第三講：風(fēng)荷載(6課時(shí)) 2

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

第三講：風(fēng)荷載主講人：賈玲玲Email：jll8123@33風(fēng)的基本概念與類型風(fēng)是大氣層中空氣的流動(dòng)。由于地球表面不同地區(qū)的大氣層所吸收的太陽(yáng)能量不同，造成了各地空氣溫度的差異，產(chǎn)生的氣壓差驅(qū)動(dòng)空氣從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動(dòng)，即形成了風(fēng)常見的自然災(zāi)害風(fēng)類型：熱帶氣旋、季風(fēng)和龍卷風(fēng)441.1熱帶氣旋發(fā)生在熱帶海洋上的大氣漩渦，是熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)的總稱。1)概念隨地區(qū)不同而異，主要由太陽(yáng)輻射在洋面所產(chǎn)生的大量熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能而產(chǎn)生。55熱帶氣旋劃分標(biāo)準(zhǔn)①熱帶低壓平均最大風(fēng)力小于8級(jí)②熱帶風(fēng)暴平均最大風(fēng)力8~9級(jí)③強(qiáng)熱帶風(fēng)暴平均最大風(fēng)力為10~11級(jí)④臺(tái)風(fēng)平均最大風(fēng)力為12級(jí)或12級(jí)以上風(fēng)力等級(jí)表88急速旋轉(zhuǎn)的暖濕氣團(tuán)，直徑在300～1000km不等。靠近臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)速常超過(guò)每180km/h，由中心到臺(tái)風(fēng)邊緣風(fēng)速逐漸減弱。臺(tái)風(fēng)88是一個(gè)很強(qiáng)大的空氣旋渦，由中心到外依次是風(fēng)眼、眼壁，螺旋云帶。螺旋云伴隨著大風(fēng)、陣雨；越靠近中心，空氣旋轉(zhuǎn)速度越大，并且突然轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)。在云墻、眼壁發(fā)生摧毀性的暴風(fēng)驟雨；向中心處，風(fēng)速和雨勢(shì)驟然減小；到達(dá)臺(tái)風(fēng)眼處，氣壓最低，濕度最高，天氣晴朗。臺(tái)風(fēng)特征1010臺(tái)風(fēng)氣向云圖2000年夏“杰拉華”臺(tái)風(fēng)的衛(wèi)星照片99臺(tái)風(fēng)的影響危害在海上移動(dòng)時(shí)，會(huì)掀起巨浪，引起狂風(fēng)暴雨，對(duì)航行的船只造成嚴(yán)重威脅；登陸時(shí)，狂風(fēng)暴雨給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。益處給肥沃的土地帶來(lái)豐沛的雨水，形成適宜的氣候。12121.2季風(fēng)由內(nèi)陸和海洋空氣溫差引起的風(fēng)。在冬季由內(nèi)陸吹向海洋，夏季由海洋吹向內(nèi)陸。含義形成原因主要是海陸間熱力環(huán)流的季節(jié)變化。夏季大陸增熱比海洋劇烈，產(chǎn)生從大陸指向海洋的水平氣壓梯度，空氣從海洋流向大陸，形成了與高空方向相反氣流，構(gòu)成夏季的季風(fēng)環(huán)流。與之相反，同樣的原理，形成冬季的季風(fēng)環(huán)流。13131.2季風(fēng)①是大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)向隨季節(jié)改變的現(xiàn)象；季風(fēng)的三大特點(diǎn)②隨著風(fēng)向變換，控制氣團(tuán)的性質(zhì)也產(chǎn)生轉(zhuǎn)變；③隨著盛行風(fēng)向的變換，帶來(lái)明顯的天氣氣候變化。14141.3龍卷風(fēng)呈漏斗狀，移動(dòng)速度通常超過(guò)每小時(shí)300公里。是一個(gè)旋轉(zhuǎn)猛烈的圓形空氣柱，上端與雷雨云相接，下端或者懸在半空中，或者直接延伸到地面或水面。1)含義1414龍卷風(fēng)特征發(fā)生在海上，猶如“龍吸水”，稱為“水龍卷”；出現(xiàn)在陸地上，將卷?yè)P(yáng)塵土，卷走房屋、樹木，稱為“陸龍卷”。主要發(fā)生地一般情況下，風(fēng)速在50~150m/s，極端情況下，達(dá)到300m/s或超過(guò)聲速。國(guó)外，主要發(fā)生在美國(guó)，其次是墨西哥英國(guó)意大利、澳大利亞、新西蘭，日本等。我國(guó)主要發(fā)生在華南和華東地區(qū)，此外，還經(jīng)常出現(xiàn)在南海的西沙群島上，范圍較小，壽命也相對(duì)比較短促。15151.4其它類型的風(fēng)雷爆風(fēng)：由水蒸氣在高空冷凝引起的，瞬時(shí)風(fēng)速一般為54~90km/h，發(fā)生時(shí)還伴有閃電、雷鳴和陣雨。熱燥風(fēng)：由于下沉運(yùn)動(dòng)使空氣運(yùn)動(dòng)升高，濕度降低的風(fēng)，常出現(xiàn)在山脈的背風(fēng)面。布拉風(fēng)：常發(fā)生在陡峭斜坡隔開的高地與平地之間。1616風(fēng)災(zāi)害20世紀(jì)特大風(fēng)災(zāi)情況1900年，美國(guó)加爾維斯頓島，颶風(fēng)，6000人遇難1985年，加拿大、美國(guó)，龍卷風(fēng)，死亡200余人，直接經(jīng)濟(jì)損失3億美元1991年，中國(guó)海南島，臺(tái)風(fēng)，50萬(wàn)人口受災(zāi)，32人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失6.3億多元1992年，美國(guó)，弗羅里達(dá)，颶風(fēng)，經(jīng)濟(jì)損失300多億美元1998年，印度內(nèi)陸地區(qū)，熱帶風(fēng)暴，死亡1000多人，直接經(jīng)濟(jì)損失4億美元2005年，美國(guó)新奧爾良，颶風(fēng)，死亡1200多人，經(jīng)濟(jì)損失1000多億美元1717臺(tái)風(fēng)災(zāi)害實(shí)例1：1994年8月21日晚，9417號(hào)臺(tái)風(fēng)在浙江省溫州市登陸，最大風(fēng)力在12級(jí)以上，溫州沿海受12級(jí)以上風(fēng)力襲擊的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，伴有大雨和大潮，受災(zāi)人口達(dá)1100萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)100億元。實(shí)例2：2001年9月16日，“納莉”臺(tái)風(fēng)在中國(guó)臺(tái)灣北部登陸，風(fēng)力強(qiáng)勁，臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速145km/h,瞬間達(dá)180km/h,同時(shí)帶來(lái)持續(xù)降雨，出現(xiàn)嚴(yán)重積水，臺(tái)灣島內(nèi)交通完全癱瘓。實(shí)例3：

2000年8月第10號(hào)臺(tái)風(fēng)給我國(guó)東南沿海各省造成極大損失：福建有1100多棟房屋被毀、鐵路中斷、山體滑坡；浙江省樂(lè)清市就毀壞近700棟房屋；臺(tái)灣省經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)新臺(tái)幣40多億元。臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈3838風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用引起的結(jié)果①使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到過(guò)大的風(fēng)力或不穩(wěn)定②使結(jié)構(gòu)開裂或留下較大的殘余變形③使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大的撓度變形④引起結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損壞⑤由于過(guò)大的振動(dòng)，建筑物的居住者主要內(nèi)容1，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及相關(guān)系數(shù)的確定2，單層房屋上的風(fēng)荷載計(jì)算3，高層、多層房屋上的風(fēng)荷載及總風(fēng)荷載的計(jì)算4，特殊情況下的風(fēng)荷載計(jì)算及本章小結(jié)基本風(fēng)壓w0以當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔想x地10m高統(tǒng)計(jì)所得的50年一遇10min平均最大風(fēng)速v0(m/s)為標(biāo)準(zhǔn)，按w0=v02/1600確定(荷載規(guī)范)按規(guī)定的地貌、高度、時(shí)距等測(cè)量的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓成為基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓的規(guī)定條件1，標(biāo)準(zhǔn)高度的影響2，標(biāo)準(zhǔn)地貌的影響3，公稱風(fēng)速的時(shí)距（10min）4，最大風(fēng)速的樣本時(shí)間5，基本風(fēng)速的重現(xiàn)期基本風(fēng)壓w0基本風(fēng)壓的調(diào)整對(duì)基本風(fēng)壓的說(shuō)明風(fēng)壓高度變化系數(shù)mz反映了風(fēng)壓隨高度的變化規(guī)律：風(fēng)速由地面為零沿高度按曲線逐漸增大，至距地面某一高度（300-500m）達(dá)到最大，上層風(fēng)速受地面影響小，風(fēng)速穩(wěn)定。風(fēng)壓高度變化系數(shù)定義為任一高度處的風(fēng)壓與B類粗糙度、標(biāo)準(zhǔn)高度為10m處的風(fēng)壓的比值地面粗糙度：由地貌、樹木，房屋等形成的地表摩擦層，不同的地面粗糙度，風(fēng)速和風(fēng)壓也不相同，地面粗糙度越大，對(duì)氣流的干擾越大?！兑?guī)范》將地面粗糙度分為A、B、C、D四類梯度風(fēng)速梯度風(fēng)高度風(fēng)載體型系數(shù)ms風(fēng)對(duì)房屋表面的作用力不等于基本風(fēng)壓值，風(fēng)的作用力隨房屋體型、尺度、表面位置，表面狀況有關(guān)。風(fēng)作用在建筑物表面上所引起的實(shí)際壓力與來(lái)流風(fēng)的速度壓的比值——風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)建筑物表面任一點(diǎn)的凈風(fēng)壓力除以建筑物來(lái)流風(fēng)壓，再加權(quán)平均風(fēng)載體型系數(shù)ms描述了房屋表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與房屋的體型和尺度有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)采用各個(gè)表面風(fēng)作用力的平均值

《高層混凝土規(guī)程》的補(bǔ)充規(guī)定《高層混凝土規(guī)程》的補(bǔ)充規(guī)定對(duì)風(fēng)荷載體形系數(shù)的討論4040合理的建筑體型①流線形平面采用圓形或橢圓形等流線形平面的樓房，有利于減少作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載；采用三角形或矩形平面的高樓，轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)成圓角或切角，可以減少轉(zhuǎn)角處的風(fēng)壓集中②截錐狀體形采用上小下大的截錐狀體形，可以減小樓房上部較大的風(fēng)荷載，并較小了風(fēng)荷載引起的傾覆力矩③不大的高寬比房屋高寬比是衡量一幢高樓抗側(cè)剛度和側(cè)移控制的一個(gè)主要指標(biāo)4242④透空層高樓在風(fēng)力作用下，應(yīng)風(fēng)面產(chǎn)生正壓力，背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)壓力，高樓受到很大的水平荷載⑤并連高樓群減少了高樓頂部的側(cè)移和風(fēng)振加速度風(fēng)振系數(shù)實(shí)際風(fēng)壓、平均風(fēng)壓（穩(wěn)定風(fēng)壓），脈動(dòng)風(fēng)壓穩(wěn)定風(fēng)壓：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移脈動(dòng)風(fēng)壓：使結(jié)構(gòu)在上述側(cè)移附近左右振動(dòng)，表現(xiàn)形式主要為順風(fēng)向振動(dòng)、常會(huì)伴隨橫風(fēng)向振動(dòng)，甚至?xí)霈F(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)高聳構(gòu)筑物和高層建筑風(fēng)振效應(yīng)的影響因素主要取決于結(jié)構(gòu)自身的剛度（高度）：剛度越小（高度越大），自振周期越長(zhǎng)，動(dòng)力效應(yīng)越明顯規(guī)范中以房屋的高度、結(jié)構(gòu)的自振周期、結(jié)構(gòu)的高寬比作為確定風(fēng)振系數(shù)的主要參數(shù)《規(guī)范》的規(guī)定風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算脈動(dòng)增大系數(shù)-《高層混凝土規(guī)程》脈動(dòng)增大系數(shù)-《荷載規(guī)范》脈動(dòng)影響系數(shù)(1)脈動(dòng)影響系數(shù)(2)振型系數(shù)（1）振型系數(shù)（2）：《荷規(guī)》附錄F《規(guī)范》給出了三種情況下結(jié)構(gòu)的前四階振型的振型系數(shù)迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于高度的高聳結(jié)構(gòu)截面沿高度有規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大的高層結(jié)構(gòu)1.在相同基本風(fēng)壓和高度的前提下，哪一種地理環(huán)境下風(fēng)壓最小

。（A）海岸地區(qū)（B）中小城鎮(zhèn)（C）大城市市郊（D）大城市市區(qū)2.風(fēng)荷載體型系數(shù)主要與哪些因素有關(guān)

。

(A)建筑物的體型

(B)建筑物的高度

(C）建筑物的尺度（尺寸）（D）建筑物所處的場(chǎng)地條件風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值單層房屋的風(fēng)荷載計(jì)算（1）單層房屋的風(fēng)荷載計(jì)算（2）3.2風(fēng)荷載

總風(fēng)荷載總風(fēng)荷載為建筑物各個(gè)表面上承受風(fēng)力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個(gè)互相垂直的方向分別計(jì)算總風(fēng)荷載。

z高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)Wz1Wz2Wz3Wz4例題1例題2例題3作用于高層房屋上風(fēng)荷載特點(diǎn)5656高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求①為了使高層建筑不會(huì)發(fā)生破壞、倒塌、結(jié)構(gòu)開裂，殘余變形過(guò)大現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度要求②為防治隔墻開裂，建筑裝飾及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足剛度設(shè)計(jì)的要求。③須滿足舒適度的設(shè)計(jì)要求高層房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的原則多層房屋的風(fēng)荷載考慮風(fēng)振的情形

(1)H＞30m、H/B(窄邊寬度)＞1.5同時(shí)滿足(2)自振周期T1＞0.25s的高聳結(jié)構(gòu)(3)跨度＞36m的屋蓋高層建筑自振周期的確定《荷載規(guī)范》總風(fēng)荷載的確定風(fēng)荷載的等效換算例題4例題5基本風(fēng)壓的調(diào)整對(duì)基本風(fēng)壓的說(shuō)明振型系數(shù)（1）例6∶已知剪力墻結(jié)構(gòu)如圖所示，38層，123.5m高，位于城市郊區(qū)Ⅱ類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓，已知結(jié)構(gòu)基本自振周期1.9s。(墻厚300mm)求：在橫向風(fēng)荷載作用下一層底的剪力及傾覆力矩111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將建筑物分為5段，每段頂標(biāo)高取在樓層處，每段中點(diǎn)距地面的距離作為計(jì)算風(fēng)壓高度，地面粗糙度，位于城市郊區(qū)為B類，

高度(m)12.2536.961.786.5111.21.061.501.792.002.16(4)求風(fēng)振系數(shù)高度高寬比解：1、求風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(1)基本風(fēng)壓值(2)風(fēng)荷載體形系數(shù)(3)風(fēng)壓高度變化系數(shù)脈動(dòng)影響系數(shù)：脈動(dòng)增大系數(shù)：各高度處風(fēng)振系數(shù)：(5)各段風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值(6)求各段風(fēng)載集中標(biāo)準(zhǔn)值各分段間風(fēng)載集中標(biāo)準(zhǔn)值：（B—受風(fēng)寬度）111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m(7)基底剪力：基底彎矩：作業(yè)特殊情況下的風(fēng)荷載計(jì)算-群樓效應(yīng)特殊情況下的風(fēng)荷載計(jì)算-山區(qū)風(fēng)荷載例題7例題8美國(guó)舊金山金門大橋，1937年建成，主跨1280m。橋面加勁鋼桁架的寬跨比為1：47，而高跨比僅為1：168，在當(dāng)時(shí)為最小。但有時(shí)在風(fēng)力作用下左右搖擺的幅度竟達(dá)4m，使得該橋有時(shí)不得不停止使用。1940年美國(guó)西海岸華盛頓州塔科馬峽谷橋因共振發(fā)生塌橋事故！風(fēng)災(zāi)

工程領(lǐng)域中最著名的風(fēng)災(zāi)破壞為美國(guó)Tacoma懸索橋的風(fēng)毀事件。對(duì)于高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、柔性大跨橋梁、輸電塔和渡槽等受風(fēng)面積大的柔性結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)具有同等的重要意義。Tacoma橋在風(fēng)中整體坍塌（視頻）照片說(shuō)明中跨的扭曲運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致它首先破壞塔科馬大橋主跨853m，寬跨比1：79，高跨比為1；350，比金門大橋還要柔。大橋建成后即顯柔度太大，最初在風(fēng)中行車的震蕩還是豎向的，使用幾個(gè)月后，震蕩突然變?yōu)榕まD(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)最大時(shí)，右邊人行道比左邊高出8.5m此照片是在路面混凝土開始掉落大橋在11點(diǎn)鐘之前塌落搶拍下來(lái)的。裝配板和鋼梁扭曲、彎曲的情況大橋塌落瞬間大橋最后竟在風(fēng)速不大（56~67km/h)時(shí)因震蕩幅度過(guò)大，產(chǎn)生共振塌落。大橋塌落之后拍下來(lái)的照片塔科馬新橋20世紀(jì)40年代以前，作為大跨度橋梁的懸索橋沒(méi)有發(fā)生過(guò)事故。這就導(dǎo)致了一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論：