工程中风压-风荷载理论定义和计算方法

第一章风、风速、风压和风荷载第一节风的基本概念风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。

气流一遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。

风速愈大，对结构产生的压力也愈大，从而使结构产生大的变形和振动。

结构物如果抗风设计不当，或者产生过大的变形会使结构不能正常地工作，或者使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。

风引起对结构作用的风荷载，是各种工程结构的重要设计荷载。

风荷载对于高耸结构(如塔、烟囱、桅杆等)、高层房屋、桥梁、起重机、冷却塔、输电线塔、屋盖等高、细、长、大结构，常常起着主要的作用。

因而，风力的研究，对工程结构，特别对上述工程结构，是设计计算中必不可少的一部分。

对结构安全产生影响的是强风，可分为热带低压、热带风暴、台风或飓风、寒潮风暴、飑风、龙卷风等。

不同的季节和时日，町以有不同的风向，给结构带来不同的影响。

每年强度最大的风对结构影响最大，此时的风向常称为主导风向，可从该城市(地区)的风玫瑰图得出。

由于风玫瑰图是由气象台得出的，建筑所在地的实际风向可能与此不同，因而在结构风丁程上，除了某些参数需考虑风向外，一般都可假定最大风速出现在各个方向上的概率相同，以较偏于安全地进行结构设计。

关于需考虑风向的参数将在下面有关章节中加以说明。

风可以有一定的倾角，相对于水平一般最大可在±10°到—10°内变化。

这样，结构上除水平分风力外，还存在上下作用的竖向分风力。

竖向分风力对细长的竖向结构，例如烟囱等，一般只引起竖向轴力的变化，对这类工程来讲并不重要，因而只有像大跨度屋盖和桥梁结构，竖向分风力才应该引起我们的注意。

但其值也较水平风力为小，但属于同一数量级。

根据大量风的实测资料可以看出，在风的时程曲线中，瞬时风速。

包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10min以上；另一种是短周期部分，常只有几秒左右。

图1—1是风从开始缓慢上升至稳定值后的一个时程曲线示意图。

根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风(即稳定风)和脉动风(即阵风脉动)来加以分析。

平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期远远地大于一般结构的自振周期，因而这部分风虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用相近，因此可认为，其作用性质相当于静力。

脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。

由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作用性质完全是动力的。

研究表明，脉动风的影响与结构周期、风压、受风面积等有直接影响，这些参数愈大，影响也愈大，兼之结构上还有平均风作用，因而对于高、细、长、大等柔性结构，风的影响起着很大的、甚至决定性的作用。

第二节风力强度表示法不同的风有不同的特征，但它的强度常用风速来表达。

最常用的风速分类有两种，即范围风速和工程风速。

一、范围风速将风的强度划分为等级，用一般风速范围来表达。

常用的有：蒲福风速表；福基达龙卷风风力等级表。

(一)蒲福风速表英国人蒲福(F．Beaufort)于1805年拟定了风级，根据风对地面(或海面)物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。

由于最初根据地面(或海面)物体对风的影响程度比较笼统，后来逐渐采用以风速的范围来表示风级，几经修改，自0至12共分13个等级。

自1946年以来，风力等级又作了某些修改，并增加到18个等级，如表1-1所示。

其中前13个等级就是我们在气象广播中所听到的风的等级，可以看出，7级或7级以上的风力才能对生活或工程结构造成不便或威胁，直至结构倒塌。

第二章结构风工程的分析基础(结构动力学、可靠指标)结构风工程的理论基础和分析与结构动力学有密切关系，它的工程应用在我国要涉及我国结构安全度标准——可靠指标来决定。

现将这两个最重要的基础理论问题分节叙述。

第一节结构动力学基础一、结构动力方程实际结构均为连续分布质量体系，为无限自由度体系。

如果分为有限个单元，取单元间连接处的位移为未知数，而且单元特性不是按偏微分方程而是按假定位移函数列出，则可列出有限个只包括单元连接点位移为未知数的常微分方程组，成为有限自由度体系。

如果质量集中于有限个点，则亦为有限自由度体系，每个质量处的位移仅可用时间自变量即可列出，因而运动方程亦为常微分方程组。

1．按有限自由度体系计算运动方程为2．按无限自由度体系计算实际上，当有限自由度体系的自由度足够多时，就接近无限自由度。

高细结构无限自由度运动方程为二、结构动力特性结构动力特性一般包括自振频率、振型及阻尼比，它在风力响应的分析中是必须用到的。

1．结构自振频率和振型结构自振频率和振型的计算应根据结构动力学进行，这里重点介绍用得最多的按有限自由度体系计算、按无限自由度体系计算以及工程实用的近似计算方法。

(1)按有限自由度体系计算A有限单元法按式(2-1)，将阻尼力和千扰力去除，即为以连接点位移1厶}为未知数的自由振动方程相应的频率方程为第三章基本风速或风压及非标准情况的换算第一节基本风压的定义及确定方法根据风速，可以求出风压。

但是风速随高度不同而不同，位置愈高，风速愈大，而且周围环境不同，风速亦有不同，因而风速随建筑物所在地区的地貌等等而变化。

为了比较不同地区风速或风压的大小，必须对不同地区的地貌、测量风速的高度等有所规定。

按规定地貌和高度所确定的风速或风压，称为基本风速或基本风压。

因为风压对结构受力分析较为直接，因此基本风压在规范中用得比较普遍。

基本风压的定义根据我国的具体标准可概括为：基本风压系以当地空旷平坦的地面上、离地10m高度上经统计所得的50年一遇及lOmin平均最大风速vo(m／s)为标准，按Mo1/2ρv2所确定的风压值(ρ为当地空气密度)。

不同国家可有不同的标准。

概括起来，基本风压有以下6个条件规定来定义。

1．标准高度的规定风速随高度而变化。

离地面愈近，由于地表摩擦能量消耗较大，风速较小；离地愈高，能量消耗逐渐减少，风速则愈来愈大。

因此必须规定一标准高度以便于换算和比较。

我国气象台记录风速仪高度大都安装在8-12m之间，为便于计‘算而不必换算，我国规范规定以10m 高为标准高度，这样记录下来的风速或风压就是基本值。

2．标准地貌的规定地表愈粗糙，例如大城巾市中心，风能消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈小。

粗糙度愈小，例如海岸附近，平均风速很高，空旷平坦地区次之，小城市又次之，大城市中心最小。

由于粗糙度不同，影响着平均风速或风压的取值，因此有必要为平均风速规定一个共同的地貌标准。

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，巳一般周围空旷平坦地区居多，因而我国及世界大多数国家的规范规定，基本风速或风压是按观测场地周围的地形为空旷平坦，要避免局部地形和环境的影响。

3．平均风速的时距平均风速的数值与时距的取值很有关系。

如果时距取得很短，例如3秒钟，则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中，较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高。

如果取得很长，例如1天，则必定将1天中大量的小风平均进去，较高风速在该长时距中起不到显著作用，其值一般偏低。

一般来说，时距愈短，平均风速愈大，时距愈长，平均风速也就愈小。

风速记录表明，阵风的卓越周期约为1分钟，如果取若干个周期的平均风速，则可反映记录数据中较大风速实际作用。

通常认为10分钟(约10个周期)至1小时(约60个周期，由于阵风有较长的持续性，衰减较慢)其平均值基本上是一稳定值，因而我国规范规定以10分钟作为取值标准。

4．最大风速的样本最大风速样本的取法影响着平均风速的数值。

如果以日最大风速为样本，则一年365个样本，平时小风速的日子的风速值占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占1／365的权，因而最大风速的重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低。

如果采用月最大风速，则每年最大风速在整个数列中也只占1／12的权，也降低了最大风速所起的重要性，所得结果也是偏低的。

对于工程结构应该能承受一年中任何日子的极大风速，因此应取年最大风速为样本。

最大风速有它的自然周期，每年季节性地重复一次，因而采用年最大风速作为一个样本，较为合适。

世界各国基本上都是取年最大风速作为统计样本的。

选取的年最大风速数据，一般应有25年以上的资料；当无法满足时，至少也不少于10年的风速资料。

在风速资料中，气象站可记录得不同方向的风速数据。

统计资料表明，按风向考虑的风速或风压，偏安全地取影响系数为o．9L39]。

如果要具体地按风向考虑，由于气象站记录的风向，经过不同路径、不同地貌的影响，到达建造地区的风向与气象站记录的风向可有一定的或较大的不同。

在无实际建造地区的测试资料或从气象站合理换算风向公式时，目前仍偏安全地取任一风向的年最大值来取值。

5．最大风速的重现期以年最人风速作为样本，则各年的数据必然各不相同。

我们不能取各年最大风速的平均值作为设计依据，因为大于该平均值的年数必然很多，而应取大于平均值很多的某个值来进行设计。

该设计值选取的标准应是：大于该值的设计风速并不是经常出现的，而是间隔一定的时期后再出现，这个间隔时期，称为重现期。

从概率意义上，该设计标准也可理解为不超过该值的概率或保证率，体现了结构的安全度标准。

这样结构的重现期与不超过该设计值的保证率具有一定的关系。

由于最大风速的样本以年最大风速为标准，因而重现期通常亦；以年为单位。

设重现期为To年，则1／To为超过设计最大风速的概率，因此不超过该设计最大风速的概率或保证率Pu应为重现期愈长，保证率也就愈高。

各国由于各自的标准不同，重现期的选择也各不相同。

我国荷载规范说明，对一般结构，重现期为50年，但不得小于0．3kN／m2。

6．最大风速的线型为了求出设计最大风速x，必须确定重现期或保证率。

由于涉及概率计算，必须知道最大风速的统计曲线函数，即概率密度函数P(x)或概率分布函数p(x)。

这些函数所表达的曲线型式，常称为线型。

设计最大风速，与线型p(x)或p(x)以及重现期ro或保证率户。

的关系示意图见图3-1。

第四章风压高度变化系数第一节任一地貌任一高度风压计算基本公式前一章讨论了基本风压，它在标准地貌(平坦空旷地区，我国规范划为B类)下10m高处的风压值。

工程结构可处在任一地貌之下，所要求风压的点町以任意高度，因此应求出任一地貌任一高度处的风压与标准地貌10m高处基本风压的关系。

图4-1是加拿大AC．Davenport根据多次观测资料整理出不同地貌下平均风速沿高度的变化规律，它常称为风剖面，它是风的重要特性之一。

图4-1是以100标称而绘出的。

可以看出，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200~500m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，从而达到所谓梯度速度，出现这种速度的高度叫梯度风高度，用HT来表示。