高度h平均取各面域面積為權(quán)數(shù)計(jì)算。,3、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載wz=sz(z)w0,一、風(fēng)振系數(shù),平均風(fēng)以靜力荷載反映，脈動(dòng)風(fēng)為隨機(jī)動(dòng)力荷載（結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)），目前采用靜力計(jì)算方法，即將脈動(dòng)風(fēng)載轉(zhuǎn)化為靜力風(fēng)載施加于結(jié)構(gòu)物，按靜力方法求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力及側(cè)移。,結(jié)構(gòu)物風(fēng)振的影響,一般建筑（低層或多層）：自振周期小于風(fēng)壓脈動(dòng)的周期，可以不考慮風(fēng)振影響。,二、順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng),1、風(fēng)振系數(shù),高聳構(gòu)筑物和高層建筑等柔性結(jié)構(gòu)：荷載規(guī)范規(guī)定：（1）對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋；（2）基本自振周期T1大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)；均應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的順風(fēng)向風(fēng)振。,脈動(dòng)風(fēng)是一種隨機(jī)動(dòng)力作用，其對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用效應(yīng)需采用隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行分析。對于一般高聳結(jié)構(gòu)及高層建筑，第一振型起到控制作用，求出的風(fēng)壓值上大下小，大致呈梯形分布，均大于靜風(fēng)壓力。,規(guī)范思路：1.將梯形化為連續(xù)分布的矩形；2.分段求風(fēng)振系數(shù)，將效應(yīng)放大。,荷載規(guī)范:結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)bz可按下式計(jì)算：,式中x脈動(dòng)增大系數(shù)；u脈動(dòng)影響系數(shù)；jz振型系數(shù)；mz風(fēng)壓高度變化系數(shù)。,理論分析表明：對于一般懸臂型結(jié)構(gòu)，例如框架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及高度大于30m，高寬比大于1.5且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高柔建筑，均可僅考慮結(jié)構(gòu)第一振型影響，通過風(fēng)振系數(shù)來考慮風(fēng)壓脈動(dòng)的影響。,2、脈動(dòng)增大系數(shù),由隨機(jī)振動(dòng)理論導(dǎo)出（達(dá)文波特水平風(fēng)速譜密度公式）：,式中z結(jié)構(gòu)的阻尼比，對鋼結(jié)構(gòu)取0.01，對有墻體材料填充的房屋鋼結(jié)構(gòu)取0.02，對鋼筋混凝土及磚石砌體結(jié)構(gòu)取0.05；w0考慮當(dāng)?shù)氐孛娲植诙群蟮幕撅L(fēng)壓；T1結(jié)構(gòu)的基本自振周期。,注意：設(shè)計(jì)時(shí)可查表，計(jì)算w0T12時(shí)，對B類地區(qū)直接代入基本風(fēng)壓，對A類、C類和D類地區(qū)應(yīng)按當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓分別乘以1.38、0.62和0.32后代入。,3、結(jié)構(gòu)振型系數(shù),順風(fēng)向響應(yīng)可僅考慮第一振型影響，采用近似公式或查表確定結(jié)構(gòu)的第一振型系數(shù)。,脈動(dòng)增大系數(shù)x,高聳構(gòu)筑物（按彎曲型考慮）：,以剪力墻的工作為主的高層建筑結(jié)構(gòu)（按彎剪型考慮）：,懸臂型高聳結(jié)構(gòu)的截面沿高度按連續(xù)規(guī)律變化時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面頂部寬度BH與底部寬度B0的比值，按表確定第1振型系數(shù)。,截面沿高度規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù),4、脈動(dòng)影響系數(shù),反映風(fēng)壓脈動(dòng)相關(guān)性對結(jié)構(gòu)的影響，由公式確定：,式中jz結(jié)構(gòu)振型系數(shù)；mz風(fēng)壓高度變化系數(shù)；H結(jié)構(gòu)高度。,風(fēng)壓空間相關(guān)系數(shù)h：考慮風(fēng)壓脈動(dòng)空間相關(guān)性的折算系數(shù)，主要與受風(fēng)面上兩點(diǎn)的距離有關(guān)，隨兩點(diǎn)間距離的增大迅速減小，呈指數(shù)衰減規(guī)律。,脈動(dòng)系數(shù)mf：脈動(dòng)風(fēng)壓與平均風(fēng)壓之比，脈動(dòng)系數(shù)隨高度增加而減小。,式中a地面粗糙度指數(shù)，為A、B、C及D四類地貌。,荷載規(guī)范給出了脈動(dòng)影響系數(shù)表格，供設(shè)計(jì)時(shí)查用。,（1）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較小的情況,迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于其高度情況（如高聳結(jié)構(gòu)等），若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動(dòng)影響系數(shù)可按表4.9采用。,表4.9脈動(dòng)影響系數(shù)u,當(dāng)迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的寬度沿高度按直線或接近直線規(guī)律變化，而質(zhì)量沿高度按連續(xù)規(guī)律變化時(shí)，表4.9中的脈動(dòng)影響系數(shù)應(yīng)再乘以修正系數(shù)qB和qv。,表4.10修正系數(shù)qv,qB為構(gòu)筑物迎風(fēng)面在z高度處的寬度Bz與底部寬度B0的比值；,qv按表4.10確定。,（2）結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大的情況,迎風(fēng)面寬度較大情況（如高層建筑等），應(yīng)考慮迎風(fēng)面寬度方向風(fēng)壓空間相關(guān)性的情況，若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動(dòng)影響系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)總高度H及其與迎風(fēng)面寬度B的比值，按表4.11采用。,表4.11脈動(dòng)影響系數(shù)u,5、結(jié)構(gòu)基本周期經(jīng)驗(yàn)公式,（1）高聳結(jié)構(gòu),一般情況下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：,式中H結(jié)構(gòu)物總高。,鋼結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)自振周期長，可取高值；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度相對較大，結(jié)構(gòu)自振周期短，可取低值。,（2）高層建筑,一般情況：,鋼結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),式中n建筑層數(shù)。,具體結(jié)構(gòu)：,鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),式中H房屋總高度（m）；B房屋寬度（m）。,6、陣風(fēng)系數(shù),圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上乘以陣風(fēng)系數(shù)。,式中mf脈動(dòng)系數(shù)；k地面粗糙度調(diào)整系數(shù)，對A、B、C、D四種類型，分別取0.92、0.89、0.85、0.80。,荷載規(guī)范規(guī)定：計(jì)算直接承受風(fēng)壓的幕墻構(gòu)件（包括門窗）風(fēng)荷載時(shí)的陣風(fēng)系數(shù)應(yīng)按表4.12采用。對其他屋面、墻面構(gòu)件陣風(fēng)系數(shù)取1.0。,表4.12陣風(fēng)系數(shù)bgz,7、順風(fēng)向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,按基本風(fēng)壓w0、風(fēng)壓高度變化系數(shù)mz、風(fēng)荷載體型系數(shù)ms、風(fēng)振系數(shù)bz、陣風(fēng)系數(shù)bgz、局部風(fēng)壓體型系數(shù)ms1，即可計(jì)算垂直于建筑物表面上的順風(fēng)向荷載標(biāo)準(zhǔn)值。,（1）當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：,（2）當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：,一、結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力PL=L(v2/2)BL-橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān),第5節(jié)結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng),s是風(fēng)漩渦脫落圓頻率，與風(fēng)速有關(guān)。,跨臨界范圍、亞臨界范圍的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用具有周期性，是周期性荷載。,二、橫風(fēng)向共振,（一）鎖定現(xiàn)象,鎖定旋渦脫落頻率隨風(fēng)速發(fā)生變化，當(dāng)其接近結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向自振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激共振，若風(fēng)速增大，旋渦脫落頻率不變，與結(jié)構(gòu)自振頻率保持一致的現(xiàn)象。,鎖定后，只有當(dāng)風(fēng)速大于結(jié)構(gòu)共振風(fēng)速約1.3倍時(shí)，旋渦脫落頻率才開始變化。,（