荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法精品課件第四章 風(fēng)荷載

1、第四章第四章 風(fēng)荷載風(fēng)荷載內(nèi)容提要內(nèi)容提要 第一節(jié)第一節(jié) 風(fēng)的有關(guān)知識風(fēng)的有關(guān)知識 第二節(jié)第二節(jié) 風(fēng)壓風(fēng)壓 第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念 第四節(jié)第四節(jié) 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 第五節(jié)第五節(jié) 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 第一節(jié)第一節(jié) 風(fēng)的有關(guān)知識風(fēng)的有關(guān)知識 赤道和低緯度地區(qū)：受熱量較多，氣溫高，空氣密度小、氣壓赤道和低緯度地區(qū)：受熱量較多，氣溫高，空氣密度小、氣壓小小, ,且大氣因加熱膨脹，且大氣因加熱膨脹，由表面向高空上升由表面向高空上升 極地和高緯度地區(qū)：受熱量較少，氣溫低，空氣密度大、極地和高緯度地區(qū)：受熱量較少，氣溫低，空氣密度大、

2、 氣壓氣壓大大 ，且大氣因冷卻收縮由，且大氣因冷卻收縮由高空向地表上升高空向地表上升一、風(fēng)的形成一、風(fēng)的形成- 空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成 地表上存在氣壓差或壓力梯度地表上存在氣壓差或壓力梯度北極北極赤道赤道大氣熱力學(xué)環(huán)流模型大氣熱力學(xué)環(huán)流模型二、兩類性質(zhì)的大風(fēng)二、兩類性質(zhì)的大風(fēng)1 1、臺風(fēng)、臺風(fēng)弱的熱帶氣旋性渦旋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)部輻合氣流將大量暖濕空氣帶到渦旋內(nèi)部 形成形成暖心暖心（渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降）（渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降） 低渦增強低渦增強 輻合加強輻合加強

3、。（循環(huán)）。（循環(huán)）臺風(fēng)臺風(fēng)(typoon)(typoon)臺風(fēng)名字臺風(fēng)名字熱帶氣旋按中心附近地面最大風(fēng)速劃分為四個等級熱帶氣旋按中心附近地面最大風(fēng)速劃分為四個等級 名稱名稱 屬性屬性 臺風(fēng) （Typhoon） 最大風(fēng)速出現(xiàn)326 米/秒，也即 12 級以上（64 海里/小時或以上） 強熱帶風(fēng)暴 (Severe tropical storm) 最大風(fēng)速出現(xiàn) 245-326 米/秒，也即風(fēng)力 10-11 級（48-63 海里/小時） 熱帶風(fēng)暴 (Tropical storm) 最大風(fēng)速出現(xiàn)17 2-24 4米/秒， 也即風(fēng)力8-9級 （34-47海里/小時） 熱帶低壓 (Tropical dep

4、ression) 最大風(fēng)速出現(xiàn)17 2 米/秒， 也即風(fēng)力為 6-7 級 （22-33海里/小時） 發(fā)布的信息發(fā)布的信息 屬性屬性 消消 息息 遠(yuǎn)離或尚未影響到預(yù)報責(zé)任區(qū)時， 根據(jù)需要可以發(fā)布遠(yuǎn)離或尚未影響到預(yù)報責(zé)任區(qū)時， 根據(jù)需要可以發(fā)布“消息消息”， 報道編號熱， 報道編號熱帶氣旋的情況，警報解除時也可用帶氣旋的情況，警報解除時也可用 “消息消息”方式方式 發(fā)布發(fā)布 警警 報報 預(yù)計未來預(yù)計未來 48 小時內(nèi)將影響本責(zé)任區(qū)的沿海地區(qū)或登臨時發(fā)布警報小時內(nèi)將影響本責(zé)任區(qū)的沿海地區(qū)或登臨時發(fā)布警報 緊急警報緊急警報 預(yù)計未來預(yù)計未來 24 小時內(nèi)將影響本責(zé)任區(qū)的沿海地區(qū)或登臨時發(fā)布緊急警報小時

5、內(nèi)將影響本責(zé)任區(qū)的沿海地區(qū)或登臨時發(fā)布緊急警報 （影響是以沿海開始出現(xiàn)（影響是以沿海開始出現(xiàn) 8 級風(fēng)或暴雨為標(biāo)準(zhǔn)。 ）級風(fēng)或暴雨為標(biāo)準(zhǔn)。 ） 2 2、季風(fēng)、季風(fēng)(season wind)(season wind) 冬季冬季: :大陸溫度低、氣壓高；相鄰海洋溫度比大陸高、氣壓低大陸溫度低、氣壓高；相鄰海洋溫度比大陸高、氣壓低 風(fēng)從大陸吹向海洋風(fēng)從大陸吹向海洋 夏季夏季: :大陸溫度高、氣壓低；相鄰海洋溫度比大陸低大陸溫度高、氣壓低；相鄰海洋溫度比大陸低 、氣壓高、氣壓高 風(fēng)從海洋吹向大陸風(fēng)從海洋吹向大陸三、風(fēng)級三、風(fēng)級（根據(jù)（根據(jù)風(fēng)對地面或海洋物體影響程度風(fēng)對地面或海洋物體影響程度） 1313

6、個等級（個等級（0 0級級 1212級）級）（P37P37，表，表4-14-1） 0 0級級 1 1級級 2 2級級 3 3級級 4 4級級 5 5級級 6 6級級 7 7級級 8 8級級 9 9級級 1010級級 1111級級1212級級靜風(fēng)靜風(fēng) 軟風(fēng)軟風(fēng) 輕風(fēng)輕風(fēng) 微風(fēng)微風(fēng) 和風(fēng)和風(fēng) 清勁風(fēng)清勁風(fēng) 強風(fēng)強風(fēng) 疾風(fēng)疾風(fēng) 大風(fēng)大風(fēng) 烈風(fēng)烈風(fēng) 狂風(fēng)狂風(fēng) 暴風(fēng)暴風(fēng)颶風(fēng)颶風(fēng)第二節(jié)第二節(jié) 風(fēng)風(fēng) 壓壓1 1、風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系、風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系建筑物建筑物小股氣流小股氣流流向流向高壓氣幕高壓氣幕壓力線壓力線w= v2/2dlw1dA(w1+dw1)dA風(fēng)壓的形成風(fēng)壓的形成風(fēng)風(fēng)壓壓221vw推推導(dǎo)導(dǎo) 合合力

7、力 dtdvdAdlMadAdw1 dtdvdldw1 vdvdw1 (因因為為vdtdl ) cvw2121 邊界條件：邊界條件： 當(dāng)當(dāng)0v時時，mww 1（氣氣流流沖沖擊擊結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)物物后后其其截截面面中中心心點點產(chǎn)產(chǎn)生生的的最最大大氣氣流流壓壓強強） 當(dāng)當(dāng)v時時，bww 1（氣氣流流原原先先壓壓力力強強度度） mbwvw221 gvvwwwmb22122 =0.012018kN/m3（空氣單位體積的重力）（空氣單位體積的重力） ，g=9.8m/s2 風(fēng)壓：風(fēng)壓：16302vw (kN/m2) 2 2、基本風(fēng)壓、基本風(fēng)壓w w0 0 按規(guī)定的按規(guī)定的地貌地貌、高度高度、時距時距等量測的風(fēng)速所

8、確定的風(fēng)壓等量測的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓 地貌（地面粗糙度）地貌（地面粗糙度） 空曠平坦地貌空曠平坦地貌 高度高度 1010米高為標(biāo)準(zhǔn)高度米高為標(biāo)準(zhǔn)高度 公稱風(fēng)速時距公稱風(fēng)速時距 =10min=10min 最大風(fēng)速的樣本時間最大風(fēng)速的樣本時間 一年一年 基本風(fēng)速的重現(xiàn)期基本風(fēng)速的重現(xiàn)期T T0 0 基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需要的時間基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需要的時間公公稱稱風(fēng)風(fēng)速速 odttvv10, 即即一一定定時時間間間間隔隔內(nèi)內(nèi)的的平平均均風(fēng)風(fēng)速速 每年不超過基本風(fēng)壓的概率或保證率每年不超過基本風(fēng)壓的概率或保證率p p0 0=1-1/=1-1/T T0 0（圖中影形面積）（圖中影形面積） GB50009-

9、2001GB50009-2001規(guī)定：規(guī)定： 以當(dāng)?shù)匾援?dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面比較空曠平坦地面上上離地離地10m10m高統(tǒng)計所得的高統(tǒng)計所得的5050年一遇年一遇10min10min內(nèi)最大風(fēng)速內(nèi)最大風(fēng)速v v0 0為標(biāo)準(zhǔn)，按為標(biāo)準(zhǔn)，按w w 0 0= = v v0 02 2/1600/1600確定。確定。最大風(fēng)速最大風(fēng)速 -隨機變量隨機變量年最大風(fēng)速年最大風(fēng)速p基本風(fēng)速基本風(fēng)速面積面積 p0=1-1/T0年平均最大風(fēng)速年平均最大風(fēng)速年最大風(fēng)速概率密度分布年最大風(fēng)速概率密度分布第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念 PL 截面截面風(fēng)速風(fēng)速 B PM PD 流經(jīng)任意截面物體

10、所產(chǎn)生的力流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力 結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力順風(fēng)向力順風(fēng)向力P PD D 、 橫風(fēng)向力橫風(fēng)向力 P PL L 、扭力矩、扭力矩 P PM M 結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng) 由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移位移、速度速度、加速度加速度響應(yīng)、響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)響應(yīng)一、結(jié)構(gòu)的風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)一、結(jié)構(gòu)的風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)v二、順風(fēng)向平均風(fēng)與脈動風(fēng)二、順風(fēng)向平均風(fēng)與脈動風(fēng) 順風(fēng)向風(fēng)速時程曲線順風(fēng)向風(fēng)速時程曲線 平均風(fēng)平均風(fēng) 忽略其對結(jié)構(gòu)的動力影響忽略其對結(jié)構(gòu)的動力影響 等效為靜力作用等效為靜力作用（風(fēng)的長周期風(fēng)的長周期 結(jié)構(gòu)的自振周期）結(jié)構(gòu)的自振周期） 脈動風(fēng)脈動風(fēng) 引起結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)引起結(jié)構(gòu)動力

11、響應(yīng)（風(fēng)的短周期風(fēng)的短周期接近接近結(jié)構(gòu)自振周期）結(jié)構(gòu)自振周期） 順風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)：平均風(fēng)效應(yīng)、脈動風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)：平均風(fēng)效應(yīng)、脈動風(fēng)效應(yīng)脈動風(fēng)速脈動風(fēng)速v vf f 短周期成分，周期一般只有幾秒鐘短周期成分，周期一般只有幾秒鐘 平平均均風(fēng)風(fēng)速速 v長長周周期期成成分分，周周期期一一般般在在 1 10 0m mi in n 以以上上 vf v(t) t一、順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)一、順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)1 1、風(fēng)載體型系數(shù)（、風(fēng)載體型系數(shù)（ s s） 氣流未被房屋干擾前的流速氣流未被房屋干擾前的流速v v0 0，壓力，壓力p p0 0 房屋表面某點的流速房屋表面某點的流速v v，壓力，壓力p p 伯努里

12、方程：伯努里方程： p p0 0+ + v v0 02 2/2= /2= p p+ + v v2 2/2/2 w w = = p p - - p p0 0 = = (1-(1-v v2 2/ /v v0 02 2) ) v v0 02 2/2/2 = = s sw w0 0 s s= = 1-1-v v2 2/ /v v0 02 2 風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)載體型系數(shù)，即風(fēng)作用于建筑物上所引起的實際，即風(fēng)作用于建筑物上所引起的實際壓力（或吸力）與來流風(fēng)的速度壓的比值壓力（或吸力）與來流風(fēng)的速度壓的比值, ,w /w /w w0 0= = s s。 主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)

13、，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān) 描述建筑物表面描述建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律。 風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)載體型系數(shù) s s一般采用一般采用相似原理相似原理，在邊界層風(fēng)洞內(nèi)對擬建的建筑在邊界層風(fēng)洞內(nèi)對擬建的建筑物模型進(jìn)行試驗確定物模型進(jìn)行試驗確定。規(guī)范規(guī)范GB50009-2001GB50009-2001表給出了表給出了3838項不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)項不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)體型及其體型系數(shù)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，可房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時，可按表規(guī)定取用按表規(guī)定取用； 房屋和構(gòu)筑物

14、與表中的體型類不同時，可房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時，可參考有關(guān)資料采用參考有關(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，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，宜由宜由風(fēng)洞試驗確定風(fēng)洞試驗確定； 對重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，對重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定。 風(fēng)洞試驗風(fēng)洞試驗-在風(fēng)洞中建筑物能實現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)的平均風(fēng)在風(fēng)洞中建筑物能實現(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，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化剖面、紊流和自然流動，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化 大氣大氣紊流縱向分量紊流縱向分量 -建筑物長度尺寸具

15、有相同的相似常數(shù)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：寬建筑物的風(fēng)洞尺寸：寬2 2 4m4m、高、高2 2 3m3m，長，長5 5 30m30m 模擬風(fēng)剖面模擬風(fēng)剖面-要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強度和紊流要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強度和紊流頻譜在幾何上和運動上都相似頻譜在幾何上和運動上都相似 風(fēng)洞試驗：委托風(fēng)工程專家和專門的實驗人員風(fēng)洞試驗：委托風(fēng)工程專家和專門的實驗人員 費用較高（國外應(yīng)用較普遍、國內(nèi)應(yīng)用較少）費用較高（國外應(yīng)用較普遍、國內(nèi)應(yīng)用較少） 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ头诸愶L(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ头诸悾? 1）剛性壓力模型）剛性壓力模型-主要量測建筑物表面的風(fēng)壓力（吸力）主要量測

16、建筑物表面的風(fēng)壓力（吸力） 建筑模型材料：采用有機玻璃建筑模型材料：采用有機玻璃 建筑模型比例：約建筑模型比例：約1 1：300300 1 1：500500 建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實物幾何相似，建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實物幾何相似，與風(fēng)流動有明顯關(guān)系的特征（建筑外形、突出部分等）都應(yīng)正確與風(fēng)流動有明顯關(guān)系的特征（建筑外形、突出部分等）都應(yīng)正確模擬。模擬。 風(fēng)洞試驗得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動壓力、體型系數(shù)風(fēng)洞試驗得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動壓力、體型系數(shù) 。 風(fēng)洞試驗一次需持續(xù)風(fēng)洞試驗一次需持續(xù)60s60s左右，相應(yīng)實際時間左右，相應(yīng)實際時間1h1h（2 2）氣動彈性

17、模型）氣動彈性模型 對高寬比大于對高寬比大于5 5，需要考慮舒適度的高柔建筑時采用，需要考慮舒適度的高柔建筑時采用 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。寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。（3 3）剛性高頻力平衡模型）剛性高頻力平衡模型 模型尺寸較小，模型尺寸較小，1 1：500500量級量級 將一個輕質(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)將一個輕質(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)生的動力效應(yīng)。產(chǎn)生的動力效應(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

18、度或高頻力平衡系統(tǒng) 模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿 長約長約150mm150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組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合，可測傾覆力矩和扭矩等 150300600 s-0.60+0.8風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)載體型系數(shù) s s【例【例1 1】 封閉式雙坡屋面封閉式雙坡屋面【例【例2 2】封閉式房屋和構(gòu)筑物】封閉式房屋和構(gòu)筑物( (正多邊形正多邊形) ) s注：中間值按插入法計算注：中間值按插入法計算 ？ 當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時，由于旋渦的相當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓

19、會顯著增大，設(shè)計時應(yīng)予以考慮?；ジ蓴_，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會顯著增大，設(shè)計時應(yīng)予以考慮。規(guī)范規(guī)范GB50009GB50009規(guī)定：將單獨建筑物的體型系數(shù)規(guī)定：將單獨建筑物的體型系數(shù) s s 乘以相互干擾系乘以相互干擾系數(shù)數(shù)( (可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出) )以以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)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、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會超棱處和在附屬

20、結(jié)構(gòu)的部位（陽臺、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會超過按表所得的平均風(fēng)壓過按表所得的平均風(fēng)壓規(guī)范規(guī)范GB50009GB50009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 1.0 ？對封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實際存在的個別孔口和縫隙，以及對封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實際存在的個別孔口和縫隙，以及機械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。機械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。規(guī)范規(guī)范GB50009GB50009規(guī)定：對封閉式建筑物的內(nèi)表面壓力系數(shù)，按外表規(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)情況取或面風(fēng)壓的正負(fù)

21、情況取或2 2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù) z z 地面的粗糙度、溫度垂直梯度地面的粗糙度、溫度垂直梯度 在大氣邊界層內(nèi)，在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大風(fēng)速隨離地面高度而增大當(dāng)氣壓場隨高度不變時，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，當(dāng)氣壓場隨高度不變時，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度粗糙度和溫度垂直梯度 通常認(rèn)為在離地面高度為通常認(rèn)為在離地面高度為300m 300m 500m 500m時，風(fēng)速不再受地面粗糙度時，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，達(dá)到的影響，達(dá)到“梯度風(fēng)速梯度風(fēng)速”，該高度稱為，該高度稱為梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度H HG G 地面粗糙度等級低的地

22、區(qū)，其梯度高度比等級高的地區(qū)為低地面粗糙度等級低的地區(qū)，其梯度高度比等級高的地區(qū)為低。 GB50009-2001GB50009-2001地面的粗糙度類別地面的粗糙度類別 A A類類近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū) B B類類田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)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 C類類有密集建筑群的城市市區(qū)有密集建筑群的城市市區(qū) D D類類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū) 地面粗糙度類別地面粗糙度類別 粗糙度指數(shù)粗糙度指數(shù) 梯度風(fēng)高度梯度風(fēng)高度HG 風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓

23、高度變化系數(shù) z A類類 0.12 300m 1.379(z/10) B類類 0.16 350m 1.000(z/10) C類類 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D類類 0.30 450m 0.318(z/10) 風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù) z z (z)= (z)=任意高度處的風(fēng)壓任意高度處的風(fēng)壓w wa a(z)/(z)/基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓w w0 0 根據(jù)離地面或海平面高度、地面粗糙度類別由根據(jù)離地面或海平面高度、地面粗糙度類別由GB500092001GB500092001表確定。表確定。 【思考題】【思考題】規(guī)范規(guī)范GB50009GB50009對遠(yuǎn)海海面和海島的

24、建筑物或構(gòu)筑物，風(fēng)壓高對遠(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)度變化系數(shù) z z如何確定？如何確定？風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù) 地面粗糙度類別地面粗糙度類別 離地面或海平離地面或海平面高度（面高度（m） A B C D 5 1.17 1.00 0.74 0.62 10 1.38 1.00 0.74 0.62 15 1.52 1.14 0.74 0.62 20 1.63 1.25 0.84 0.62 30 1.80 1.42 1.00 0.62 40 1.92 1.56 1.13 0.73 50 2.03 1.67 1.25 0.84 60 2.12 1.77 1.35 0.93

25、 70 2.20 1.86 1.45 1.02 80 2.27 1.95 1.54 1.11 90 2.34 2.02 1.62 1.19 100 2.40 2.09 1.70 1.27 150 2.64 2.38 2.03 1.61 200 2.83 2.61 2.30 1.92 250 2.99 2.80 2.54 2.19 300 3.12 2.97 2.75 2.68 350 3.12 3.12 2.94 2.68 400 3.12 3.12 3.12 2.91 450 3.12 3.12 3.12 3.12 地面粗糙度近似確定原則（無實測粗糙度指數(shù)地面粗糙度近似確定原則（無實測粗糙度

26、指數(shù) ） 以擬建房以擬建房2km2km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)向為準(zhǔn)，但也可取其主風(fēng)向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向為準(zhǔn)，但也可取其主導(dǎo)風(fēng)；導(dǎo)風(fēng)； 以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h h平均平均來劃分地面粗糙度類別來劃分地面粗糙度類別，當(dāng)，當(dāng)h h平均平均 18m18m，為，為D D類，類，9m9m h h平均平均 18m18m為為C C類，類， h h平均平均 9m 9m，為，為B B類。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

27、筑物向外延影響范圍內(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，交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，交疊部分的高度取大者；疊部分的高度取大者； 平均高度平均高度h h平均平均取各面域面積為權(quán)數(shù)計算。取各面域面積為權(quán)數(shù)計算。3 3、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載 w wz z= = s s z z(z) (z) w w0 0 二、順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)二、順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng) 脈動風(fēng)脈動風(fēng)隨機動力作用隨機動力作用按按隨機振動理論隨機振動理論進(jìn)行分析進(jìn)行分析- -自學(xué)自學(xué) 1 1、主要承重結(jié)構(gòu)、主要承重結(jié)

28、構(gòu) 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)= = 順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)+ + 順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng) w w(z)=(z)=w w(z)+(z)+w wd d(z)=(z)=(1+(1+w wd d(z)/(z)/w w(z)(z)w w(z)=(z)= z z s s z z(z) (z) w w0 0 z z 高度高度z z處的風(fēng)振系數(shù)處的風(fēng)振系數(shù)，且，且 z z=1+=1+z z/ / P59P59，式（，式（4-654-65） 脈動增大系數(shù)，與脈動增大系數(shù)，與w w0 0T T1 12 2、房屋結(jié)構(gòu)類型；、房屋結(jié)構(gòu)類型； 脈動影響系數(shù)，與地面粗糙度類型、脈動影響系數(shù)，與地面

29、粗糙度類型、H/BH/B、房屋總高、房屋總高H H； z z振型系數(shù)，由結(jié)構(gòu)動力計算確定（一般取第一振型）振型系數(shù)，由結(jié)構(gòu)動力計算確定（一般取第一振型）。 GB50009GB50009規(guī)定規(guī)定： 基本自振周期基本自振周期T T1 1的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)）的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)） 高度高度H H 30m 30m且高寬比且高寬比H H/ /B B的高柔房屋的高柔房屋考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響2 2、圍護結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu) 對于圍護結(jié)構(gòu)，由于其剛度一般較大，在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中可不必考慮其對于圍護結(jié)構(gòu)，由于其剛度一般較大，在結(jié)構(gòu)效應(yīng)

30、中可不必考慮其共振分量，可僅在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因共振分量，可僅在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因素，通過素，通過陣風(fēng)系數(shù)陣風(fēng)系數(shù) gzgz 來計算風(fēng)效應(yīng)。來計算風(fēng)效應(yīng)。即即 w w(z)= (z)= gzgz s s z z(z) (z) w w0 0 gzgz陣風(fēng)系數(shù)陣風(fēng)系數(shù)，按下式確定，按下式確定 gzgz= =k k ( 1+2 ( 1+2 f f ) ) k k 地面粗糙度調(diào)整系數(shù)地面粗糙度調(diào)整系數(shù), , k k（ A A類）類）; ; k k（ B B類）類）; ; k k（ C C類）類）; ; k=k=（ D D類）；類）； f f 脈動系數(shù)，脈

31、動系數(shù)，根據(jù)國內(nèi)實測數(shù)據(jù)，并參考國外規(guī)范資料取根據(jù)國內(nèi)實測數(shù)據(jù)，并參考國外規(guī)范資料取 f f=0.5=0.5 35 35 1.8(1.8( -0.16)-0.16)(z/10)(z/10)- - 地面粗糙度，地面粗糙度， =0.12 =0.12 （ A A類）；類）； =0.16 =0.16 （ B B類）；類）； =0.22 =0.22 （ C C類）；類）； = =0.30 0.30 （ D D類）。類）。注意：注意： 對低矮房屋圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載對低矮房屋圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)范暫時未作具體規(guī)定，但容許設(shè)計者參暫時未作具體規(guī)定，但容許設(shè)計者參照國外對低矮房屋的邊界層風(fēng)洞試驗資料或有關(guān)規(guī)范的規(guī)定

32、進(jìn)行設(shè)計。照國外對低矮房屋的邊界層風(fēng)洞試驗資料或有關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。第五節(jié)第五節(jié) 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 一、橫風(fēng)向風(fēng)振一、橫風(fēng)向風(fēng)振（對細(xì)柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮）（對細(xì)柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮） 橫風(fēng)向風(fēng)振橫風(fēng)向風(fēng)振由不穩(wěn)定的空氣動力特性形成的，其中包括旋渦脫落、弛振、顫振、由不穩(wěn)定的空氣動力特性形成的，其中包括旋渦脫落、弛振、顫振、擾振等空氣動力現(xiàn)象。擾振等空氣動力現(xiàn)象。 與與結(jié)構(gòu)截面形狀結(jié)構(gòu)截面形狀和和雷諾數(shù)雷諾數(shù)R Re e有關(guān)有關(guān) vBlvlvFlvFvRe690002粘性力慣性力雷諾數(shù)sm251045. 1,-空氣動力粘性系數(shù)粘性力粘性力= =粘性應(yīng)力粘性應(yīng)力 面積面積F F = =（

33、粘性系數(shù)（粘性系數(shù) 速度梯度速度梯度dvdv/dy/dy）面積面積F F慣性力慣性力= =單位面積上的壓力單位面積上的壓力 v v2 2/2 /2 面積面積F F 橫向風(fēng)振的產(chǎn)生橫向風(fēng)振的產(chǎn)生( (圓截面柱體結(jié)構(gòu)圓截面柱體結(jié)構(gòu)) )沿上風(fēng)面沿上風(fēng)面ABAB速度逐漸增大（速度逐漸增大（v v ），），B B點壓力達(dá)到最小值點壓力達(dá)到最小值; ;沿下風(fēng)面沿下風(fēng)面BCBC速度逐漸降低（速度逐漸降低（ v v ），壓力重新增大。），壓力重新增大。氣流在氣流在BCBC中間某點中間某點S S處速度停滯（處速度停滯（ v v =0 =0），生成），生成旋渦旋渦，并在外流，并在外流的影響下以一定周期脫落（的影

34、響下以一定周期脫落（脫落頻率脫落頻率f fs s）-Karman Karman 渦街渦街當(dāng)氣流旋渦當(dāng)氣流旋渦脫落頻率脫落頻率f fs s與結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)橫向自振頻率橫向自振頻率接近時，結(jié)構(gòu)發(fā)生接近時，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，即發(fā)生共振，即發(fā)生橫向風(fēng)振橫向風(fēng)振 。雷諾數(shù)雷諾數(shù) Re= 圓筒式結(jié)構(gòu)三個臨界范圍圓筒式結(jié)構(gòu)三個臨界范圍跨臨界范圍跨臨界范圍： R Re e 3.5 3.5 10 106 6 強風(fēng)共振強風(fēng)共振超臨界范圍超臨界范圍： 10105 5 R Re e 3.5 3.5 10 106 6 呈隨機性呈隨機性亞臨界范圍亞臨界范圍： 10102 2 R Re e 3.0 3.0 10 105 5 微風(fēng)共

35、振微風(fēng)共振3.5 106跨臨界跨臨界3.0 105超臨界超臨界 102亞臨界亞臨界二、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)二、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)1 1、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力 PL= L( v2/2)B L L - -橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與雷諾數(shù)雷諾數(shù)R Re e有關(guān)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，結(jié)構(gòu)橫跨臨界范圍、亞臨界范圍的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用具有周期性，結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)作用力向風(fēng)作用力 P PL L(z,t)= (z,t)= ( v v2 2(z)/2)B(z) (z)/2)B(z) L Lsinsin s st t 風(fēng)旋渦脫落圓頻率風(fēng)旋渦脫落圓頻率 s s=2=2 f

36、fs s= 2= 2 S St t v v(z)/B(z) (z)/B(z) P62 (4-68)P62 (4-68) St- St-斯脫羅哈數(shù)，對圓形截面結(jié)構(gòu)取斯脫羅哈數(shù)，對圓形截面結(jié)構(gòu)取 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振現(xiàn)象結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振現(xiàn)象 橫風(fēng)向風(fēng)作用力頻率（橫風(fēng)向風(fēng)作用力頻率（ f fs s ）與結(jié)構(gòu)橫向自振基本頻率（）與結(jié)構(gòu)橫向自振基本頻率（ f f1 1）接）接近時，結(jié)構(gòu)橫向產(chǎn)生共振反應(yīng)近時，結(jié)構(gòu)橫向產(chǎn)生共振反應(yīng) 鎖住（鎖?。╨ook-inlook-in）區(qū)域）區(qū)域 風(fēng)旋渦脫落頻率風(fēng)旋渦脫落頻率f fs s保持常數(shù)（保持常數(shù)（= =結(jié)構(gòu)橫向自振頻率結(jié)構(gòu)橫向自振頻率f f1 1）的風(fēng)速區(qū)域）的風(fēng)速區(qū)

37、域 跨臨界范圍（確定性振動）跨臨界范圍（確定性振動） 鎖住區(qū)域鎖住區(qū)域: P: PL L(z)sin(z)sin 1 1t t 其它區(qū)域：其它區(qū)域： P PL L(z)sin(z)sin s s(z)t(z)t 亞臨界范圍（確定性振動）亞臨界范圍（確定性振動） P PL L(z)sin(z)sin s s(z)t(z)t 超臨界范圍（隨機振動）超臨界范圍（隨機振動） P PL L(z)(z)f f (t)(t) PL(z)sin s(z)t 跨臨界范圍跨臨界范圍 PL(z)sin st z （確定性振動）（確定性振動） s = 1 鎖住區(qū)域鎖住區(qū)域 y PL(z)sin s(z)t x 超臨界范圍超臨界范圍 v （隨機振動）（隨機振動） PL f(t) 亞臨界范圍亞臨界范圍 （確定性振動）（確定性