结构抗风设计

6.2 风荷载计算

风压随风速、风向的紊乱变化而不断地改变。

从风速记录来看，各次记录值是不重现的，每次出现的波形是随机的，风力可看作为各态历经的平稳随机过程输入。

在风的顺风向风速曲线(见图6-2所示的风速记录)中，包括两部分：

三、时距取值

计算基本风压的风速，称为标准风速。关于风速的标准值，各个国家规定的时距不尽相同，我国现行的荷载规范规定为：当地比较空旷平坦地面上离地10m高，统计所得的50年一遇10min平均最大风速v

（m/s）。

由于大气边界层的风速随高度及地面粗糙度变化，所以我国规范统一选10m高处空旷平坦地面作为标准，至于不同高度和不同地貌的影响，则通过其他系数的调整来修正。

时距太短，则易突出风速时距曲线中峰值的影响，把脉动风的成分包括在平均风中；

时距太长，则把候风带的变化也包括进来，这将使风速的变化转为平滑，不能反映强风作用的影响。

根据大量风速实测记录的统计分析，10min

到1h时距内，平均风速基本上可以认为是稳定值。平均风速的数值与统计时时距的取值有很大关系。

我国规范规定以10min平均最大风速为取值标准。 首先是考虑到一般建筑物质量比较大，且有阻尼，风压对建筑物产生最大动力影响需要较长时间，因此不能取较短时距甚至极大风速作为标准。

其次，一般建筑物总有一定的侧向长度，最大瞬时风速不可能同时作用于全部长度上，由此也可见采用瞬时风速是不合理的。

而10min平均风速基本上是稳定值，且不受时间稍微移动的影响。

若实际结构设计时所取的重现期与50年不同，则基本风压就要修正。以往规范将基本风压的重现期定为30年，2001新规范改为50年，这样，在标准上与国外大部分国家取得一致。经修改后，各地的基本风压值总体上提高了10%，但有些地区则是根据新的风速观测数据，进行分析后重新确定的。为了能适应不同的设计条件，风荷载也可采用与基本风压不同的重现期，规范给出了全国各台站重现期为10年、50年和100年的风压值，其他重现期R的相应值可按下式确定：

（6-6）

)110ln /)(ln (1010010−−+=R x x x x R

对于对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，以及自重较轻的钢木主体结构，其基本风压值可由各结构设计规范，根据结构的自身特点，考虑适当提高其重现期。对于围护结构，其重要性比主体结构要低，故可仍取50年。

五、地貌的规定

地表愈粗糙，能量消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈低。由于地表的不同，影响着风速的取值，因此有必要为平均风速或风压规定一个共同的标准。

目前风速仪大都安装在气象台，它一般离开城市中心一段距离，且一般周围空旷平坦地区居多，因而规范规定标准风速或风压是针对一般空旷平坦地面的，海洋或城市中心等不同地貌除了实测统计外，也可通过空旷地区的值换算求得。

式中v h 为风速仪在高度处h 的风速；z 0为风速等于零的高度，其与地面的粗糙度有关，z 0一般略大于地面有效障碍物高度的1/10。由于气象台常处于空旷地区，z 0较小，有文献建议取0.03米。应该注意的是，这里所指风速仪高度是指其感应部分的有效高度，如周围有高大树木等障碍物，则有效高度应为风速仪实际高度减去周围障碍物的高度。虽然实际上，由于不同的地貌，地面粗糙度z 0是一变值，但实用上常取为常数。

七、风压高度变化系数

平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也称为风剖面，它是风的重要特性之一。由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面高度的减小而降低。只有离地300～500米以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气压梯度的作用下自由流动，从而达到所谓梯度风速，出现这种速度的高度叫梯度风高度。梯度风高度以下的近地面层也称为摩擦层。地面粗糙度不同，近地面层风速变化的快慢也不同。开阔场地的风速比在城市中心更快地达到梯度风速，对于同一高度处的风速，在城市中心处远较开阔场地为小。

为了求出任意地貌下的风压，必须求得该地区10米高处的风压，该值可根据该地区风的实测资料，按概率统计方法求得。但是由于目前我国除了空旷地区设置气象台站，并有较多的风测资料外，其它地貌下风的实测资料甚少，因而一般只能通过该地区附近的气象台站的风速资料换算求得。

设基本风压换算系数为，即，因为梯度风高度以上的风速不受地貌影响，因而可根据梯度风高度来确定。荷载规范（GB50009-2001）建议取0.16，梯度风高度取350米。设其它地貌地区的梯度风高度为，因为在同一大气环流下，不同地区上空，在其梯度风高度处的风速（风压）应相同，按（6-11）、（6-12）两式得：

a w a w 00w µ000w w w a ⋅=µ0w µαT H

关于山区风荷载考虑地形影响的问题，较可靠的方法是直接在建设场地进行与临近气象站的风速对比观测。国外的规范对山区风荷载的规定一般有两种形式：一种是规定建筑物地面的起算点，建筑物上的风荷载直接按规定的风压高度变化系数计算；另一种是按地形条件，对风荷载给出地形系数，或对风压高度变化系数给出修正系数。我国新规范采用后一种形式，并参考加拿大、澳大利亚和英国的相应规范，以及欧洲钢结构协会ECCS的规定（房屋与结构的风效应计算建议），对山峰和山坡上的建筑物，给出风压高度变化系数的修正系数。

八、风载体型系数

不同的建筑物体型，在同样的风速条件下，平均风压在建筑物上的分布是不同的。图6-5、6-6表示长方形体型建筑表面风压分布系数，从中可以看到：

图6-5 模型上的表面风压分布（风洞试

验）

图6-6 建筑物表面风压分布（现场实测）

（1）在正风面风力作用下，迎风面一般均受正压力。此正压力在迎风面的中间偏上为最大，两边及底部最小。

（2）建筑物的背风面全部承受负压力（吸力），一般两边略大、中间小，整个背面的负压力分布比较均匀。

（3）当风平行于建筑物侧面时，两侧一般也承受吸力，一般近侧大，远侧小。分布也极不均匀，前后差别较大。

（4）由于风向风速的随机性，因而迎风面正压、背风面负压以及两侧负压也是随机变化的。

风压除了与建筑物体型直接有关外，它还与建筑物的高

度与宽度有关，一些资料指出，随着高宽比的增大，

也增大。各种体型的体型系数见荷载规范，其中迎风面的体型系数常为0.8，背风面的体型系数常为-0.5。

应注意到，风荷载体型系数表示了风荷载在建筑物上的分布，主要与建筑物的体型有关，并非空气的动力作用。对于外型较复杂的特殊建筑物必要时应进行风洞模型试验

s µs

µ