《荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算方法》第三講課件

第四章風(fēng)荷載內(nèi)容提要一、風(fēng)的有關(guān)知識(shí)

二、風(fēng)壓

三、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的幾個(gè)重要概念（自學(xué)）四、順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)

五、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下降一、風(fēng)的形成--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北極赤道大氣熱力學(xué)環(huán)流模型二、兩類(lèi)性質(zhì)的大風(fēng)1、臺(tái)風(fēng)赤道海洋面受日照影響，熱而濕的水汽上升，形成龐大的水汽柱，熱低壓區(qū)和穩(wěn)定的高壓區(qū)之間將產(chǎn)生空氣流動(dòng)。由平衡產(chǎn)生的相互補(bǔ)充的力使之成螺旋狀流動(dòng)。形成暖心（旋轉(zhuǎn)的結(jié)果使渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降）大量空氣從高壓區(qū)傳來(lái)，如此循環(huán)不止。臺(tái)風(fēng)(typoon)第二節(jié)風(fēng)壓1、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=v2/2dlw1dA(w1+dw1)dA風(fēng)壓的形成邊界條件：

2、基本風(fēng)壓w0

按規(guī)定的高度、地貌、時(shí)距等量測(cè)的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓

高度：10米高為標(biāo)準(zhǔn)高度（橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)定為20米）

地貌（地面粗糙度):空曠平坦地貌

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)間第四節(jié)順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)計(jì)算

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、風(fēng)荷載計(jì)算基本公式：1、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載

wz=sz(z)w0

s：風(fēng)荷載體型系數(shù)z(z)：風(fēng)壓高度變化系數(shù)W0：基本風(fēng)壓1）風(fēng)載體型系數(shù)（s）主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周?chē)h(huán)境和地面粗糙度有關(guān)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。

風(fēng)載體型系數(shù)s【例1】封閉式雙坡屋面【例2】封閉式房屋和構(gòu)筑物(正多邊形)+0.8-0.5-0.5s+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？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?！兑?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(lèi)似條件的試驗(yàn)資料確定；必要時(shí)宜通過(guò)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(yáng)臺(tái)、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會(huì)超過(guò)按表所得的平均風(fēng)壓《規(guī)范》GB50009規(guī)定：對(duì)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(duì)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(duì)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0.22）、風(fēng)壓高度變化系數(shù)z地面的粗糙度在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大當(dāng)氣壓場(chǎng)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，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。

GB50009-2001地面的粗糙度類(lèi)別A類(lèi)—近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)B類(lèi)—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(lèi)—有密集建筑群的城市市區(qū)D類(lèi)—有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)見(jiàn)規(guī)范：P26對(duì)于遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物的建筑物和構(gòu)筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)可按A類(lèi)粗糙度類(lèi)別考慮，但應(yīng)乘以修正系數(shù)地面粗糙度近似確定原則（無(wú)實(shí)測(cè)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(lái)區(qū)分粗糙度類(lèi)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(lái)劃分地面粗糙度類(lèi)別，當(dāng)h平均18m，為D類(lèi)，，9mh平均18m為C類(lèi)，h平均9m，為B類(lèi)。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。1、排架結(jié)構(gòu)組成：1.屋面板2.天溝板

3.天窗架

4.屋架

5.托架

6.吊車(chē)梁

7.排架柱

8.抗風(fēng)柱

9.基

礎(chǔ)

10.連系梁

11.基礎(chǔ)梁12.天窗架垂直支撐

13.屋架下弦橫向水平支撐14.屋架端部垂直支撐

15.柱間支撐柱頂以下建筑物表面上的風(fēng)荷載沿高度取為均勻分布，其值分別為（迎風(fēng)面的風(fēng)壓力）q1和q2（背風(fēng)面的風(fēng)吸力），風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按柱頂標(biāo)高取值，其中：作用于柱頂以上的風(fēng)荷載，通過(guò)屋架以集中力Fw形式施加于排架柱頂，（其值為屋架高度范圍內(nèi)的外墻迎風(fēng)面、背風(fēng)面的風(fēng)荷載及坡屋面上風(fēng)荷載的水平分力的總和）。作業(yè)：排架風(fēng)荷載計(jì)算

框架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算實(shí)例基本公式：開(kāi)間≤層高開(kāi)間≥層高答案7.2m7.2m3m4.0m4.1mA2A1AB2B1BC2C1CD2D1D計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：F2=5.2KNF1=10.52KN2、順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)

脈動(dòng)風(fēng)—隨機(jī)動(dòng)力作用→按隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行分析-自學(xué)

順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)=順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)+順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)：w(z)=z

sz(z)w0

計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)：

w(z)=gz

s1z(z)w0

z

–高度z處的風(fēng)振系數(shù)，且z=1+z/

gz

–高度z處的陣風(fēng)系數(shù)GB50009規(guī)定：

基本自振周期T1>0.25s的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)）

高度H>30m且高寬比H/B>1.5的高柔房屋考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，否則按靜風(fēng)考慮第五節(jié)橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)

一、橫風(fēng)向風(fēng)振（對(duì)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。二、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng)1、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力

PL=L(v2/2)B

L-橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與雷諾數(shù)Re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)橫向風(fēng)作用力PL(z,t)=(v2(z)/2)B(z)Lsinst風(fēng)旋渦脫落圓頻率s=2fs=2Stv(z)/B(z)P62(4-68)St-斯脫羅哈數(shù)，對(duì)圓形截面結(jié)構(gòu)取0.22、結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)對(duì)圓形截面的結(jié)構(gòu),應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同情況進(jìn)行橫向風(fēng)振(旋渦脫落)的校核。當(dāng)Re

3.0105時(shí)（亞臨界的微風(fēng)共振）應(yīng)控制結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH不超過(guò)臨界風(fēng)速vcr，即vHvcr。(4-70)f1—結(jié)構(gòu)基本自振頻率；St—斯脫羅哈數(shù)，St=fsD/v