《工程荷載風(fēng)荷》課件

工程荷載風(fēng)荷風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的考慮因素之一，它對(duì)建筑物的安全性和穩(wěn)定性有著重要的影響。風(fēng)荷載的大小和方向會(huì)受到多種因素的影響，例如風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物的形狀和高度等。課程目標(biāo)11.風(fēng)荷載概念風(fēng)荷載定義，重要性，與工程安全的關(guān)系。22.風(fēng)荷載計(jì)算掌握風(fēng)荷載計(jì)算方法，公式應(yīng)用，參數(shù)選擇。33.抗風(fēng)設(shè)計(jì)了解抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)措施，驗(yàn)算方法。44.軟件應(yīng)用介紹風(fēng)洞試驗(yàn)，CFD分析軟件在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。什么是風(fēng)荷載風(fēng)荷載是指風(fēng)力作用在建筑物或構(gòu)筑物表面的力。風(fēng)荷載的大小和方向取決于風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物的形狀和尺寸。風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要荷載之一，它會(huì)影響建筑物的穩(wěn)定性和安全性。風(fēng)荷載的產(chǎn)生原因風(fēng)壓風(fēng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣分子不斷撞擊物體表面，產(chǎn)生壓力。地形地貌建筑物周?chē)牡匦蔚孛矔?huì)影響風(fēng)速和風(fēng)向。湍流效應(yīng)建筑物周?chē)娘L(fēng)流會(huì)發(fā)生湍流，產(chǎn)生脈動(dòng)風(fēng)壓。氣象條件風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象因素對(duì)風(fēng)荷載影響很大。風(fēng)荷載的基本特征隨機(jī)性風(fēng)速和風(fēng)向是隨機(jī)變化的，導(dǎo)致風(fēng)荷載不確定性。脈動(dòng)性風(fēng)荷載隨時(shí)間波動(dòng)，瞬時(shí)風(fēng)速大于平均風(fēng)速，需要考慮脈動(dòng)風(fēng)荷載影響。空間分布不均勻不同部位的風(fēng)速和風(fēng)向存在差異，導(dǎo)致風(fēng)荷載分布不均。與建筑物形狀相關(guān)建筑物形狀會(huì)影響風(fēng)荷載大小和方向，需要考慮建筑物體型系數(shù)。風(fēng)荷載的作用類(lèi)型靜風(fēng)荷載建筑物在靜風(fēng)作用下產(chǎn)生的荷載，主要取決于風(fēng)速和建筑物形狀。靜風(fēng)荷載比較穩(wěn)定，可以通過(guò)計(jì)算確定。陣風(fēng)荷載由風(fēng)速突變產(chǎn)生的荷載，具有很大的不確定性，會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生振動(dòng)，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的計(jì)算和分析。湍流荷載由風(fēng)速隨機(jī)變化產(chǎn)生的荷載，會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)作用，需要采用風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法進(jìn)行評(píng)估。設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定1基本風(fēng)速基本風(fēng)速是指在距地面10米高度處，基本風(fēng)壓為100Pa時(shí)的風(fēng)速，通常以50年一遇的風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)速。2地形系數(shù)地形系數(shù)是反映地形對(duì)風(fēng)速的影響程度的系數(shù)，它與地形起伏程度有關(guān)，如山區(qū)、丘陵地區(qū)地形系數(shù)一般大于平原地區(qū)。3高度系數(shù)高度系數(shù)是反映風(fēng)速隨高度變化的系數(shù)，它與建筑物高度和地表粗糙度有關(guān)，建筑物高度越高，風(fēng)速越大。建筑物表面壓力系數(shù)建筑物表面壓力系數(shù)是反映建筑物表面風(fēng)壓分布的無(wú)量綱系數(shù)。壓力系數(shù)的大小受建筑物形狀、尺寸、高度、風(fēng)向、風(fēng)速、地形的影響。1.0正面0.5側(cè)面-0.5背風(fēng)面風(fēng)荷載計(jì)算公式風(fēng)荷載計(jì)算公式用于確定建筑物或結(jié)構(gòu)物在風(fēng)荷載作用下的受力情況，并以此進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)。計(jì)算風(fēng)荷載需要考慮多種因素，包括風(fēng)速、建筑物高度、形狀、表面粗糙度以及周?chē)h(huán)境等。實(shí)例1：高層建筑風(fēng)荷載計(jì)算高層建筑的風(fēng)荷載計(jì)算通常采用風(fēng)荷載系數(shù)法，該方法將風(fēng)荷載分解為沿建筑物表面作用的壓力和吸力。1風(fēng)荷載系數(shù)根據(jù)建筑物形狀、高度、周?chē)h(huán)境等因素確定2設(shè)計(jì)風(fēng)速根據(jù)建筑物所在地的風(fēng)速等級(jí)確定3風(fēng)荷載計(jì)算公式將風(fēng)荷載系數(shù)和設(shè)計(jì)風(fēng)速代入公式計(jì)算計(jì)算得到的風(fēng)荷載用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保建筑物能夠承受風(fēng)力的作用。實(shí)例2：橋梁風(fēng)荷載計(jì)算確定設(shè)計(jì)風(fēng)速根據(jù)橋梁所在地區(qū)的風(fēng)速等級(jí)和風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速。計(jì)算風(fēng)荷載根據(jù)橋梁的形狀、尺寸和風(fēng)速，采用相關(guān)公式計(jì)算風(fēng)荷載。確定橋梁風(fēng)荷載分布考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式和風(fēng)荷載的分布規(guī)律，確定橋梁風(fēng)荷載的分布形式。進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析根據(jù)風(fēng)荷載分布和橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算橋梁的應(yīng)力和變形。驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢查橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保其能夠承受風(fēng)荷載。影響因素分析地形地貌地形地貌對(duì)風(fēng)荷載影響很大，例如山區(qū)、峽谷等特殊地形會(huì)形成強(qiáng)烈的風(fēng)力。建筑物形狀建筑物形狀會(huì)影響風(fēng)荷載的大小和分布，例如高層建筑、橋梁等特殊形狀會(huì)受到更大的風(fēng)荷載。周?chē)h(huán)境周?chē)h(huán)境也會(huì)影響風(fēng)荷載，例如高層建筑之間的風(fēng)荷載相互影響，會(huì)形成復(fù)雜的湍流。風(fēng)向風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)速會(huì)直接影響風(fēng)荷載的大小和方向，例如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)天氣會(huì)造成巨大的風(fēng)荷載。風(fēng)洞試驗(yàn)的作用11.模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)可以模擬真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，包括風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度等，以便對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行風(fēng)荷載測(cè)試。22.評(píng)估結(jié)構(gòu)安全通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)物在不同風(fēng)荷載條件下的響應(yīng)，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)物的抗風(fēng)性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。33.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，降低風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。44.研究風(fēng)致振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)可以研究結(jié)構(gòu)物在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)提供依據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)的原理1模擬風(fēng)場(chǎng)通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)力，模擬真實(shí)環(huán)境中的風(fēng)速和風(fēng)壓。2模型測(cè)試將建筑模型放置在風(fēng)洞中，測(cè)試模型在不同風(fēng)速和風(fēng)向下的受力情況。3數(shù)據(jù)分析分析測(cè)試數(shù)據(jù)，得到建筑物在不同風(fēng)況下的受力特性。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)環(huán)境中的風(fēng)力，測(cè)試建筑模型在不同風(fēng)況下的受力情況，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目風(fēng)荷載測(cè)定不同風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)表面壓力分布、風(fēng)力大小等。風(fēng)振分析不同風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振幅和振動(dòng)模式。氣動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估不同風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)穩(wěn)定性，防止風(fēng)致振動(dòng)和顫振。其他參數(shù)例如：風(fēng)向變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響、氣流擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等。實(shí)例3：風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果通常以圖表形式呈現(xiàn)。例如，可以展示建筑物表面風(fēng)壓分布圖，以及不同風(fēng)速條件下的風(fēng)荷載變化曲線(xiàn)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果還可以用來(lái)評(píng)估建筑物周?chē)娘L(fēng)環(huán)境，例如，風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等。這些信息可以幫助優(yōu)化建筑物的設(shè)計(jì)，減輕風(fēng)荷載對(duì)建筑物的影響。軟件分析的應(yīng)用風(fēng)荷載模擬軟件可模擬風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算風(fēng)力大小，提供風(fēng)荷載分布圖。結(jié)構(gòu)分析軟件可模擬結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形和應(yīng)力，評(píng)估結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能。風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件可分析風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，提高設(shè)計(jì)精度。優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件可優(yōu)化建筑物形狀和結(jié)構(gòu)，減小風(fēng)荷載影響，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實(shí)例4：CFD仿真分析1模型建立建立建筑物模型，并設(shè)置邊界條件2風(fēng)場(chǎng)模擬利用CFD軟件模擬風(fēng)場(chǎng)分布3壓力計(jì)算計(jì)算建筑物表面風(fēng)壓CFD仿真分析，通過(guò)數(shù)值模擬方法，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)建筑物風(fēng)荷載。實(shí)際工程案例風(fēng)荷載在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛。例如，高層建筑、橋梁、體育場(chǎng)館等結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。風(fēng)荷載的計(jì)算和分析是工程設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)，需要結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行綜合分析。荷載組合的考慮組合系數(shù)規(guī)范規(guī)定了不同荷載類(lèi)型之間的組合系數(shù)，如風(fēng)荷載、地震荷載、活荷載等。組合系數(shù)考慮了不同荷載同時(shí)出現(xiàn)的可能性以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。荷載效應(yīng)荷載效應(yīng)是指荷載作用于結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的力或力矩。不同荷載效應(yīng)的組合方式需要根據(jù)規(guī)范的要求進(jìn)行判斷，例如風(fēng)荷載與地震荷載通常是相互獨(dú)立的。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)抵抗風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受風(fēng)荷載的沖擊，保證結(jié)構(gòu)安全。穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)應(yīng)保持穩(wěn)定，避免風(fēng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體傾覆或倒塌。剛度結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的剛度，避免風(fēng)力導(dǎo)致過(guò)大變形或振動(dòng)。減振對(duì)于高聳或輕型結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取減振措施，降低風(fēng)力引起的振動(dòng)?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)算1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算確保結(jié)構(gòu)能夠承受風(fēng)荷載產(chǎn)生的壓力，防止結(jié)構(gòu)破壞。2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下保持穩(wěn)定，避免失穩(wěn)或倒塌。3結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算確保結(jié)構(gòu)能夠承受長(zhǎng)期風(fēng)荷載作用下的疲勞損傷，保證結(jié)構(gòu)使用壽命。結(jié)構(gòu)減振措施阻尼器阻尼器可吸收振動(dòng)能量，減少結(jié)構(gòu)的振幅。隔震裝置隔震裝置將結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔開(kāi)，降低風(fēng)荷載傳遞到結(jié)構(gòu)上的程度。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)諧質(zhì)量阻尼器通過(guò)共振吸收風(fēng)荷載的能量，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，降低風(fēng)荷載的影響。鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)鋼材特性鋼材具有高強(qiáng)度、高彈性模量和良好的延展性，使其成為抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的理想材料。連接方式鋼結(jié)構(gòu)的連接方式通常采用焊接或螺栓連接，確保結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。風(fēng)荷載計(jì)算根據(jù)風(fēng)荷載的分布和大小，設(shè)計(jì)合理的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接方式，確保結(jié)構(gòu)安全。風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)可以模擬實(shí)際風(fēng)荷載作用，驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，確保其抗風(fēng)性能。混凝土結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，提高抗風(fēng)性能。加固措施采用抗風(fēng)加固措施，如設(shè)置抗風(fēng)墻、風(fēng)撐等，提高抗風(fēng)能力。風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料選擇選擇高強(qiáng)度、抗風(fēng)性能優(yōu)良的混凝土材料，提升結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)力的能力。木結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)11.材料特性木材具有較低的密度和抗拉強(qiáng)度，更容易受到風(fēng)荷載的影響。應(yīng)選擇具有高強(qiáng)度和韌性的木材，例如冷杉、松木等。22.結(jié)構(gòu)形式采用合理的結(jié)構(gòu)形式，提高抗風(fēng)能力。例如，使用框架結(jié)構(gòu)，增加橫向支撐，提高整體剛度。33.連接節(jié)點(diǎn)木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)是抗風(fēng)性能的關(guān)鍵。應(yīng)使用強(qiáng)力連接件，如鋼板連接、螺栓連接等，提高節(jié)點(diǎn)的抗風(fēng)能力。44.防護(hù)措施采取相應(yīng)的防風(fēng)措施，例如安裝風(fēng)屏、設(shè)置防風(fēng)林等，降低風(fēng)速對(duì)建筑物的沖擊?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性風(fēng)荷載可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，變形過(guò)大。必須確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。材料強(qiáng)度風(fēng)荷載會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生應(yīng)力，必須保證材料強(qiáng)度足夠，能夠承受風(fēng)荷載帶來(lái)的沖擊和壓力。結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)風(fēng)荷載可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接部位出現(xiàn)疲勞破壞，需注意設(shè)計(jì)連接的強(qiáng)度和耐久性，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。防風(fēng)措施對(duì)于高層建筑、橋梁等重要工程，應(yīng)采取防風(fēng)措施，如風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD模擬分析等，以減少風(fēng)荷載的影響。結(jié)論與展望風(fēng)荷載研究的重要性風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素。合理的風(fēng)