荷载与结构设计方法第4章 风荷载
第4章风荷载
静风 软风 轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风飓风
当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍 物产生压力。
风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，
它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引 起多种类型的振动效应。
风灾实例 1926年9月，美国迈阿密17层高的 Meyer-Kiser大楼在一次飓风袭击下， 维护结构受到严重破坏，钢框架结 构发生塑性变形，大楼在风暴中严 重摇晃，顶部残留位移达0.61m。
第4章 风荷载
风致桥梁破坏 1940 年 11 月 7 日 ， 美 国 华 盛 顿 州 塔 科 马 桥 （ Tacoma Bridge ）因风振致毁，这一严重的桥梁事故，开始促使人 们对桥梁的风致振动问题进行系统深入的研究。该桥主跨 长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通 过两年时间的施工，于 1940 年 7 月 1 日建成通车。但由于当
使用功能 住宅、公寓 办公、旅馆 amax (m/s2) 0.15 0.25
第4章 风荷载
抗风减振措施
台北 101 大楼（高 508 米），在 92楼 层悬挂设置重达 800 吨的悬浮阻尼 球，通过吸收振动能量，避免大楼 在强风下大幅晃动
第4章 风荷载
抗风减振措施
上海环球金融中心（高492米），在395 米的第 90 层安装两台重达 150 吨、长宽 各 9 米的风阻器，中间桔红色的是用钢 索悬吊的重 100 多吨的配重物，其下安 装了驱动装置。
第4章 风荷载
第4章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 风的有关知识 风压
风荷载
内容提要
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
建筑幕墙设计(第四章)荷载及其组合
横向验算风荷载单独作用下挠度。
4 荷载及荷载组合
第二节 风荷载 风荷载是作用于幕墙的一种主要直接作用，它垂 直作用于幕墙面板表面。 设计要求：(1)既需考虑长期使用过程中，在一定时距平
均最大风速的风荷载作用下保证 正常使用功 能不受影响。 (2)在阵风袭击下不受损坏，避免事故发生。
风荷载计算公式:
w w（主体结构） w w（外围护 幕墙）
k Z s z o k gz s z o
4 荷载及荷载组合
第二节 风荷载 1 基本风压Wo
当风以一定速度向前运动遇到幕墙阻碍时，幕墙承受风 压，幕墙所在地区不同，它们的基本风压不同。
Vo / 2 wo
A：近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠 B：田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀疏的乡镇 C：密集建筑群的城市市区（一般城市) D：密集建筑群且房屋较高城市（北京、上海等）
4 荷载及荷载组合
A z c z
1.379( z /10) 0.616( z /10)
0.24
0.44
B z D z
4 荷载及荷载组合
4 阵风系数 gz 第二节 风荷载
瞬时风压峰值与10min平均风压（基本风压）的比值， 取决于场地粗糙度类别和建筑物高度。 K (1 2 ) 玻璃幕墙 石材金属幕墙取2.25 gz f K-地区粗糙度调整系数 A取0.92 B取0.89
A f
C取0.85 D取0.8
4 荷载及荷载组合
第一节 概述 2 幕墙的荷载组合 承载Hale Waihona Puke 极限状态G G w w w
第4章风荷载
重现期/年 重现期换算系数 100 1.10 60 1.03 50 1.00 40 0.97 30 0.93 20 0.87 10 0.77 5 0.66
4.1.4 山区的基本风压
对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修 正系数分别按下述规定采用： (1) 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述 公式采用：
1 2 2 w v v 2 2g
式中，w——单位面积上的风压力(kN/m2)； ρ——空气密度(kg/m3)； γ——空气单位体积重力(kN/m3)； g——重力加速度(m/s2)； v——风速(m/s)。
在标准大气压情况下， γ=0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：
实测风速时距 时距换算系数 60min 0.940 10min 1.00 5min 1.07 2min 1.16 1min 1.20 0.5min 1.26 20s 1.28 10s 1.35 5s 1.39 瞬时 1.50
应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比 值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风 最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。
4.1.3 风速或风压的换算 1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测 风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高 度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非 标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测 资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。
z B [1 tan (1 )]2 2.5H
工程结构中的风荷载分析与设计
工程结构中的风荷载分析与设计在工程结构设计中，风荷载是一个重要的考虑因素。
它对建筑物、桥梁、塔吊等结构物的稳定性和安全性有着重要影响。
风荷载分析与设计是工程师必须要掌握的一项技术。
首先，风荷载的分析是建立在风力的基础上的。
风力是空气流动引起的力量，它与气压差、空气密度、流体力学等因素密切相关。
在风荷载分析中，工程师需要考虑到风力的大小、方向和变化规律。
这对于结构的设计和材料的选择都有着重要的影响。
其次，风荷载的分析需要考虑到结构的形状和几何特征。
不同形状的结构在风力作用下会产生不同的应力和变形。
例如，高层建筑在风力作用下容易出现摆振现象，而桥梁则需要考虑到横风对桥面的冲击力。
因此，在风荷载分析中，工程师需要根据结构的形状和几何特征来确定合适的风荷载模型。
此外，风荷载的分析还需要考虑到结构的材料特性和强度。
不同材料的抗风性能各不相同，因此在设计过程中需要选择合适的材料。
同时，工程师还需要根据结构的强度和刚度来确定合理的安全系数。
这样可以保证结构在风力作用下不会发生过度变形和破坏。
在风荷载分析的过程中，工程师可以采用多种方法和工具来辅助计算和模拟。
例如，可以利用计算机软件进行数值模拟和风荷载计算。
同时，还可以通过实验室测试和风洞试验来验证分析结果的准确性。
这些方法和工具的应用可以提高风荷载分析的精度和可靠性。
最后，风荷载分析与设计不仅仅是为了满足建筑物的安全要求，还可以为结构的优化设计提供参考。
通过合理的风荷载分析，可以发现结构的薄弱环节和设计缺陷，并采取相应的措施进行改进。
这样可以提高结构的抗风能力，延长其使用寿命。
综上所述，风荷载分析与设计是工程结构设计中的重要环节。
它需要考虑到风力的大小、方向和变化规律，结构的形状和几何特征，材料的特性和强度等因素。
通过合理的分析和设计，可以保证结构在风力作用下的稳定性和安全性，同时还可以为结构的优化设计提供参考。
因此，工程师在进行结构设计时必须要掌握风荷载分析与设计的技术。
章4 风荷载 (2)
不同重现期与常规50年时风压比值：
r 0.336lg T0 0.429
重现期
/年 比值 1.114 1.0 0.916 0.734 0.353 0.239
100
50
30
10
1
0.5
荷载规范2012规定了考虑地形的修正系数
4.2 风压
4.2.4 山区的基本风压 山峰与山坡顶部B点 其他位置线性插值
当v
1 2 w1 v c 2
0 时， w1 wm （气流冲击结构物后其截面中心点产生的最大气流压强） 当v 时， w1 wb （气流原先压力强度） 1 2 wb v wm 2 2 1 2 v 风工程风压 w wm wb v 2 2g v2 风压： w (kN/m2) 1630
4.3.1 风荷载体型系数
【例1】 封闭式双坡屋面
s
150
-0.6
300
0
600
+0.8 +0.8
s
-0.5 -0.5
注：中间值按插入法计算
【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形)
-0.7
+0.8
-0.7
-0.5
4.3.1 风荷载体型系数
群体建筑(漩涡相互干扰)
• 群体效应=单体建筑体型系数×相互干扰增大系数
脉动风荷载的共振分量因子：
静风 软风 轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
4.2 风压
4.2.1 风压与风速的关系
流向 高压气幕 建筑物
小股气流
压力线
w1dA
dl
(w1+dw1)dA
风压的形成
w=v2/2
第4章 风荷载
第四章风荷载主要内容：¾4.1 风的有关知识¾4.2 风压¾4.3 结构抗风计算的几个重要概念¾4.4 顺风向结构风效应¾4.5 横向结构风效应4.1 风的有关知识1 . 风的形成由于存在压力差或气压梯度，空气从气压高的地方向气压底的地方流动而形成风。
2 . 两类性质的大风1.台风弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡旋内部产生上升和对流运动→加强涡旋→‥‥‥→台风2.季风冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆3. 我国的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，年年受台风直接影响，是我国的最大风区。
(2)东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆上的大风区。
风速梯度由沿海指向内陆。
台风登陆后，由于受地面摩擦的影响，风速能弱很快，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。
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4-5km，也属较大风区。
(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，形成我国最小风区。
4. 风级为了区分风的大小，根据风对地面（或海面）物体影响程度，常将风划分为13个等级。
风速越大，风级越大，由于早期人们还没有仪器来测定风速，就按照风所引起的现象来划分风级。
风的13个等级如表4-1所示。
b w m w（5）基本风速的重现期设基本风速的重现期为T0年，则1/T为每年实际风速超过基本风速的概率，每年不超过基本风速的概率为：基本风压：当地比较空旷平坦地面上，离地10m高处统计所得50年一遇10分钟时距内的最大风速。
建筑结构设计中的风力与风荷载分析
建筑结构设计中的风力与风荷载分析风力与风荷载分析在建筑结构设计中扮演着至关重要的角色。
本文将探讨风力对建筑物的影响，并详细介绍风荷载的计算方法和应对措施。
一、风力对建筑结构的影响风力是由大气运动引起的空气流动力量，当风吹向建筑物时，其产生的压力和力矩会对结构造成影响。
对于高层建筑和长跨度结构来说，风力作用更为明显。
风对建筑物的影响主要表现为静风压和动风荷载。
静风压描述了风对建筑物表面的压力分布情况，而动风荷载则是风对建筑物结构的力矩和力的作用。
二、风荷载的计算方法风荷载的计算需要考虑多个因素，包括建筑物的高度、形状、曝风面积和当地的气象条件等。
以下是常用的计算方法：1. 基本风速的确定：根据当地的气象数据和规范要求确定基本风速。
2. 载荷压力的计算：根据建筑物的形状和曝风面积，采用规范提供的公式计算不同部位的载荷压力。
3. 动力风荷载的计算：通过求解结构的振型和阻尼参数，采用相关公式计算建筑结构的动力风荷载。
4. 风作用效应的考虑：考虑到风对结构的作用效应，例如风致振动、风致振荡等，进行相应的分析和计算。
三、应对风荷载的措施为了保证建筑结构的安全性和稳定性，需要采取一系列的措施来减轻风荷载的影响。
1. 结构设计的优化：通过合理的结构形式和布局，减小风荷载的作用。
2. 风洞试验与数值模拟：通过风洞试验和数值模拟技术，研究风场分布及结构响应，优化结构设计。
3. 风挡设施的设置：在建筑物周围设置风挡设施，减小风力对结构的作用。
4. 结构加强与防护：对于特殊的地质条件和建筑要求，采用增强结构或者加装防护设施的方式应对风荷载。
结语风力和风荷载在建筑结构设计中具有重要的地位，对建筑物的安全性和稳定性起着至关重要的作用。
通过合理的风荷载分析和有效的措施应对，可以确保建筑物在恶劣气候条件下的稳定运行。
第四章 风荷载
§4.3
风压高度变化系数
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）为方便设计人员使用，用风 压高度变化系数 综合考虑不同高度和不同地貌情况的影响。对于平坦或稍 有起伏的地形，风压高度变化系数直接按下表取用；对于山区的建筑物， 风压高度变化系数除由下表确定外，还应考虑地形条件的修正。表中地貌 （地面粗糙程度）分为A、B、C、D四类。
§4.2
基本风速和基本风压
3. 平均风速的时距 风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。 平均风速与时距的大小有密切关系，如果时距取的很短，例如3s，则平均 风速只反映了风速记录中最大值附近的较大数值的影响，较低风速在平均 风速中的作用难以体现，致使平均风速较高；相反，如果时距取的很长， 例如1天，则必定将一天中大量的小风平均进去，致使平均风速值较低。一 般来说，时距越大，平均风速越小；反之，时距越小，则平均风速越大。
§4.1
风的基本知识
4.1.3 我国的风气候总况
§4.1
4.1.4 风级
风的基本知识
为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度将风划为若 干等级。风力等级（wind scale）简称风级，是风强度的一种表示方法。 国际通用的风力等级是由英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的，故又 称蒲福风力等级(Beaufort scale )。 由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分 等级，最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小，分为 13个等级（0～12级）。 后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由 12级台风 扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。
§4.2
基本风速和基本风压
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风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
脉动风荷载的空间相关性系数: 竖直方向的相关系数:
10 H 60e H / 60 60 z H
水平方向的相关系数:
x
10 B 50e B / 50 50 B
36
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构振型系数： 振型：结构在振动中各质点的相对位移。
38
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构基本周期经验公式——高耸结构：
T1 (0.007 ~ 0.013) H
钢结构可取高值，钢筋混凝 土结构可取低值。对于具体 的高耸结构，如烟囱和石油 化工塔架，其基本自振周期 的计算有更为精确的公式， 可参考《荷载规范》附录 F.1.2。
39
第4章
第4章 风荷载
风的基本知识 风压 顺风向结构风效应
横风向结构风效应 扭转风振 风荷载组合工况
第4章
风荷载
风的基本知识
风的形成 两类性质的风 风力等级
风对建筑物的影响： 风压，水平力 风振，包括顺风向风振和横风向风振
2
第4章
风荷载
风压-基本风速
标准条件： 空旷平坦地面 距离地面10m高 取10min平均风速作为一个样本 取1年内的最大样本作为年最大风速 取50年或100年内最大的年最大风速，作为基本风速 对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压按100年重现 期的风压值采用（>60m）
47
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
48
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
49
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
50
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（3）风振系数
51
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
承重结构： wk=βzμsμzw0
围护结构：wk=βgzμslμzw0
思考：公式中各系数的意义是什么？
42
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
计算步骤：
确定基本风压 确定风荷载体型系数或局部风压体型系数 确定风压高度变化系数 确定结构基本周期 确定脉动风荷载的空间相关系数 确定振型系数 确定脉动风荷载的背景分量因子 确定脉动风荷载的共振分量因子 确定风振系数。 确定风荷载标准值
10
第4章
风荷载
风压-基本风压的采用
按新版《高规》的规定，超过60m的高层建筑，在计算风 荷载作用下构件的承载力时，风压值取基本风压的1.1倍； 在计算风荷载作用下结构或构件的变形时，风压值仍取基 本风压。
11
第4章
风荷载
风压-山区基本风压
C
山峰和山坡，顶部B处的修正系数：
B
z
B H
A
α
8
第4章
风荷载
风压-风速与风压的关系
理想状态：
流向 小股气流 高压气幕 建筑物
w1d A
(w1 + dw1 )d A
2 1 2 w v v 2 2g
9
w = 1 ρv2 2
(b)
第4章
风荷载
风压-风速与风压的关系
1 2 w v 2
比窦娥还冤的某农牧学院
一阶振型
二阶振型
三阶振型
对顺风向响应一般可仅考虑第1振型的影响 对横风向的共振响应，一般考虑4个振型的影响
37
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
结构振型系数：
上大下小
比较均匀
上小下大
弯曲型：高耸结构（或剪力墙结构） 弯剪型：高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时 剪切型：低层建筑结构
(b )
(c )
_
+ _
+
+ 5°
+ 30°
+ 45°
(b )
(c )
(d )
坡度小,负压；30°,≈0；>45°,正压
17
第4章
风荷载
风压-风荷载体型系数：定义及确定方法
定义：建筑物实际风压与理想风压的比值
确定方法： 理论分析：达不到 实测：浪费时间和财力，且只能在已建的结构物中进行 风洞试验：选测点→实测风压/理想风压→加权平均→ 风荷载体型系数
40
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-阵风系数
阵风系数：在不考虑风振系数时，考虑到瞬时风比平 均风要大所乘的系数
α
βgz
z 1 2gI10 10
阵风系数，可以 理解为阵风风速 与平均风速的比 值。
41
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
0.8
s 0.8 1.2 / n
0.8 -0.5
27
第4章
风荷载
风压-群体风压体型系数
美国硅谷
28
第4章
风荷载
风压-群体风压体型系数
中国上海
29
第4章
风荷载
风压-群体风压体型系数
B
当L/B≥7.5时，增大系 数取1.0（不考虑） 当L/B≤3.5时，顺风向 增大系数及当L/B≤2.5时 横风向增大系数按表4-9 取值
x、ζ1、kw、f1分别表示什么意思，如何计算？
34
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风振系数
脉动风荷载的背景分量因子Bz :
1 ( z ) Bz kH x z z ( z)
1
k、 α1、 ρx、 ρz、Φ1 (z)、 μz (z)分别表示什么意思，如 何计算？
35
第4章
3
第4章
风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素——时距
v
短时距 长时距
t
思考：时距越大，平均风越大还是越小？Why?
4
第4章
风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素——高度、地面粗糙度
随高度增加而增大，地面越粗糙，加速度越慢
5
第4章
风荷载
风压-基本风速
地面粗糙度四中分类： A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇 C：有密集建筑群的城市市区 D：有密集建筑群且房屋较高的城市市区
6
第4章
风荷载
风压-基本风速
Q( t)
风荷载影响因素——重现期
p 1, r 50, 1
o
T
t
重现期越长，风速越大，风压也越大 哈尔滨： 10年 —0.35，50年—0.55，100年—0.70 图 7-6 风、雪活荷载的实用化样本函数
7
第4章
风荷载
风压-基本风速
风荷载影响因素总结： 时距越大，风速越小 高度越大，风速越大（梯度风高度范围内） 地面越粗糙，风速越小 重现期越长，风速越大
45
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
解：
风 荷 载 标 准 值按 wk=βzμsμzw0 计 算 ， 为简化起见，将建筑物沿高度分为10个区
段，每个区段的高度均为10m，取其中点
位置的风荷载作为该区段的平均风荷载。 由于该建筑的总高度为 100m ，基本风压 应 按 50 年 一 遇 风 压 值 的 1.1 倍 取 用 ， 即 w0=1.1×0.55=0.605kN/m2
wk10 wk9 wk 8 wk7 wk6 wk5 wk4 wk3 wk2 wk1
46
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（1）风荷载体型系数
该高层建筑平面为正方形，高宽比D/B=1，μs=1.4。
（2）风压高度变化系数
由教材表4-8，根据场地粗糙度类别为C类，可查出各区段中点位置 的风压高度变化系数，列于表4-11中。
塔克马海峡大桥 853m
开车体会开船的 感觉 19m/s，共振 好莱坞拍电影
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第4章
风荷载
风压-风荷载体型系数：风灾
塔克马海峡大桥新桥
25
第4章
风荷载
风压-风荷载体型系数：风灾
塔克马海峡大桥新桥
26
第4章
风荷载
风压-风荷载体型系数：取值
圆形：0.8
一般的矩形：1.3 正多边形： V形、Y形、弧形等：1.4 《荷载规范》7.3.1条
（4）各区段中点高度处的风荷载标准值
52
第4章
风荷载
， 顺风向结构风效应-风荷载标准值
（5）风荷载引起的基底弯矩值
53
第4章
风荷载
，
横风向结构风效应
54
第4章
风荷载
， 横风向结构风效应-考虑对象
塔架、烟囱、缆索等细长的柔性结构
15
第4章
风荷载
风压-风荷载体型系数：风压分布规律
停滞点 旋涡区 驻涡区 尾流区
有旋涡的地方可能会产生负压 立面图：迎风面停滞点风压最大，上下均减小 平面图：两侧旋涡不同时脱落会引起横向振动
16
第4章