風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用及風(fēng)荷載計(jì)算分析

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公開課課程主題：風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用及風(fēng)荷載計(jì)算分析目錄一、風(fēng)荷載計(jì)算三、風(fēng)振系數(shù)四、陣風(fēng)系數(shù)二、體型系數(shù)五、總結(jié)課程主題：風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用及風(fēng)荷載計(jì)算分析課程內(nèi)容：風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的重點(diǎn)在于體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)。結(jié)合實(shí)際工程、規(guī)范、教材等進(jìn)一步認(rèn)識(shí)體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)。小跨度結(jié)構(gòu)是否可以不用考慮風(fēng)振系數(shù)？結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)與其跨度成正比關(guān)系嗎？什么時(shí)候需要采用陣風(fēng)系數(shù)？兩者有何區(qū)別？通過這一節(jié)的講解，將對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算作系統(tǒng)的梳理和探討。知識(shí)點(diǎn)：風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與運(yùn)用、風(fēng)荷載計(jì)算一、風(fēng)荷載計(jì)算一、風(fēng)荷載計(jì)算一、風(fēng)荷載計(jì)算二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)風(fēng)速壓僅代表自由氣流所具有的功能，不能直接作為風(fēng)荷載的取值。為獲得作用在建筑物表面的平均風(fēng)壓值，需根據(jù)氣流在受到阻礙后的運(yùn)動(dòng)情況，用風(fēng)速壓乘上體型系數(shù)。

設(shè)H高度處的來流風(fēng)速為VH，靜壓為PH，則建筑物H高度i點(diǎn)處的風(fēng)壓Pi通常以無量綱系數(shù)的形式表達(dá)，即“點(diǎn)體型系數(shù)”：對(duì)于貝努利關(guān)系式成立的區(qū)域，得出：二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)所謂“敏感”指的是流動(dòng)情況的微小變化（屋面傾角的小幅變化、來流方向的微小改變或風(fēng)速脈動(dòng)強(qiáng)度的變化等各種因素）就可能造成風(fēng)荷載作用方向的改變。右圖給出了某屋面整體風(fēng)荷載的作用時(shí)程，盡管平均風(fēng)荷載體現(xiàn)為風(fēng)吸力(Fz<0），但在某些時(shí)刻，可能會(huì)出現(xiàn)反向作用的風(fēng)荷載（Fz>0）。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮μs變號(hào)的情況。

由此帶來的問題是μs變號(hào)后如何取值。由右圖可知，風(fēng)荷載反向的主要原因是風(fēng)荷載脈動(dòng)幅度過大，超過了平均風(fēng)荷載。因此，μs變號(hào)只是為了獲得反向風(fēng)荷載的技術(shù)處理，其取值水平應(yīng)當(dāng)小于表征平均風(fēng)壓大小的真實(shí)的μs值。鑒于反向作用的風(fēng)荷載情況較為復(fù)雜，規(guī)范并沒有對(duì)μs變號(hào)后的取值方法做出明確規(guī)定，應(yīng)用中可根據(jù)屋面的體型特征、結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)取值?；驹瓌t是：表征平均風(fēng)壓大小的真實(shí)的μs值絕對(duì)值越高，則考慮反向作用的風(fēng)荷載時(shí)，取定的μs的絕對(duì)值應(yīng)當(dāng)越小

。在未獲得相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)資料或未取得可靠依據(jù)時(shí)，us反號(hào)取值可取0.2。二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)學(xué)校網(wǎng)址：

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掃碼添加客服：二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)二、體型系數(shù)180°0°二、體型系數(shù)0°三、風(fēng)振系數(shù)在風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生振動(dòng)；振動(dòng)著的結(jié)構(gòu)又會(huì)改變其表面風(fēng)荷載分布，即和風(fēng)力之間產(chǎn)生了相互耦合作用。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用可用空氣動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行描述，而結(jié)構(gòu)和風(fēng)力之間的搞合作用可用氣動(dòng)彈性力學(xué)方法進(jìn)行描述。

當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度不大時(shí)，結(jié)構(gòu)和風(fēng)力之間的擱合作用可以忽略不計(jì)。此時(shí)，可將風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用理解為是一種理想動(dòng)力荷載作用。由于風(fēng)是具有隨機(jī)性的空氣流動(dòng)，因而其對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用也具有隨機(jī)性，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)也具有隨機(jī)性。從這個(gè)意義上講，結(jié)構(gòu)風(fēng)振問題可以歸結(jié)為在隨機(jī)動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題。

風(fēng)振系數(shù)法定義峰值響應(yīng)與平均響應(yīng)之比為“風(fēng)振系數(shù)”，以此來表征結(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)荷載在不同方向上的放大作用，即：三、風(fēng)振系數(shù)目前規(guī)范中規(guī)定的荷載風(fēng)振系數(shù)主要針對(duì)高層建筑等以一階振型為主要振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，采用了一階模態(tài)位移響應(yīng)來計(jì)算動(dòng)力風(fēng)荷載。

對(duì)于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的有限元風(fēng)振時(shí)程分析中采用規(guī)范所規(guī)定的這一定義計(jì)算荷載風(fēng)振系數(shù)會(huì)遇到很多問題。首先，由于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)有多振型參與結(jié)構(gòu)振動(dòng)，參振模態(tài)的選取是個(gè)難以解決的問題；其次由于風(fēng)振系數(shù)最初是針對(duì)像高聳結(jié)構(gòu)那種以第一振型為主的懸臂結(jié)構(gòu)提出的，且其結(jié)構(gòu)極值響應(yīng)(頂端位移和基底剪力)明確，而對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的不同部位、不同構(gòu)件之間的等效目標(biāo)不同，因而較難確定荷載風(fēng)振系數(shù)。一般采用基于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，即采用位移風(fēng)振系數(shù)。三、風(fēng)振系數(shù)采用結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移風(fēng)振系數(shù)，會(huì)得到很多計(jì)算結(jié)果，一般采用最不利風(fēng)振系數(shù)，即以最大動(dòng)力響應(yīng)為控制指標(biāo)的整體位移風(fēng)振系數(shù)：式中，{U

wi}

max和{βdi

×Uwi}

max分別為靜風(fēng)荷載作用下的結(jié)點(diǎn)位移最大值和動(dòng)力風(fēng)荷載作用下結(jié)點(diǎn)位移極值的最大值。從統(tǒng)計(jì)的角度看，上式包含了結(jié)點(diǎn)的最大動(dòng)響應(yīng)信息，又包含了靜力計(jì)算時(shí)結(jié)點(diǎn)的最大靜變形，避免了對(duì)風(fēng)振系數(shù)選取的過分保守，因而是比較合理的。盡管對(duì)于某些結(jié)點(diǎn)來說，β*d可能要比實(shí)際的βdi要小，但由于其相應(yīng)的動(dòng)響應(yīng)值較小，對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)不起控制作用，因此并不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全度。三、風(fēng)振系數(shù)從工程設(shè)計(jì)角度，需要提出一個(gè)針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)。但是，若取所有結(jié)點(diǎn)的位移中的最大值的風(fēng)振系數(shù)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移風(fēng)振系數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)特性相差較大時(shí)，可能不見得合理。為此，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分區(qū)，并對(duì)風(fēng)振計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)處理，從而得到針對(duì)結(jié)構(gòu)不同振動(dòng)特點(diǎn)區(qū)域的分區(qū)位移風(fēng)振系數(shù)，第j個(gè)分區(qū)的位移風(fēng)振系數(shù)為：三、風(fēng)振系數(shù)三、風(fēng)振系數(shù)響應(yīng)類型Z向豎向位移（豎直向上）Z向豎向位移（豎直向下）X向水平位移Y向水平位移起控制作用的風(fēng)向60°255°15°255°關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)號(hào)342328835743237響應(yīng)極值（mm）101.70-92.7097.86105.50相應(yīng)平均值（mm）58.18-53.4258.6866.04風(fēng)振響應(yīng)因子1.751.671.671.60整體表示法：三、風(fēng)振系數(shù)結(jié)構(gòu)分區(qū)某個(gè)風(fēng)向角下的分區(qū)風(fēng)振系數(shù)三、風(fēng)振系數(shù)三、風(fēng)振系數(shù)三、風(fēng)振系數(shù)三、風(fēng)振系數(shù)四、陣風(fēng)系數(shù)自然界的風(fēng)都是脈動(dòng)的，其作用在建筑表面的風(fēng)壓也是脈動(dòng)的。右圖給出了一段典型的壓力系數(shù)時(shí)程曲線。由這段時(shí)程可得出一個(gè)平均值（平均壓力系數(shù)）；而由于風(fēng)壓是脈動(dòng)的，在曲線中會(huì)有最高壓力和最低壓力。

四、陣風(fēng)系數(shù)

四、陣風(fēng)系數(shù)引入準(zhǔn)定常假定，即假定建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓和來流的風(fēng)速壓同步脈動(dòng)。換言之，就是認(rèn)為體型系數(shù)不隨時(shí)間變化。在此前提假定下，經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算，脈動(dòng)風(fēng)壓與平均風(fēng)壓的比值等于揣流度的2倍，即：式中z為離地高度，α為風(fēng)剖面指數(shù)，I10

則為各地貌下10m高度的揣流度，A、B、C和D四類地貌分別0.12、0.14、0.23和0.39。此外，由于近地面風(fēng)的不確定性較高，湍流度剖面也和平均風(fēng)速剖面一樣規(guī)定了截止高度，即A、B、C、D四類地貌高度取值分別不應(yīng)小于5m、l0m、15m和30m，也即陣風(fēng)系數(shù)分別不大于1.65,l.70,2.05和2.40。五、總結(jié)1、體型系數(shù)表征建筑形體對(duì)風(fēng)荷載的影響，設(shè)計(jì)時(shí)既要注意風(fēng)吸力的不利影響，又要注意對(duì)風(fēng)荷載敏感時(shí)，正風(fēng)壓力的影響，四邊封閉式風(fēng)壓力體型系數(shù)不小于0.1，四邊敞開式風(fēng)壓力體型系數(shù)建議取值0.2。2、風(fēng)振系數(shù)表征主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有關(guān)，結(jié)構(gòu)剛度越大，風(fēng)振系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)剛度越小，風(fēng)振系數(shù)越大，一般以結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的最大位移與靜力荷載下最大位移的比值來表示，可區(qū)分為分塊風(fēng)振系數(shù)或整體結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)。3、嚴(yán)格意義上講，任何主體結(jié)構(gòu)都存在風(fēng)振系數(shù)，小跨度網(wǎng)架的風(fēng)振系數(shù)