荷載與結構設計方法

第三講：風荷載主講人：賈玲玲Email：jll8123@33風的基本概念與類型風是大氣層中空氣的流動。由于地球表面不同地區的大氣層所吸收的太陽能量不同，造成了各地空氣溫度的差異，產生的氣壓差驅動空氣從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動，即形成了風常見的自然災害風類型：熱帶氣旋、季風和龍卷風441.1熱帶氣旋發生在熱帶海洋上的大氣漩渦，是熱帶低壓、熱帶風暴、臺風和颶風的總稱。1)概念隨地區不同而異，主要由太陽輻射在洋面所產生的大量熱能轉變為動能而產生。55熱帶氣旋劃分標準①熱帶低壓平均最大風力小于8級②熱帶風暴平均最大風力8~9級③強熱帶風暴平均最大風力為10~11級④臺風平均最大風力為12級或12級以上風力等級表88急速旋轉的暖濕氣團，直徑在300～1000km不等。靠近臺風中心的風速常超過每180km/h，由中心到臺風邊緣風速逐漸減弱。臺風88是一個很強大的空氣旋渦，由中心到外依次是風眼、眼壁，螺旋云帶。螺旋云伴隨著大風、陣雨；越靠近中心，空氣旋轉速度越大，并且突然轉為上升運動。在云墻、眼壁發生摧毀性的暴風驟雨；向中心處，風速和雨勢驟然減?。坏竭_臺風眼處，氣壓最低，濕度最高，天氣晴朗。臺風特征1010臺風氣向云圖2000年夏“杰拉華”臺風的衛星照片99臺風的影響危害在海上移動時，會掀起巨浪，引起狂風暴雨，對航行的船只造成嚴重威脅；登陸時，狂風暴雨給人們的生命財產造成巨大的損失。益處給肥沃的土地帶來豐沛的雨水，形成適宜的氣候。12121.2季風由內陸和海洋空氣溫差引起的風。在冬季由內陸吹向海洋，夏季由海洋吹向內陸。含義形成原因主要是海陸間熱力環流的季節變化。夏季大陸增熱比海洋劇烈，產生從大陸指向海洋的水平氣壓梯度，空氣從海洋流向大陸，形成了與高空方向相反氣流，構成夏季的季風環流。與之相反，同樣的原理，形成冬季的季風環流。13131.2季風①是大范圍地區的盛行風向隨季節改變的現象；季風的三大特點②隨著風向變換，控制氣團的性質也產生轉變；③隨著盛行風向的變換，帶來明顯的天氣氣候變化。14141.3龍卷風呈漏斗狀，移動速度通常超過每小時300公里。是一個旋轉猛烈的圓形空氣柱，上端與雷雨云相接，下端或者懸在半空中，或者直接延伸到地面或水面。1)含義1414龍卷風特征發生在海上，猶如“龍吸水”，稱為“水龍卷”；出現在陸地上，將卷揚塵土，卷走房屋、樹木，稱為“陸龍卷”。主要發生地一般情況下，風速在50~150m/s，極端情況下，達到300m/s或超過聲速。國外，主要發生在美國，其次是墨西哥英國意大利、澳大利亞、新西蘭，日本等。我國主要發生在華南和華東地區，此外，還經常出現在南海的西沙群島上，范圍較小，壽命也相對比較短促。15151.4其它類型的風雷爆風：由水蒸氣在高空冷凝引起的，瞬時風速一般為54~90km/h，發生時還伴有閃電、雷鳴和陣雨。熱燥風：由于下沉運動使空氣運動升高，濕度降低的風，常出現在山脈的背風面。布拉風：常發生在陡峭斜坡隔開的高地與平地之間。1616風災害20世紀特大風災情況1900年，美國加爾維斯頓島，颶風，6000人遇難1985年，加拿大、美國，龍卷風，死亡200余人，直接經濟損失3億美元1991年，中國海南島，臺風，50萬人口受災，32人死亡，直接經濟損失6.3億多元1992年，美國，弗羅里達，颶風，經濟損失300多億美元1998年，印度內陸地區，熱帶風暴，死亡1000多人，直接經濟損失4億美元2005年，美國新奧爾良，颶風，死亡1200多人，經濟損失1000多億美元1717臺風災害實例1：1994年8月21日晚，9417號臺風在浙江省溫州市登陸，最大風力在12級以上，溫州沿海受12級以上風力襲擊的時間長達10小時，伴有大雨和大潮，受災人口達1100萬人，直接經濟損失超過100億元。實例2：2001年9月16日，“納莉”臺風在中國臺灣北部登陸，風力強勁，臺風中心最大風速145km/h,瞬間達180km/h,同時帶來持續降雨，出現嚴重積水，臺灣島內交通完全癱瘓。實例3：

2000年8月第10號臺風給我國東南沿海各省造成極大損失：福建有1100多棟房屋被毀、鐵路中斷、山體滑坡；浙江省樂清市就毀壞近700棟房屋；臺灣省經濟損失就達新臺幣40多億元。臺風災害鏈3838風對結構作用引起的結果①使結構物或結構構件受到過大的風力或不穩定②使結構開裂或留下較大的殘余變形③使結構物或結構構件產生過大的撓度變形④引起結構或結構構件的疲勞損壞⑤由于過大的振動，建筑物的居住者主要內容1，風荷載標準值及相關系數的確定2，單層房屋上的風荷載計算3，高層、多層房屋上的風荷載及總風荷載的計算4，特殊情況下的風荷載計算及本章小結基本風壓w0以當地空曠平坦地面上離地10m高統計所得的50年一遇10min平均最大風速v0(m/s)為標準，按w0=v02/1600確定(荷載規范)按規定的地貌、高度、時距等測量的風速所確定的風壓成為基本風壓基本風壓的規定條件1，標準高度的影響2，標準地貌的影響3，公稱風速的時距（10min）4，最大風速的樣本時間5，基本風速的重現期基本風壓w0基本風壓的調整對基本風壓的說明風壓高度變化系數mz反映了風壓隨高度的變化規律：風速由地面為零沿高度按曲線逐漸增大，至距地面某一高度（300-500m）達到最大，上層風速受地面影響小，風速穩定。風壓高度變化系數定義為任一高度處的風壓與B類粗糙度、標準高度為10m處的風壓的比值地面粗糙度：由地貌、樹木，房屋等形成的地表摩擦層，不同的地面粗糙度，風速和風壓也不相同，地面粗糙度越大，對氣流的干擾越大?！兑幏丁穼⒌孛娲植诙确譃锳、B、C、D四類梯度風速梯度風高度風載體型系數ms風對房屋表面的作用力不等于基本風壓值，風的作用力隨房屋體型、尺度、表面位置，表面狀況有關。風作用在建筑物表面上所引起的實際壓力與來流風的速度壓的比值——風荷載體型系數風洞試驗建筑物表面任一點的凈風壓力除以建筑物來流風壓，再加權平均風載體型系數ms描述了房屋表面在穩定風壓作用下的靜態壓力分布規律，主要與房屋的體型和尺度有關。設計時采用各個表面風作用力的平均值

《高層混凝土規程》的補充規定《高層混凝土規程》的補充規定對風荷載體形系數的討論4040合理的建筑體型①流線形平面采用圓形或橢圓形等流線形平面的樓房，有利于減少作用于結構上的風荷載；采用三角形或矩形平面的高樓，轉角處設計成圓角或切角，可以減少轉角處的風壓集中②截錐狀體形采用上小下大的截錐狀體形，可以減小樓房上部較大的風荷載，并較小了風荷載引起的傾覆力矩③不大的高寬比房屋高寬比是衡量一幢高樓抗側剛度和側移控制的一個主要指標4242④透空層高樓在風力作用下，應風面產生正壓力，背風面產生負壓力，高樓受到很大的水平荷載⑤并連高樓群減少了高樓頂部的側移和風振加速度風振系數實際風壓、平均風壓（穩定風壓），脈動風壓穩定風壓：使結構產生側移脈動風壓：使結構在上述側移附近左右振動，表現形式主要為順風向振動、常會伴隨橫風向振動，甚至會出現扭轉振動高聳構筑物和高層建筑風振效應的影響因素主要取決于結構自身的剛度（高度）：剛度越?。ǜ叨仍酱螅?，自振周期越長，動力效應越明顯規范中以房屋的高度、結構的自振周期、結構的高寬比作為確定風振系數的主要參數《規范》的規定風振系數的計算脈動增大系數-《高層混凝土規程》脈動增大系數-《荷載規范》脈動影響系數(1)脈動影響系數(2)振型系數（1）振型系數（2）：《荷規》附錄F《規范》給出了三種情況下結構的前四階振型的振型系數迎風面寬度遠小于高度的高聳結構截面沿高度有規律變化的高聳結構迎風面寬度較大的高層結構1.在相同基本風壓和高度的前提下，哪一種地理環境下風壓最小

。（A）海岸地區（B）中小城鎮（C）大城市市郊（D）大城市市區2.風荷載體型系數主要與哪些因素有關

。

(A)建筑物的體型

(B)建筑物的高度

(C）建筑物的尺度（尺寸）（D）建筑物所處的場地條件風荷載的標準值單層房屋的風荷載計算（1）單層房屋的風荷載計算（2）3.2風荷載

總風荷載總風荷載為建筑物各個表面上承受風力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個互相垂直的方向分別計算總風荷載。

z高度處的總風荷載標準值按下式計算：+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)Wz1Wz2Wz3Wz4例題1例題2例題3作用于高層房屋上風荷載特點5656高層建筑和高聳結構的抗風設計要求①為了使高層建筑不會發生破壞、倒塌、結構開裂，殘余變形過大現象，保證結構的安全，結構的抗風設計必須滿足強度要求②為防治隔墻開裂，建筑裝飾及非結構構件的損壞，結構抗風設計必須滿足剛度設計的要求。③須滿足舒適度的設計要求高層房屋抗風設計的原則多層房屋的風荷載考慮風振的情形

(1)H＞30m、H/B(窄邊寬度)＞1.5同時滿足(2)自振周期T1＞0.25s的高聳結構(3)跨度＞36m的屋蓋高層建筑自振周期的確定《荷載規范》總風荷載的確定風荷載的等效換算例題4例題5基本風壓的調整對基本風壓的說明振型系數（1）例6∶已知剪力墻結構如圖所示，38層，123.5m高，位于城市郊區Ⅱ類場地，基本風壓，已知結構基本自振周期1.9s。(墻厚300mm)求：在橫向風荷載作用下一層底的剪力及傾覆力矩111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m

為簡化計算，將建筑物分為5段，每段頂標高取在樓層處，每段中點距地面的距離作為計算風壓高度，地面粗糙度，位于城市郊區為B類，

高度(m)12.2536.961.786.5111.21.061.501.792.002.16(4)求風振系數高度高寬比解：1、求風荷載標準值(1)基本風壓值(2)風荷載體形系數(3)風壓高度變化系數脈動影響系數：脈動增大系數：各高度處風振系數：(5)各段風載標準值(6)求各段風載集中標準值各分段間風載集中標準值：（B—受風寬度）111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m(7)基底剪力：基底彎矩：作業特殊情況下的風荷載計算-群樓效應特殊情況下的風荷載計算-山區風荷載例題7例題8美國舊金山金門大橋，1937年建成，主跨1280m。橋面加勁鋼桁架的寬跨比為1：47，而高跨比僅為1：168，在當時為最小。但有時在風力作用下左右搖擺的幅度竟達4m，使得該橋有時不得不停止使用。1940年美國西海岸華盛頓州塔科馬峽谷橋因共振發生塌橋事故！風災

工程領域中最著名的風災破壞為美國Tacoma懸索橋的風毀事件。對于高層建筑、大跨結構、柔性大跨橋梁、輸電塔和渡槽等受風面積大的柔性結構，抗風設計與抗震設計具有同等的重要意義。Tacoma橋在風中整體坍塌（視頻）照片說明中跨的扭曲運動導致它首先破壞塔科馬大橋主跨853m，寬跨比1：79，高跨比為1；350，比金門大橋還要柔。大橋建成后即顯柔度太大，最初在風中行車的震蕩還是豎向的，使用幾個月后，震蕩突然變為扭轉。扭轉最大時，右邊人行道比左邊高出8.5m此照片是在路面混凝土開始掉落大橋在11點鐘之前塌落搶拍下來的。裝配板和鋼梁扭曲、彎曲的情況大橋塌落瞬間大橋最后竟在風速不大（56~67km/h)時因震蕩幅度過大，產生共振塌落。大橋塌落之后拍下來的照片塔科馬新橋20世紀40年代以前，作為大跨度橋梁的懸索橋沒有發生過事故。這就導致了一個錯誤的結論：