第二讲混凝土课件

第三章第三章 侧压力侧压力内容提要内容提要 第一节第一节 土的侧压力土的侧压力 第二节第二节 水压力和流水压力水压力和流水压力 第三节第三节 波浪荷载波浪荷载 第四节第四节 冻胀力冻胀力 第五节第五节 冰压力冰压力 第六节第六节 撞击力撞击力第一节、土的侧压力第一节、土的侧压力 一、土侧压力的分类一、土侧压力的分类 土的侧压力土的侧压力 挡土墙后的填土因挡土墙后的填土因自重自重或或外荷载外荷载作用对墙背产生的侧向作用对墙背产生的侧向压力压力 土侧压力的大小及其分布规律土侧压力的大小及其分布规律 挡土墙可能的运动方向；墙后填土的种类；填土面的形式；墙的截面挡土墙可能的运动方向；墙后填土的种类；填土面的形式；墙的截面刚度；地基的变形等刚度；地基的变形等 土压力分类土压力分类（墙的位移情况墙的位移情况及及墙后填土所处的状态墙后填土所处的状态）静止土压力静止土压力 E E0 0 主动土压力主动土压力 E Ea a 被动土压力被动土压力 E Ep p 1 1、静止土压力静止土压力(earth pressure at restearth pressure at rest)如如果果挡挡土土墙墙在在土土压压力力作作用用下下不不发发生生移移动动或或转转动动而而保保持持原原来来位位置置，则则墙墙后后土土体体处处于于弹弹性性平平衡衡状状态态，此此时时墙墙背背所所受受的的土土压压力力称称为为静静止止土土压压力力 以符号以符号E E0 0表示表示2 2、主动土压力主动土压力 (active earth pressureactive earth pressure)当当挡挡土土墙墙在在填填土土产产生生的的土土压压力力作作用用下下向向墙墙前前移移动动和和转转动动时时，随随着着位位移移量量的的增增大大，作作用用于于墙墙后后的的土土压压力力逐逐渐渐减减少少，当当位位移移量量达达某某一一（微微量量）值值时时，墙墙后后土土体体处处于于主主动动极极限限平平衡衡状状态态，此此时时作作用用于于墙墙背背上上的的土土压压力力称称为主动土压力为主动土压力 以符号以符号E Ea a表示表示3 3、被动土压力被动土压力(passive earth pressurepassive earth pressure)当挡土墙当挡土墙在外荷载作用在外荷载作用下下推向土体推向土体时，随着墙向后位移量的增加，土时，随着墙向后位移量的增加，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到下达到被动极限平衡状态被动极限平衡状态时，作用于墙背上的土压力称为时，作用于墙背上的土压力称为被动土压力被动土压力以符号以符号E Ep p表示表示4 4、E E0 0、E Ea a、E Ep p三者的关系三者的关系（如图如图）试验研究表明：试验研究表明：在相同条件下，主动土压力在相同条件下，主动土压力E Ea a小于静止土压力小于静止土压力E E0 0 ，而静止土压力而静止土压力E E0 0又小于被动土压力又小于被动土压力E Ep p ，即，即 E Ea a E E0 0 0.5mh0.5m时考虑波浪对构筑物的作用力）时考虑波浪对构筑物的作用力）波浪的特性；波浪的特性；构筑物类型构筑物类型；当地的地形地貌；海底坡度等；当地的地形地貌；海底坡度等 根据经验确定根据经验确定 构筑物的分类构筑物的分类（L/L/=构筑物水平轴线长度构筑物水平轴线长度/浪高波长浪高波长）P25，表，表3-1 L/0.2 1.0 桩柱桩柱 墩柱墩柱 直墙或斜坡直墙或斜坡 直墙直墙(L/(L/1.01.0)上的波浪荷载计算上的波浪荷载计算 考虑三种波浪：考虑三种波浪：立波立波 近区破碎波近区破碎波 构筑物附近半个波长范围内（构筑物附近半个波长范围内（/2/2）发生破碎的波）发生破碎的波 远区破碎波远区破碎波 距直墙半个波长以外（距直墙半个波长以外（/2/2）发生破碎的波）发生破碎的波 内侧内侧 p/1 p1 外侧外侧 海平面海平面 h+h0 h-h0 H p/2 p2（1 1）立波的压力立波的压力-SainflowSainflow方法（最古老、最简单）方法（最古老、最简单）有限水深立波的一次近似解有限水深立波的一次近似解适用范围适用范围：H(H(水深水深)/)/=0.135=0.135 0.200.20；h(h(浪高浪高)/)/0.0350.035波谷压强波谷压强波峰压强波峰压强 海平面海平面 Z=h1(波高波高)pmax h1/3 H db (db 波浪破碎时的水深波浪破碎时的水深)b Pmax/2(2)(2)远区破碎波的压力远区破碎波的压力-距直墙半个波长以外（距直墙半个波长以外（/2/2 ）发生破碎）发生破碎破碎波对直墙的作用力破碎波对直墙的作用力相当于一股水流冲击直墙时产生的波压力相当于一股水流冲击直墙时产生的波压力h h1 1远区破碎波的波高；远区破碎波的波高；d db b波浪破碎时的水深。波浪破碎时的水深。作用于直墙上的最大压墙：作用于直墙上的最大压墙：（P26P26，3-253-25）KK试验确定，一般取试验确定，一般取1.71.7；波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定）波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定）水的密度，水的密度，kg/mkg/m3 3；gg重力加速度（重力加速度（9.81m/s9.81m/s2 2）。（3 3）近区破碎波的压力）近区破碎波的压力 构筑物附近半个波长范围内（构筑物附近半个波长范围内（/2/2 ）发生破碎）发生破碎 破碎波对直墙的作用力破碎波对直墙的作用力 瞬时动水压力瞬时动水压力 近区破碎波的压力计算方法近区破碎波的压力计算方法 MinikinMinikin法法 MinikinMinikin法法 最大动水压力发生在静水面；最大动水压力发生在静水面；近区破碎波的压强近区破碎波的压强 =动水压强动水压强 +静水压强静水压强 动水压力分布动水压力分布 呈抛物线分布，在呈抛物线分布，在 h hb b/2/2静水面范围内，最大动水压强静水面范围内，最大动水压强p pm m在静水面处。在静水面处。其中，其中，h hb b破碎波的波高；破碎波的波高；对应于水深为对应于水深为D D处的波长处的波长 y pm hb/2 动压强分布动压强分布 x hb/2 静水面静水面 静压强分布静压强分布ps H D 堆石基床堆石基床 静水压强分布静水压强分布 p ps s第第 四四 节节 冻冻 胀胀 力力 一、冻土的概念一、冻土的概念 具有负温或零温度（具有负温或零温度（0 00 0c c），），其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土体其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土体 冻土的分类冻土的分类（按冻土存在的时间）（按冻土存在的时间）多年冻土（或永冻土）多年冻土（或永冻土）冻结持续时间冻结持续时间3 3年的土层年的土层 约占全国总面积的约占全国总面积的21.5%21.5%季节冻土季节冻土 每年冬季冻结，夏季全部融化的土层每年冬季冻结，夏季全部融化的土层 约占全国总面积的约占全国总面积的75%75%瞬时冻土瞬时冻土 冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层二、冻土的性质二、冻土的性质 冻土的基本成分冻土的基本成分 固态的土颗粒固态的土颗粒 +冰冰 +液态水液态水 +气体、水气复杂的气体、水气复杂的多相天然复合体多相天然复合体 结构构造：结构构造：非均质、各相异性的多孔介质非均质、各相异性的多孔介质三、季节冻土与结构的关系三、季节冻土与结构的关系 冬季低温时结构物冬季低温时结构物冻胀破坏冻胀破坏 开裂、断裂、严重者造成结构物倾覆等开裂、断裂、严重者造成结构物倾覆等 春季融化期间引起地基沉降，对结构产生春季融化期间引起地基沉降，对结构产生变形作用变形作用四、土的冻胀原理四、土的冻胀原理 土体冻胀三要素：土体冻胀三要素：水分水分 +土质土质 +负温度负温度 冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）土土体体冻冻结结不不均均匀匀膨膨胀胀向向四四面面扩扩张张的的内内应应力力（即即冻冻胀胀力力）（在在封封闭体系中闭体系中）冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层冰夹层、冰透镜层(聚冰现象聚冰现象)冻层膨胀冻层膨胀 冻结峰面冻结峰面 （水分迁移）（水分迁移）水分水分 土土的冻胀的冻胀原理原理 H 五、冻胀力的分类五、冻胀力的分类切向冻胀力切向冻胀力 作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔力作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔力法向冻胀力法向冻胀力 nono垂直于基底冰结面和基础底面垂直于基底冰结面和基础底面水平冻胀力水平冻胀力 hoho垂直于基础或结构物侧表面垂直于基础或结构物侧表面水平冻胀力水平冻胀力 ho法向冻胀力法向冻胀力 no切向冻胀力切向冻胀力 六、冻胀力的计算六、冻胀力的计算1 1、切向冻胀力切向冻胀力 -按按单位切向冻胀力单位切向冻胀力取值取值 单位切向冻胀力：单位切向冻胀力：平均单位切向冻胀力平均单位切向冻胀力 （k kp pa a）相对平均单位冻胀力相对平均单位冻胀力T Tk k(kN/m(kN/m)一般按平均单位切向力计算（按一般按平均单位切向力计算（按建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范JGJ94-JGJ94-9494）与基础接触的冻深（与基础接触的冻深（m m）总的切向冻胀力总的切向冻胀力 T T=U H U H 与冻土接触的基础周长（与冻土接触的基础周长（m m）2 2、法向冻胀力法向冻胀力 nono-影响因素复杂，随诸因素变化而变化影响因素复杂，随诸因素变化而变化 影响因素：冻土的各种特性；影响因素：冻土的各种特性；冻土层底下未冻土的压缩性；冻土层底下未冻土的压缩性；作用于冻土层上的外部压力；作用于冻土层上的外部压力；结构物抗变形能力等结构物抗变形能力等 日本：日本：nono=E E =E=E h/H h/H （P31P31，3-363-36）hh冻胀量；冻胀量；HH冻结深度；冻结深度；EE冻土弹性模量冻土弹性模量 3 3、水平冻胀力水平冻胀力 hoho -没有确定的计算公式，按基于现场或室内测试给出的经验值没有确定的计算公式，按基于现场或室内测试给出的经验值 细粒土的最大冻胀力：细粒土的最大冻胀力：100100 150kpa150kpa 粗粒土的最大冻胀力：粗粒土的最大冻胀力：5050 100kpa100kpa第五节第五节 冰冰 压压 力力 一、冰压力的概念一、冰压力的概念 位位于于冰冰凌凌河河流流和和水水库库中中的的结结构构物物（如如桥桥墩墩等等），由由于于冰冰层层的的作作用用对对结构产生的压力结构产生的压力二、冰压力的计算二、冰压力的计算 对具有竖向前棱的桥墩，冰压力可按下述规定取用：对具有竖向前棱的桥墩，冰压力可按下述规定取用：冰对桩或墩产生的冰压力标准值冰对桩或墩产生的冰压力标准值注注(1)(1)列表冰温系数可线性内插；列表冰温系数可线性内插；(2)(2)对对海冰，冰温取结冰期最低冰温海冰，冰温取结冰期最低冰温；对；对河冰河冰,取解冻期最低冰温取解冻期最低冰温。冰压力的合力作用于计算结冰水位以下冰压力的合力作用于计算结冰水位以下0.30.3倍冰厚处。倍冰厚处。第六节第六节 撞击力撞击力 位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台,设计时应考虑船舶或漂流设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用物的撞击作用 撞击作用标准值取用或计算撞击作用标准值取用或计算 当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按下表采用；当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按下表采用；四、五、六、七级航道内的钢筋混凝土桩墩，顺桥向撞击作用标准值可四、五、六、七级航道内的钢筋混凝土桩墩，顺桥向撞击作用标准值可按下表所列数值的按下表所列数值的50%50%考虑。考虑。当缺乏实际调查资料时，海轮撞击作用标准值可按下表采用。当缺乏实际调查资料时，海轮撞击作用标准值可按下表采用。可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩的自身抗撞击能力、桥墩可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩的自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做桥桥墩设施的设计墩设施的设计。当设有与墩台分开的。当设有与墩台分开的防撞击的防护结构防撞击的防护结构时，桥墩可不计船舶时，桥墩可不计船舶的撞击作用。的撞击作用。漂流物横桥向撞击力标准漂流物横桥向撞击力标准值值 撞击作用点撞击作用点 内河船舶的撞击作用点，假定为内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位线计算通航水位线以上以上2m2m的桥墩宽度或长的桥墩宽度或长度的中点。度的中点。海轮船舶撞击作用点需视实际情况而定。海轮船舶撞击作用点需视实际情况而定。漂流物的撞击作用点假定在漂流物的撞击作用点假定在计算通航水位线计算通航水位线上桥墩宽度的中点上桥墩宽度的中点 桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用 汽车撞击力标准值在车辆行使方向取汽车撞击力标准值在车辆行使方向取1000kN1000kN，在车辆垂直方向取在车辆垂直方向取500kN500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2m1.2m处，直接处，直接分布于撞击涉及的构件上。分布于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力标准值予以折减，但折减后汽车撞击力标准值不应低于上述规定取值力标准值予以折减，但折减后汽车撞击力标准值不应低于上述规定取值的的1/61/6。知识点知识点（19941994年年2 2月月2121日水利部水管日水利部水管19941061994106号通知）号通知）河河道道的的等等级级划划分分，主主要要依依据据河河道道的的自自然然规规模模及及其其对对社社会会、经经济济发发展展影响的重要程度影响的重要程度等因素确定。等因素确定。河河道道划划分分为为五五个个等等级级，即即一一级级河河道道、二二级级河河道道、三三级级河河道道、四四级级河河道、五级河道。道、五级河道。河河道道等等级级划划分分程程序序：一一、二二、三三级级河河道道由由水水利利部部认认定定；四四、五五级级河河道由省、自治区、直辖市水利（水电）厅（局）认定。道由省、自治区、直辖市水利（水电）厅（局）认定。在河道分级指标表中满足（在河道分级指标表中满足（1 1）和（）和（2 2）项或（）项或（1 1）和（）和（3 3）项者，可）项者，可划分为相应等级；不满足上述条件，但满足（划分为相应等级；不满足上述条件，但满足（4 4）、（）、（5 5）、（）、（6 6）项之一，）项之一，且（且（1 1）、（）、（2 2）或（）或（1 1）、（）、（3 3）项不低于下一个等级指标者，可划为相）项不低于下一个等级指标者，可划为相应等级。应等级。图示为一地下式钢筋混凝土圆形水池，试回答下列各问题：（1）试分析作用于水池壁上的土侧压力的大小及分布。（2）试分析作用于水池壁上的水侧压力的大小及分布。作 业试问在确定直墙上的波浪荷载时，对下列各种波浪应分别采用什么样的理论？并绘出其波浪压强的分布图。（1）立波；（2）近区破碎波；（3）远区破碎波第四章第四章 风荷载风荷载内容提要内容提要 第一节第一节 风的有关知识风的有关知识 第二节第二节 风压风压 第三节第三节 结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念 第四节第四节 顺风向结构风效应顺风向结构风效应 第五节第五节 横风向结构风效应横风向结构风效应 第一节第一节 风的有关知识风的有关知识 赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压赤道和低纬度地区：受热量较多，气温高，空气密度小、气压小小,且大气因加热膨胀，且大气因加热膨胀，由表面向高空上升由表面向高空上升 极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度大、极地和高纬度地区：受热量较少，气温低，空气密度大、气压气压大大 ，且大气因冷却收缩由，且大气因冷却收缩由高空向地表上升高空向地表上升一、风的形成一、风的形成-空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成 地表上存在气压差或压力梯度地表上存在气压差或压力梯度北极北极赤道赤道大气热力学环流模型大气热力学环流模型二、两类性质的大风二、两类性质的大风1 1、台风、台风弱的热带气旋性涡旋弱的热带气旋性涡旋辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部辐合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部 形成形成暖心暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）低涡增强低涡增强 辐合加强辐合加强 。（循环）。（循环）台风台风(typoontypoon)台风名字台风名字2 2、季风、季风(season wind)(season wind)冬季冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋风从大陆吹向海洋 夏季夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高、气压高 风从海洋吹向大陆风从海洋吹向大陆三、风级三、风级（根据（根据风对地面或海洋物体影响程度风对地面或海洋物体影响程度）1313个等级（个等级（0 0级级 1212级）级）（P37P37，表表4-14-1）0 0级级 1 1级级 2 2级级 3 3级级 4 4级级 5 5级级 6 6级级 7 7级级 8 8级级 9 9级级 1010级级 1111级级1212级级静风静风 软风软风 轻风轻风 微风微风 和风和风 清劲风清劲风 强风强风 疾风疾风 大风大风 烈风烈风 狂风狂风 暴风暴风飓风飓风第二节第二节 风风 压压1 1、风压与风速的关系、风压与风速的关系建筑物建筑物小股气流小股气流流向流向高压气幕高压气幕压力线压力线w=v2/2dlw1dA(w1+dw1)dA风压的形成风压的形成边界条件：边界条件：2 2、基本风压、基本风压w w0 0 按规定的按规定的地貌地貌、高度高度、时距时距等量测的风速所确定的风压等量测的风速所确定的风压 地貌（地面粗糙度）地貌（地面粗糙度）空旷平坦地貌空旷平坦地貌 高度高度 1010米高为标准高度米高为标准高度 公称风速时距公称风速时距 =10min=10min 最大风速的样本时间最大风速的样本时间 一年一年 基本风速的重现期基本风速的重现期T T0 0 基本风速出现一次所需要的时间基本风速出现一次所需要的时间每年不超过基本风压的概率或保证率每年不超过基本风压的概率或保证率p p0 0=1-1/=1-1/T T0 0（图中影形面积）图中影形面积）GB50009-2001GB50009-2001规定：规定：以当地以当地比较空旷平坦地面比较空旷平坦地面上上离地离地10m10m高统计所得的高统计所得的5050年一遇年一遇10min10min内最大风速内最大风速v v0 0为标准，按为标准，按w w 0 0=v v0 02 2/1600/1600确定。确定。最大风速最大风速 -随机变量随机变量年最大风速年最大风速p基本风速基本风速面积面积 p0=1-1/T0年平均最大风速年平均最大风速年最大风速概率密度分布年最大风速概率密度分布第三节第三节 结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念 PL 截面截面风速风速 B PM PD 流经任意截面物体所产生的力流经任意截面物体所产生的力 结构上的风力结构上的风力顺风向力顺风向力P PD D、横风向力横风向力 P PL L 、扭力矩扭力矩 P PM M 结构的风效应结构的风效应 由风力产生的结构由风力产生的结构位移位移、速度速度、加速度加速度响应、响应、扭转扭转响应响应一、结构的风力和风效应一、结构的风力和风效应二、顺风向平均风与脉动风二、顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线顺风向风速时程曲线 平均风平均风 忽略其对结构的动力影响忽略其对结构的动力影响 等效为静力作用等效为静力作用（风的长周期风的长周期 结构的自振周期）结构的自振周期）脉动风脉动风 引起结构动力响应引起结构动力响应（风的短周期风的短周期接近接近结构自振周期）结构自振周期）顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应脉动风速脉动风速v vf f 短周期成分，周期一般只有几秒钟短周期成分，周期一般只有几秒钟vf v(t)t一、顺风向平均风效应一、顺风向平均风效应1 1、风载体型系数（、风载体型系数（s s）气流未被房屋干扰前的流速气流未被房屋干扰前的流速v v0 0，压力压力p p0 0 房屋表面某点的流速房屋表面某点的流速v v，压力压力p p 伯努里方程：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 风风载载体体型型系系数数，即即风风作作用用于于建建筑筑物物上上所所引引起起的的实实际际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值压力（或吸力）与来流风的速度压的比值,w/w/w w0 0=s s。主要与建筑物的体型和尺度有关主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关 描述建筑物表面描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律在稳定风压作用下的静态压力的分布规律。风载体型系数风载体型系数 s s一般采用一般采用相似原理相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行试验确定物模型进行试验确定。规范规范GB50009-2001GB50009-2001表表7.3.17.3.1给出了给出了3838项不同类型的建筑物和各类项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数结构体型及其体型系数 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用按表规定取用；房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用参考有关资料采用；房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风宜由风洞试验确定洞试验确定；对重要且体型复杂的房屋和构筑物，对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定应由风洞试验确定。风洞试验风洞试验-在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气大气紊流纵向分量紊流纵向分量 -建筑物长度尺寸具有相同的相似常数建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽建筑物的风洞尺寸：宽2 2 4m4m、高高2 2 3m3m，长长5 5 30m30m 模拟风剖面模拟风剖面-要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似频谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）风洞试验模型分类风洞试验模型分类（1 1）刚性压力模型）刚性压力模型-主要量测建筑物表面的风压力（吸力）主要量测建筑物表面的风压力（吸力）建筑模型材料：采用有机玻璃建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约建筑模型比例：约1 1：300300 1 1：500500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。拟。风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 。风洞试验一次需持续风洞试验一次需持续60s60s左右，相应实际时间左右，相应实际时间1h1h（2 2）气动弹性模型）气动弹性模型 对高宽比大于对高宽比大于5 5，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用，需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。（3 3）刚性高频力平衡模型）刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，模型尺寸较小，1 1：500500量级量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。生的动力效应。模拟结构刚度或高频力平衡系统模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆模拟结构刚度的基座杆 长约长约150mm150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等可测倾覆力矩和扭矩等 150300600 s-0.60+0.8风载体型系数风载体型系数 s s【例例1 1】封闭式双坡屋面封闭式双坡屋面【例例2 2】封闭式房屋和构筑物封闭式房屋和构筑物(正多边形正多边形)+0.8-0.5-0.5 s+0.8-0.5-0.7-0.7注：中间值按插入法计算注：中间值按插入法计算+0.8-0.5-0.7-0.7？当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。规范规范GB50009GB50009规定：将单独建筑物的体型系数规定：将单独建筑物的体型系数 s s 乘以相互干扰系数乘以相互干扰系数(可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出)以考以考虑风力相互干扰的群体效应虑风力相互干扰的群体效应。？风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压过按表所得的平均风压规范规范GB50009GB50009规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为-1.0 1.0 -2.2-2.2？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。规范规范GB50009GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面风压的正负情况取风压的正负情况取-0.2-0.2或或0.20.22 2、风压高度变化系数、风压高度变化系数 z z 地面的粗糙度、温度垂直梯度地面的粗糙度、温度垂直梯度 在大气边界层内，在大气边界层内，风速随离地面高度而增大风速随离地面高度而增大当当气气压压场场随随高高度度不不变变时时，风风速速随随高高度度增增大大的的规规律律，主主要要取取决决于于地地面面粗糙度和温度垂直梯度粗糙度和温度垂直梯度 通通常常认认为为在在离离地地面面高高度度为为300m 300m 500m500m时时，风风速速不不再再受受地地面面粗粗糙糙度度的的影响，达到影响，达到“梯度风速梯度风速”，该高度称为，该高度称为梯度风高度梯度风高度H HG G 地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低。GB50009-2001GB50009-2001地面的粗糙度类别地面的粗糙度类别 A A类类近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B B类类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C C类类有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区 D D类类有密集建筑群且房屋较高的城市市区有密集建筑群且房屋较高的城市市区 地面粗糙度类别地面粗糙度类别 粗糙度指数粗糙度指数 梯度风高度梯度风高度HG 风压高度变化系数风压高度变化系数 z A类类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 风压高度变化系数风压高度变化系数 z z(z)=(z)=任意高度处的风压任意高度处的风压w wa a(z(z)/)/基本风压基本风压w w0 0 根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009GB5000920012001表表7.2.17.2.1确定。确定。【思思考考题题】规规范范GB50009GB50009对对远远海海海海面面和和海海岛岛的的建建筑筑物物或或构构筑筑物物，风风压压高高度变化系数度变化系数 z z如何确定？如何确定？地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数 ）以拟建房以拟建房2km2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；导风；以半圆影响范围内建筑物的平均高度以半圆影响范围内建筑物的平均高度h h平均平均来划分地面粗糙度类别来划分地面粗糙度类别，当，当h h平均平均 18m18m，为，为D D类，类，9m9m h h平均平均 18m18m为为C C类，类，h h平均平均 9m9m，为，为B B类。类。影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；叠部分的高度取大者；平均高度平均高度h h平均平均取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。3 3、平均风下结构的静力风载、平均风下结构的静力风载 w wz z=s s z z(z)(z)w w0 0 二、顺风向脉动风效应二、顺风向脉动风效应 脉动风脉动风随机动力作用随机动力作用按按随机振动理论随机振动理论进行分析进行分析-自学自学 1 1、主要承重结构、主要承重结构 顺风向总风效应顺风向总风效应=顺风向平均风效应顺风向平均风效应+顺风向脉动风效应顺风向脉动风效应 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 高高度度z z处处的的风风振振系系数数，且且 z z=1+=1+z z/P59P59，式式（4-4-6565）脉动增大系数，与脉动增大系数，与w w0 0T T1 12 2、房屋结构类型；房屋结构类型；脉动影响系数，与地面粗糙度类型、脉动影响系数，与地面粗糙度类型、H/BH/B、房屋总高房屋总高H H；z z振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）。GB50009GB50009规定规定：基本自振周期基本自振周期T T1 10.25s0.25s的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）高度高度H H 30m 30m且高宽比且高宽比H H/B B 1.5 1.5的高柔房屋的高柔房屋考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响2 2、围护结构、围护结构 对于围护结构，由于其刚度一般较大，在结构效应中可不必考虑其对于围护结构，由于其刚度一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，可仅在平均风的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因共振分量，可仅在平均风的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，通过素，通过阵风系数阵风系数 gzgz 来计算风效应。来计算风效应。即即 w w(z)=(z)=gzgz s s z z(z)(z)w w0 0 gzgz阵风系数阵风系数，按下式确定，按下式确定 gzgz=k k(1+2(1+2 f f )k k 地面粗糙度调整系数地面粗糙度调整系数,k k=0.92=0.92（A A类）类）;k k=0.89=0.89（B B类）类）;k k=0.85=0.85（C C类）类）;k=k=0.800.80（D D类）；类）；f f 脉动系数，脉动系数，根据国内实测数据，并参考国外规范资料取根据国内实测数据，并参考国外规范资料取 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类）；类）；=0.16=0.16（B B类）；类）；=0.22=0.22（C C类）；类）；=0.30 0.30（D D类）。类）。注意：注意：对低矮房屋围护结构风荷载对低矮房屋围护结构风荷载规范规范暂时未作具体规定，但容许设计者参暂时未作具体规定，但容许设计者参照国外对低矮房屋的边界层风洞试验资料或有关规范的规定进行设计。照国外对低矮房屋的边界层风洞试验资料或有关规范的规定进行设计。第五节第五节 横风向结构风效应横风向结构风效应 一、横风向风振一、横风向风振（对细柔性结构应考虑）（对细柔性结构应考虑）横风向风振横风向风振由由不不稳稳定定的的空空气气动动力力特特性性形形成成的的，其其中中包包括括旋旋涡涡脱脱落落、弛弛振振、颤颤振振、扰振等空气动力现象。扰振等空气动力现象。与与结构截面形状结构截面形状和和雷诺数雷诺数R Re e有关有关 粘性力粘性力=粘性应力粘性应力 面积面积F F =（粘性系数粘性系数 速度梯度速度梯度dvdv/dy/dy）面面积积F F惯性力惯性力=单位面积上的压力单位面积上的压力 v v2 2/2 /2 面积面积F F 横向风振的产生横向风振的产生(圆截面柱体结构圆截面柱体结构)沿上风面沿上风面ABAB速度逐渐增大（速度逐渐增大（v v ），），B B点压力达到最小值点压力达到最小值;沿下风面沿下风面BCBC速度逐渐降低（速度逐渐降低（v v ），），压力重新增大。压力重新增大。气流在气流在BCBC中间某点中间某点S S处速度停滞（处速度停滞（v v=0=0），），生成生成旋涡旋涡，并在外流，并在外流的影响下以一定周期脱落（的影响下以一定周期脱落（脱落频率脱落频率f fs s）-KarmanKarman 涡街涡街当气流旋涡当气流旋涡脱落频率脱落频率f fs s与结构与结构横向自振频率横向自振频率接近时，结构发生接近时，结构发生共振，即发生共振，即发生横向风振横向风振 。雷诺数雷诺数 Re=圆筒式结构三个临界范围圆筒式结构三个临界范围跨临界范围跨临界范围：R Re e 3.5 3.5 10 106 6 强风共振强风共振超临界范围超临界范围：3.03.0 10105 5 R Re e 3.5 3.5 10 106 6 呈随机性呈随机性亚临界范围亚临界范围：3.03.0 10102 2 R Re e 3.0 3.0 10 105 5 微风共振微风共振3.5 106跨临界跨临界3.0 105超临界超临界3.0 102亚临界亚临界二、结构横向风力和风效应二、结构横向风力和风效应1 1、结构横向风力、结构横向风力 PL=L(v2/2)B L L-横风向风力系数，与横风向风力系数，与雷诺数雷诺数R Re e有关有关 跨跨临临界界范范围围、亚亚临临界界范范围围的的结结构构横横风风向向作作用用具具有有周周期期性性，结结构构横横向风作用力向风作用力 P PL L(z,t)=(z,t)=(v v2 2(z)/2)B(z)(z)/2)B(z)L Lsinsin s st t 风风旋旋涡涡脱脱落落圆圆频频率率 s s=2=2 f fs s=2 2 S St t v v(z)/B(z)(z)/B(z)P62 P62(4-(4-68)68)St-St-斯脱罗哈数，对圆形截面结构取斯脱罗哈数，对圆形截面结构取0.20.2 结构横风向共振现象结构横风向共振现象 横风向风作用力频率（横风向风作用力频率（f fs s ）与结构横向自振基本频率（与结构横向自振基本频率（f f1 1）接接近时，结构横向产生共振反应近时，结构横向产生共振反应 锁住（锁住（look-inlook-in）区域区域 风旋涡脱落频率风旋涡脱落频率f fs s保持常数（保持常数（=结构横向自振频率结构横向自振频率f f1 1）的风速区域的风速区域 跨临界范围（确定性振动）跨临界范围（确定性振动）锁住区域锁住区域:P:PL L(z)sin(z)sin 1 1t t 其它区域：其它区域：P PL L(z)sin(z)sin s s(z)t(z)t 亚临界范围（确定性振动）亚临界范围（确定性振动）P PL L(z)sin(z)sin s s(z)t(z)t 超临界范围（随机振动）超临界范围（随机振动）P PL L(z)(z)f f(t)(t)PL(z)sin s(z)t 跨临界范围跨临界范围 PL(z)sin st z （确定性振动）确定性振动）s=1 锁住锁住区域区域 y PL(z)sin s(z)t x 超临界范围超临界范围 v （随机振动）随机振动）PL f(t)亚临界范围亚临界范围 （确定性振动）（确定性振动）PL(z)sin s(z)t结构横风向风力分布结构横风向风力分布 对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力对竖向细长结构，结构横风向受三种不同性质的风作用力2 2、结构横风向风效应、结构横风向风效应对圆形截面的结构对圆形截面的结构,应根据应根据雷诺数雷诺数R Re e的不同情况进行横向风振的不同情况进行横向风振(旋涡旋涡脱落脱落)的校核。的校核。当当R Re e 3.0 3.0 10 105 5 时（亚临界的微风共振）时（亚临界的微风共振）应控制结构顶部风速应控制结构顶部风速v vH H不超过临界风速不超过临界风速v vcrcr，即，即v vH H v vcrcr。(4-70)f f1 1结构基本自振频率；结构基本自振频率；StSt斯脱罗哈数，斯脱罗哈数，St=St=f fs sD/vD/v ，圆截面结构取圆截面结构取StSt=0.2=0.2；w w风荷载分项系数，取风荷载分项系数，取 w w=1.4=1.4；H H结构顶部风压高度变化系数；结构顶部风压高度变化系数；w w0 0基本风压基本风压(kN/m(kN/m2 2)；空气密度空气密度(kg/m(kg/m3 3)。当当R Re e 3.5 3.5 10106 6 且且结结构构顶顶部部风风速速v vH H v vcrcr 时时（跨跨临临界界的的强强风风共共振振 ）设计时必须按不同振型对结构予以验算设计时必须按不同振型对结构予以验算 跨临界强风共振引起在跨临界强风共振引起在 z z 高处振高处振型型 j j 的等效风荷载的等效风荷载w wczjczj：w wczjczj=j j v v2 2crcr zjzj/12800/12800 j j (kN/m(kN/m2 2)j j计计算算系系数数，是是对对振振型型情情况况下下考考虑虑与与共共振振分分布布有有关关的的折折算算系系数数，按规范表按规范表7.6.27.6.2确定；确定；zjzj在在z z高处结构的高处结构的j j振型系数；振型系数；j j 第第j j振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取振型的阻尼比，对第一振型，混凝土结构取 j j=0.05=0.05。当结构顶部风速超过当结构顶部风速超过v vcrcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速的临界风速v vcrcr 15m/s15m/s。三、结构总效应三、结构总效应 考虑顺风向动力作用效应（考虑顺风向动力作用效应（脉动效应脉动效应）与横风向动力作用效应）与横风向动力作用效应（风振效应风振效应）的最大值不一定在同一时刻发生）的最大值不一定在同一时刻发生 采用采用平方和开方平方和开方近似估算总的风动力效应近似估算总的风动力效应结构总风效应结构总风效应结构顺风向静力效应结构顺风向静力效应结构顺风向结构顺风向脉动效应脉动效应 结构横风向结构横风向风振效应风振效应