顺风向结构风效应
《工程结构荷载及可靠度设计》课程笔记
《工程结构荷载及可靠度设计》课程笔记第一章：荷载类型1.1 荷载与作用荷载是指作用在结构上的各种力，它们可以导致结构的变形、位移或破坏。
荷载通常分为两类：直接作用和间接作用。
1. 直接作用：指直接施加在结构上的力，如人的重量、家具、车辆等。
这些力可以直接作用在结构的某个部分，导致该部分产生应力、应变和变形。
2. 间接作用：指不是直接施加在结构上的力，但会通过结构的一部分传递到另一部分，如温度变化、地震等。
这些力不会直接导致结构产生应力，但会通过结构的变形和位移产生影响。
1.2 作用的分类荷载作用可以分为以下几类：1. 恒载：指在结构使用过程中始终存在的荷载，如结构自重、固定设备等。
恒载的大小和作用点一般不会发生变化。
2. 活载：指在结构使用过程中可能变化的荷载，如人的活动、车辆的行驶等。
活载的大小和作用点可能会随着时间发生变化。
3.偶然荷载：指在结构使用过程中可能发生，但发生概率较小的荷载，如意外事故、爆炸等。
偶然荷载的大小和作用点通常难以预测。
4.地震作用：指地震时地面的震动对结构产生的影响。
地震作用是一种特殊的偶然荷载，其大小和作用点取决于地震的强度和震中距离。
5.风荷载：指风对结构产生的影响。
风荷载的大小和作用点取决于风速、风向和地形等因素。
6.温度作用：指温度变化对结构产生的影响。
温度作用可能导致结构产生膨胀或收缩，从而产生应力、应变和变形。
7.变形作用：指由于地基沉降、结构老化等原因导致结构产生的变形。
变形作用可能会导致结构的应力、应变和位移发生变化。
8.爆炸作用：指由于爆炸事故对结构产生的影响。
爆炸作用通常会导致结构产生局部破坏或整体破坏。
9.浮力作用：指由于水的浮力对结构产生的影响。
浮力作用通常发生在水下结构或浮体结构中。
10.制动力、牵引力与冲击力：指由于车辆行驶、机械运动等原因对结构产生的影响。
这些力可能会导致结构产生振动、噪声和疲劳损伤。
11.预加力：指在施工过程中预先施加在结构上的力，如预应力混凝土结构中的预应力钢筋。
荷载与结构设计方法-风荷载
A类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度指数αA =0.12，梯度风高度 H=T3A 00m。
B类是指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，
取地面粗糙度指数 αB =0.16，梯度风高度 HTB 350m。 C类是指有密集建筑群的城市市区，取地面粗糙度指数 αC =0.22，梯度风 高度 HTC 400m。
6～11
3
微风
0.6
1.0
渔船渐觉簸动，随风移行每小时 5～6km
树叶及微枝摇动不息，旌旗展开
12～19
4
和风
1.0
1.5 渔船满帆时船身倾于一侧
能吹起地面的灰尘和纸张，树的小枝摇动
20～28
5
清劲风
2.0
2.5 渔船缩帆(即收去帆的一部分)
有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波
29～38
6
强风
3.0
4.0 渔船加倍缩帆，捕鱼须注意风险 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难
75～88 89～102
11
暴风
11.5
16.0 汽船遇之极危险
陆上很少，有时必有重大损毁
103～117
12
飓风
14
- 海浪滔天
陆上绝少，其捣毁力极大
118～133
<10
1～3 4～6 7～10 11～16 17～21 22～27 28～33 30～40 41～47 48～55 56～63 64～71
0～0.2
0.3～1.5 1.6～3.3 3.4～5.4 5.5～7.9 8.0～10.7 10.8～13.8 13.9～17.1 17.2～20.7 20.8～24.4 24.5～28.4 28.5～32.6 32.7～36.9
浅谈风对建筑的破坏作用
浅谈风对建筑的破坏作用近年来，随着经济的发展,人们对建筑物的各方面提出了更高的要求。
其中风对建筑的影响是不可忽略，尤其在大型建筑，如桥梁等大跨度结构。
也由此建立了结构抗风的研究.风对构筑物的作用从自然风所包含的成分看包括平均风作用和脉动风作用,从结构的响应来看包括静态响应和风致振动响应。
平均风既可引起结构的静态响应，又可引起结构的横风向振动响应。
脉动风引起的响应则包括了结构的准静态响应、顺风向和横风向的随机振动响应。
当这些响应的综合结果超过了结构的承受能力时，结构将发生破坏。
本文从高层建筑和桥梁两方面简单介绍风对建筑的破坏作用。
一风对高层建筑的影响风荷载是衡控制高层建筑结构刚度和强度的重要荷载之一.由于高层建筑广泛使用全钢架结构和大面积玻璃幕墙，使得结构的柔性增加，阻尼变小,结构的自振周期与长的风速周期较远.所以风对高层建筑的影响很大。
在建筑物的迎风面产生压力（气体流动产生的阻力） , 包括静压力和动压力；在横风向产生横风向干扰力 ( 气体流动产生的升力 ); 空气流经建筑物后产生的涡流干扰力 (包括背风向的吸力） .这些风荷载随着风的速度、风的方向、风本身的结构及作用的建筑物的体型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化, 而建筑物在风荷载作用下产生的运动反过来又会影响风场的分布状况, 这种相互作用使风荷载更加复杂。
一般来说, 风对建筑物的作用有以下特点: （ 1) 风对建筑物的作用力包含静力部分和动力部分, 且分布不均匀, 随作用的位置不同而变化； ( 2) 风对建筑物的作用与建筑物的几何外形有直接关系, 主要指建筑物的体型和截面的几何外形；（ 3) 风对建筑物的作用受建筑物周围的环境影响较大。
周围环境的不同会对风场的分布影响很大； ( 4）与地震相比较, 风力作用持续时间较长，有时甚至几个小时, 同时作用也频繁。
对于建筑结构来说, 其风效应包括: 结构的平均风静力反应、脉动风振反应、旋涡干扰风振反应及结构的自激振动反应。
四章节风荷载
最大风速 --随机变量 p
面积 p0=1-1/T0
年平均最大风速 基本风速
年最大风速
年最大风速概率密度分布
每年不超过基本风压的概率或保证率p0=1-1/T0（图中影形面积）
GB50009-2001规定：
以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
内最大风速v0为标准，按w 0= v02/1600确定。
类结构体型及其体型系数 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由
风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。
风洞试验--在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风 剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气紊流纵向分量 --建筑物长度尺寸具有相同的相似常数
？对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及 机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。
《规范》GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表 面风压的正负情况取-0.2或0.2
2、风压高度变化系数z 地面的粗糙度、温度垂直梯度
在大气边界层内，风速随离地面高度而增大 当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面
v(t)
v
vf
t
平均风速 v —长周期成分，周期一般在 10min 以上
脉动风速vf —短周期成分，周期一般只有几秒钟
顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应
平均风 → 忽略其对结构的动力影响 → 等效为静力作用 （∵风的长周期 结构的自振周期）
脉动风 → 引起结构动力响应
风对结构的作用及抗风防护措施
风对结构的作用及抗风防护措施刘宏睿摘要：风灾害是发生频繁的自然灾害．每年会给人类造成重大的生命和财产损失。
工程结构的风灾损失主要形式是结构的开裂、损坏和倒塌。
因此．工程抗风设计计算是工程安全的关键，本文研究了风的特性、风对结构的作用、风设计的主要内容和方法、防风减灾措施。
关键词：风灾；工程结构；抗风设计；防灾措施；一．引言风灾是自然灾害中影响最大的一种。
据有资料显示,从1947～1980年全球十种主要自然灾害中,由台风造成的死亡人数为4919万,占全球自然灾害死亡总人数的41%，比地震造成的死亡人数还多。
1970年11月12～13日袭击孟加拉的一个台风(当地称风暴),死亡人数达30万。
1973年9月14日,7314台风登陆海南岛时风速达60米每秒,使琼海县城夷为废墟。
1992年8月24日安德鲁飓风登陆美国佛罗里达,经济损失高达300亿美元。
2007年10月台风罗莎造成福建省42．91万人受灾，房屋倒塌130间，直接经济损失4.6亿元。
2007年11月孟加拉遭强热带风暴袭击至少1108人死亡，数千人受伤或失踪，数十万人无家可归。
对于工程结构，风灾主要引起结构的开裂、损坏和倒塌，特别是高、细、长的柔性结构。
因此，工程结构的抗风设计是关系到工程安全的重要因素。
本文结合我国有关工程抗风设计的规范，介绍了风对工程结构的作用、抗风设计的主要研究内容和方法和防风减灾措施。
二．风风的形成乃是空气流动的结果，是空气相对于地面的运动。
地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。
1.风形成的原因在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速(或风力)来表示。
空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。
在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。
第四章 风荷载-PPT课件
（ 影 响 是 以 沿 海 开 始 出 现 8 级 风 或 暴 雨 为 标 准 。 ）
2、季风(season wind) 冬季:大陆温度低、气压高；相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋 夏季:大陆温度高、气压低；相邻海洋温度比大陆低 、气压高
风从海洋吹向大陆
三、风级（根据风对地面或海洋物体影响程度） 13个等级（0级12级）（P37，表4-1） 0级 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 10级 11级12级 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
一、结构的风力和风效应 PL 截面 风速 B PM PD
流经任意截面物体所产生的力 结构上的风力 顺风向力→PD 、 横风向力→ PL 、扭力矩→ PM 结构的风效应
~ 由风力产生的结构位移、速度、加速度响应、扭转响应
二、顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线
v(t)
v
vf
t
v 平 均 风 速 — 长 周 期 成 分 ， 周 期 一 般 在 1 0 m i n 以 上
高度 10米高为标准高度 公称风速时距 =10min
1 v v t dt 公 称 风 速 ,即 一 定 时 间 间风速的样本时间
基本风速的重现期T0 基本风速出现一次所需要的时间
o
一年
最大风速 --随机变量
p
面积 p0=1-1/T0
2 v 2 w 风 压 ： ( k N /m ) 1630
3 2 = 0 . 0 1 2 0 1 8 k N / m （ 空 气 单 位 体 积 的 重 力 ） ， g = 9 . 8 m / s
2、基本风压w0 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压 地貌（地面粗糙度）
顺风向结构风效应计算例题
四、示例已知一矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变。
H = 100 m，B = 33m，地面粗糙度指数αa=0.22，基本风压按粗糙度指数为αs=0.15的地貌上离地面高度z s=10m处的风速确定，基本风压值为w0=0.44kN/m2。
结构的基本自振周期T1=2.5s。
求风产生的建筑底部剪力和弯矩。
解：1. 为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区段20m高，取其中点位置的风载值作为该区段的平均风载值，如后页中图所示。
2. 体型系数：μs =1.3。
3. 高度变化系数由例[4-3]知，本例风压高度变化系数为：在各区段中点高度处的风压高度变化系数值分别为：μz （z 1）=0.651 μz （z 2）=0.883 μz （z 3）=1.105μz （z 4）=1.281 μz （z 5）=1.431风载计算简图(350/10)^0.30 * (450/10)^(-0.44) * (z/10)^0.444. 计算各区段中点高度处的第1振型系数(弯剪型结构)f 1(z 1)=0.158, f 1(z 2)=0.352, f 1(z 3)=0.525, f 1(z 4)=0.702, f 1(z 5)=0.894体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑，按下式计算Bz ：5.6.716.0H60e60H 1060/H z =-+=-ρ901.0B50e 50B 1050/B x =-+=-ρ脉动风荷载竖直方向相关系数：脉动风荷载水平方向相关系数：峰值因子：g=2.523.0I 10=10m 高度名义湍流强度：7.)z ()z (716.0901.0100295.0)z ()z (kH )z (B z 1261.0z 1z x z 1μf μf ρρα⨯⨯⨯⨯==背景分量因子：B z (z 1)=0.154，B z (z 2)=0.252，B z (z 3)=0.301，B z (z 4)=0.347，B z (z 5)=0.396将上列数据代入公式：===11f 1T 12.50.4==⨯⨯=>11w 0x 30f k W 300.40.540.4424.6185πξπ=⋅+=⨯⋅+=11212432243R 6x (1x )60.0524.618(124.618)1.1118.计算各区段中点高度处的共振分量因子及风振系数：得各区段中点高度处的风振系数：β=++(z)12gI B 1R 10z 2βz (z 1)=1.265, βz (z 2)=1.434, βz (z 3)=1.518, βz (z 4)=1.596, βz (z 5)=1.680有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）计算由风产生的建筑底部剪力和弯矩分别为：9.计算各区段中点高度处的风压值：=⨯⨯⨯=w 1.265 1.30.6510.440.471kN m12=⨯⨯⨯=w 1.434 1.30.8830.440.724kN m22=⨯⨯⨯=w 1.518 1.3 1.1050.440.959kN m32=⨯⨯⨯=w 1.596 1.3 1.2810.44 1.170kN m 42=⨯⨯⨯=w 1.680 1.3 1.4310.44 1.376kN m5210.=++++⨯⨯=V (0.4710.7240.959 1.170 1.376)20333101.55kN=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯=⨯⋅5M (0.471100.724300.95950 1.17070 1.37690)20331.84910kN m有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）右图为风压沿高度变化曲线和分5段简化的风压对比，各段中点的风压等于计算值，约等于该段风压的平均值。
顺风向脉动风效应和顺风向总风效应
二、顺风向脉动风效应三、顺风向总风效应假定：在脉动风作用下，（竖向悬臂形）结构主要按第一振型振动，按照随机振动理论分析。
高度大于30m 且高宽比大于1.5的房屋基本自振周期T 1大于0.25s 的高耸结构21z z 21s 100q R 1)z ()z (B m )z (B I w 21+⋅=φμωμσ)z (B w )z (R 1B gI 2)z (P 0z s 2z 10d μμ+=2z 10R 1B gI 21)z (++=β主结构：阵风系数围护结构：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）风致动力响应（a）风速或风荷载时程（b）高频结构的响应时程(周期短的结构)（c）低频结构的响应时程(周期长的结构)对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，可按下式计算：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）空间相关系数——空间相关性脉动风荷载的空间相关系数：(1)竖直方向的相关系数可按下式计算：(2)水平方向的相关系数可按下式计算：(3) 对迎风面宽度较小的高耸结构，水平方向相关系数可取。
对于低多层建筑结构(对于高层建筑结构(对于高耸结构(结构的顺风向风荷载可按下式计算：z高度处的风振系数βz可按下式计算:知识拓展：如何减小结构风效应？？-> 加强结构，其它方法？上海中心（总高632米）——“上海慧眼”（位于583.4米）一个重达1000吨的“超级巨无霸”，它由吊索、质量块、阻尼系统和主体结构保护系统四个部分组成，是目前世界上最重的摆式阻尼器质量块(调频质量阻尼器，tuned mass damper ，TMD )。
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第四节顺风向结构风效应顺风向风效应= 平均风效应
一、顺风向平均风效应
1. 风载体型系数
结构表面风压与同一高度来流风速对应的风压的比值
实际风到达工程结构物表面并不能理想地使气流停滞，而是让气流以不同方式在结构表面绕过。
但伯努利方程仍成立，即：
风洞试验
图：气流通过拱形屋顶房屋示意图
复杂结构
产生正负压
风载体型系数：由于气流会以不同的方式在
结构表面流过，故实际结构物所受的风压不能
直接按照风速与风压的关系计算，而需要对其修正，其修正系数与结构物的体型有关，故称为风载体型系数
封闭式双坡屋面的风荷载体型系数
风荷载体型系数+0.8而不是+1.0？
注意：侧风面-0.7，背风面
-0.5
Pressure from wind on windward surfaces
Wind direction
Pressure
Wind damage scenario
Suction on roof surfaces Wind direction
Suction on side wall
Wind direction
Wind damage scenario
Wind direction
Suction on leeward wall
Wind damage scenario
建筑结构荷载规范(GB50009-2012)有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
(GB50009-2012)
建筑结构荷载规范
4-10
轻钢规范CECS2002
目前风洞试验是确定复杂结构风荷载（尤其是脉动风荷载）的唯一可靠方法
相同大气环境下（即同一地区）：不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即:
任意地貌任意高度z a的风压（书：任意地貌基本风压）
与标准地貌的基本风压的关系：
2.风压高度变化系数
为何引入此概念？
或
3.平均风下结构的静力风载
:
任意粗糙度任意高度的风压与标准粗糙度下标准高度处的基本风压
的比值
任意地貌10米高度(z a )的风压（书：任意地貌基本风压）与标准地貌的基本风压的关系：
z a =z s =10 米
z
μ风压高度变化系数
考虑到近地面风速的
不确定性较高，规范还分
别规定了四类地貌的风压高度变化系数截断高度，
对应A 、B 、C 、D 类地貌分别取5m 、10m 、15m 和30m ，即风压高度变化
系数取值分别不小于1.09、1.00、0.65和0.51。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
我国各类地貌的a及H T值
建筑结构荷载规范(GB50009-2012)
地貌A B C D 地面粗糙度指数a0.120.150.220.30 (m)300350450550梯度风高度H
T
截断高度z
(m)5101530。