03荷载与结构设计方法

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,3,章 风荷载,1.,*,第,3,章 风 荷 载,返回总目录,风的有关知识,风压,风压高度变化系数,风荷载体型系数,结构抗风计算的几个重要概念,顺风向结构风效应,横风向结构风效应,结构总风效应,思考题,本章内容,一、风的形成,风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。,由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道和低纬度地区受热量较多，而极地和高纬度地区受热量较少。在受热量较多的赤道附近地区，气温高，空气密度小，则气压小，大气因加热膨胀由表面向高空上升。受热量较少的极地附近地区，气温低，空气密度大，则气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉。因此，在低空受指向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯度指向高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图,3.1,所示的全球性南北向环流。,风的有关知识,图,3.1,大气热力学环流模型,二、两类性质的大风,1.,台风,台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空，若有一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直至增强为台风。,2.,季风,由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地球表面性质不同，热力反映有所差异引起的。,风的有关知识,三、我国风气候总况,我国的风气候总体情况如下,。,(1),台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是我国最大的风区,。,(2),东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在离海岸,100km,处，风速约减小一半。,(3),东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与寒潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。黑龙江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里的风速不大,。,(4),青藏高原地势高，平均海拔在,4,5 km,，属较大风区,。,(5),长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒潮风到此也是强弩之末,。,(6),云贵高原处于东亚大气环流的死角，空气经常处于静止状态，加之地形闭塞，形成了我国的最小风区,。,风的有关知识,四、风级,风的有关知识,风力,等级,名称,海面状况浪高,/m,海岸渔船征象,陆地地面物征象,距地,10m,高处相当风速,一,般,最,高,km/h,mile/h,m/s,0,静风,-,-,静,静、烟直上,1,0.3,时，取,tan=0.3,；,k,系数，对山峰取,3.2,，对山坡取,1.4,；,H,山顶或山坡全高,(m),；,z,建筑物计算位置离建筑物地面的高度,(m),，当,z2.5H,时，取,z=2.5H,。,表,3-5,风压高度变化系数,地面或海平面高度,/,m,地面粗糙度类别,A,B,C,D,5,10,15,20,30,40,50,60,70,80,90,100,150,200,250,300,350,400,450,1.17,1.38,1.52,1.63,1.80,1.92,2.03,2.12,2.20,2.27,2.34,2.40,2.64,2.83,2.99,3.12,3.12,3.12,3.12,1.00,1.00,1.14,1.25,1.42,1.56,1.67,1.77,1.86,1.95,2.02,2.09,2.38,2.61,2.80,2.97,3.12,3.12,3.12,0.74,0.74,0.74,0.84,1.00,1.13,1.25,1.35,1.45,1.54,1.62,1.70,2.03,2.30,2.54,2.75,2.94,3.12,3.12,0.62,0.62,0.62,0.62,0.62,0.73,0.84,0.93,1.02,1.11,1.19,1.27,1.61,1.92,2.19,2.45,2.68,2.91,3.12,风压高度变化系数,山坡和山峰的其他部位如图,3.3,所示，取,A,、,C,处的修正系数、为,1,，,AB,间和,BC,间的修正系数按 的线性插值确定。,图,3.3,山坡和山峰示意图,(2)山间盆地、谷地等闭塞地形,=0.750.85；对于与风向一致的谷口、山口，,=1.201.50。,对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，除由表3-5确定外，还应考虑表3-6中给出的修正系数。,表3-6 远海海面和海岛修正系数,距海岸距离,/,km,40,40,60,60,100,修正系数,1.0,1.0,1.1,1.1,1.2,风荷载体型系数,一、单体风载体型系数,图,3.4,所示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的分布，设计时可以直接取用。图中风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。,图,3.4,封闭式双坡屋面风荷载体型系数,风荷载体型系数,二、群体风压体型系数,当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数 乘以相互干扰增大系数，该系数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。,风荷载体型系数,三、局部风压体型系数,验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用：,(1)建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范(GB 500092001)表7.3.1中风荷载体型系数采用。,(2)建筑物外表面负压区，对墙面取 1.0；对墙角边取 1.8；对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10的屋脊部位)取 2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取 2.0。,(3)对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取 0.2或+0.2。,结构抗风计算的几个重要概念,一、结构的风力与风效应,水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压沿表面积分可求出作用在结构的风力，结构上的风力可分为顺风向风力、横风向风力 及扭风力矩，如图3.5所示。,(3-10a),(3-10b),(3-10c),式中，,B结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸；,顺风向的风力系数，为迎风面和背风面体型系数的总和；,，,分别为横风向和扭转力系数。,图,3.5,作用于结构上的风力,结构抗风计算的几个重要概念,二、顺风向平均风与脉动风,实测资料表明，顺风向风速时程曲线中，包括两种成分(图3.6)：一种是长周期成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据上述两种成分，应用上常把顺风向的风效应分解为平均风(即稳定风)和脉动风(也称阵风脉动)来加以分析。,图3.6 平均风速和脉动风速,平均风相对稳定，即使受风的长周期成分影响，但由于风的长周期远大于一般结构的自振周期，因此这部分风对结构的动力影响很小，可以忽略，可将其等效为静力作用。,脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，使结构产生动力响应。实际上，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。,结构抗风计算的几个重要概念,三、横风向风振,空气在流动中，对流体质点起着重要作用的两种力：惯性力和粘性力。空气流动时自身质量产生的惯性力为单位面积上的压力,乘以面积，其量纲为,(D为圆柱体的直径)。粘性力反映流体抵抗剪切变形的能力，流体粘性可用粘性系数 来度量，粘性应力为粘性系数,乘以速度梯度dv/dy或剪切角,的时间变化率，而流体粘性力等于粘性应力乘以面积，其量纲为,。,雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动力相似。雷诺数,可表示为：,(3-11),式中，,空气密度(kg/m3)；,v计算高度处风速(m/s)；,D结构截面的直径(m)，或其他形状物体表面特征尺寸；,动粘性系数，。,在式(3-11)中代入空气动粘性系数1.45l0-5m,2,/s，则雷诺数 可按下式确定：,=69000vD,(3-12),结构抗风计算的几个重要概念,雷诺数与风速的大小成比例，风速改变时雷诺数发生变化。如果雷诺数很小，如小于1/1000，则惯性力与粘性力之比可以忽略，即意味着高粘性行为。相反，如果雷诺数很大，如大于1000，则意味着粘性力影响很小。空气流体的作用一般是这种情况，惯性力起主要作用。,为说明横风向风振的产生，以圆截面柱体结构为例。当空气流绕过圆截面柱体时(图3.7(a)，沿上风面AB速度逐渐增大，到B点压力达到最低值，再沿下风面BC速度又逐渐降低，压力又重新增大，但实际上由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦要消耗部分能量，因此气流实际上是在BC中间某点S处速度停滞，漩涡就在S点生成，并在外流的影响下，以一定的周期脱落(图3.7(b)，这种现象称为卡门(Karman)涡街。设脱落频率为,，并以无量纲的斯脱罗哈(Strouhal)数Sr=,来表示，其中D为圆柱截面的直径，v为风速。,空气流绕过圆截面柱体,(b),漩涡周期脱落,图,3.7,漩涡的产生与脱落,结构抗风计算的几个重要概念,试验表明，气流漩涡脱落频率或 Strouhal 数 Sr 与气流的雷诺数,有关：当,时，周期性脱落很明显，接近于常数，约为0.2；当,时，脱落具有随机性，Sr的离散性很大；而当,时，脱落又重新出现大致的规则性，Sr=0.270.3。当气流漩涡脱落频率,与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振，即产生横风向风振。,对于其他截面结构，也会产生类似圆柱结构的横风向振动效应，但Strouhal数有所不同，表3-8显示了一些常见直边截面的Strouhal数。,表3-8 常用截面的Strouhal数,工程上雷诺数,极少遇到。因而根据上述气流漩涡脱落的 3 段现象，工程上将圆筒式结构划分3个临界范围，即亚临界(Subcritical)范围，,；超临界(Supercritical)范围，,；跨临界(Transcritical)范围，,。,顺风向结构风效应,一、风振系数,脉动风是一随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。分析结果表明，对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于,30m,、高宽比大于,1.5,且可忽略扭转影响的高层建筑，由于频谱比较稀疏，第,1,振动起到控制作用，此时可以仅考虑结构第,1,振动的影响，通过风振系数来计算结构的风荷载。结构在,z,高度处的风振系数 可按下式计算：,(3-13),式中，,脉动增大系数；,脉动影响系数；,振型系数；,风压高度变化系数。,顺风向结构风效应,二、脉动增大系数,脉动增大系数 可由随机振动理论导出，此时脉动风导出并经过一定的近似简化，可得到：,(3-14a),(3-14b),式中，,结构的阻尼比，对钢结构取,0.01,，对有墙体材料填充的房屋结构取,0.02,，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取,0.05,；,考虑当地地面粗糙度后的基本风压；,T1,结构的基本自振周期。,将上述不同的结构参数及基本风压值代入式,(3-14),可得到相应的脉动增大系数，为方便起见，制成脉动增大系数表,3-9,供设计时查用。查表前计算 时，对地面粗糙度,B,类地区可直接代入基本风压。对,A,类、,C,类和,D,类地区应按当地