结构风工程

1 n x E x xi n i 1 2 xi x x i 1 n 1
n 12
整理后可得到参数μ和σ，则极值Ⅰ型的概率分布函数F 1(x)就确 定了。 6、用极值Ⅰ型分布求基本风速 对
F1 x exp
地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力,从而 使气流速度减慢,该阻力对气流的作用随高度的增加而减弱,当 超过了某一高度之后,就可以忽略这种地面摩擦的影响,气流将 沿等压线以梯度风速流动,称这一高度为大气边界层高度或边 界层厚度，用δ表示。在边界层以上的大气称为自由大气，以 梯度风速流动的起点高度称作梯度风高度，用z G表示，梯度 风速用v z G表示。
Zc
V zc
自由大气
大气边界层
梯度风高度
边界层厚度
§2.2
平均风剖面
一、对数律 平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种主要方法。 目前，气象学家认为用对数律表示大气底层风速廓线比较理 想，其表达式为
1 * z v z v ln k z0
v z
式中
§3.1
基本风速和基本风压
基本风速是不同地区气象观察站通过风速仪的大量观察、 记录，度按照我国规定标准条件下的记录数据进行统计分析进 而得到该地的最大平均风速。标准条件是指标准的地面粗糙度 类别、标准高度及重现期、平均风时距和平均风概率分布类型 等。 一、基本风速
1、标准地面粗糙度类别
地面粗糙度为地面对风速的影响程
5、由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不 舒适感。
美国塔科马大桥
1940年，美国华盛顿州塔科马 （Tacoma）海峡建造的塔科马悬索桥，主 跨853米，建好不到4个月，就在一场风速 不到20m/s的灾害下产生上下和来回扭曲振 动而倒塌了。
第二章
大气边界层的平均风特性
§2.1 大气边界层
二、指数律
在较早的时候，对于平均地形的平均风速廓线一直采用 1916年G.Hellman提出的指数规律，后来由A.G.Davenport根据多 次观测资料整理出不同地面的风剖面，并提出平均风速沿高度 变化的规律可用指数函数描述。
v z z vb zb

式中：
zb , vb
4、由空气负阻尼引起的横向失稳式振动。
因此，由于风对结构的作用，会产生以下结构： 1、使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定； 2、使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外 装修材料的损坏；
3、由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；
4、气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动 力；
台风云图
我国风云一号气象卫 星
在台风中围绕云墙的边缘有一条相当清 楚的环状下沉运动带；而在环状下沉运动 带的外面是台风的外围对流带。
§1.2 结构风灾 国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾千成的损失 为各种灾害之首。例如1999年，全球发生严重自然灾害共造成800 亿美元的经济损失，其中，在被保险的损失中，飓风造成的损失 占70%。 一、台风灾害 1、9417号台风对浙江温州市的影响 受灾人口达1100万，死亡1100人，直接经济损失100亿元人民 币。 2、9914号台风对福建沿海的影响 风速达38m/s，死亡72人，失踪21人，直接经济损失85.6亿元 人民币。
结构风工程
结构工程 防灾与减灾工程
黄本才编著 教 材：结构抗风分析原理及应用 同济大学出版社 参考书：工程抗风设计计算手册 中国建筑工业出版社 张相庭编者
第一章
§1.1
绪
言
自然界的风
风是空气相对于地面的运动。因太阳对地球大气加热的不均 匀性，导致不同地区产生压力差，从而产生趋于平衡的空气流动， 便形成了风。 热带气旋（Tropical Cyclone）
4、台
风：热带气旋中心附近的最大平均风力12级或以上。
在2000年以前，按年份和出现次数对热带气旋编号，9914 号为福建省厦门—龙海台风。在2000年以后，按名字命名，如 0418“艾利”。
影响我国的热带气旋都发生在西北太平洋面上，在我国登 陆的台风占整个西北太平洋台风总数的35%。 在北半球，热带气旋的风向按逆时针旋转；而在南半球， 热带气旋的风向按顺时针旋转。
台风在危害人类的同时，也在保护人类。 台风给人类送来了淡水资源，大大缓解了全 球水荒。一次直径不算太大的台风，登陆时 可带来30亿吨降水。另外，台风还使世界各 地冷热保持相对均衡。赤道地区气候炎热， 若不是台风驱散这些热量，热带会更热，寒 带会更冷，温带也会从地球上消失。一句话， 台风太大太多不行，没有也不行。
作数值变换 exp x
x1 x ln ln F1
将已知的μ和σ代入，便可写成
x1 x x
x1即为所要求的设计最大风速，或基本风速，符号ψ称为保证 系数，其表达式如下：

0.5772 ln ln F1
台 自然界常见的风
飓 季
风（Typhoons）
风（Hurricanes） 风（Monsoons）
龙 卷 风（Tornadoes）
一、热带气旋、台风 发生在低纬度热带洋面上的低气压或空气涡旋统称为热带 气旋。从1989年起，采用国际标准，将热带气旋分为四类： 1、热带低压：热带气旋中心附近的最大平均风力6—7级； 2、热带风暴：热带气旋中心附近的最大平均风力8—9级； 3、强热带风暴：热带气旋中心附近的最大平均风力10—11级；
台风是一个大的强的空气涡旋，平均半径600-1000km，从 台风中心向外依次是台风眼、眼壁，再向外便是几十至几千km 长的螺旋云带。 台风带来的灾害有三：狂风的摧毁力、强暴雨引起的水灾 和巨浪暴潮的冲击力。
台风主要对我国东南沿海影响较大。
二、飓风 飓风的地面风速可达到70m/s，具有极强的破坏性。美国 每年由飓风造成的损失可达20亿美元。 三、季风 季节性的风称季风。由于周围热力的原因，冬季形成大 陆高压，夏季形成大陆低压。因亚洲大陆陆地辽阔，所以受 季风的影响也非常强烈。 四、龙卷风 龙卷风是一种剧烈的大气涡旋，其直径在300m左右。它 是在强雷雨中形成的。龙卷风的活动区域极广，几乎遍及全 球。在我国主要在长江三角洲和华南。
大气底层内z′高度处的平均风速 摩擦速度或流动剪切速度
v* k , k 0.40 z0 z , z z zd
卡曼常数(Karman)
地面粗糙长度(m) 有效高度(m)
其中
z zd
离地面高度（m）
零平均位移（m）
城市覆盖层上面的和内部的风剖面线示意图
地面粗糙度长度z0是地面上湍流旋涡尺寸的量度。由于局 部气流的不均匀性，不同测试中z0的结果相差较大，故z0的大 小一般由经验确定。 Z0的取值根据不同的地面类型或地面粗糙 度而定。
§1.3 风对结构的作用
自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如 龙卷风，称为异常风，不属于异常风的则称为良态风。本教材主 要讨论良态风作用下的结构抗风分析内容。 风对结构的作用，使结构产生振动，其原因主要有以下几个 方面：
1、由与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉 动风要引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结 构中都要考虑； 2、结构物背后的旋涡引起结构物的横风向的振动，对烟囱、高 层建筑等一些自立式细长柱结构物，特别是圆形截面结构特，都 不可忽视这种形式的振动。 3、由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。
p0 1 1 T
可以看出，重现期为50年的保证率为
p0 1 1 50 98%
4、平均风的时距 我国规范规定平均风的时距为10min。关于平均风的时 距含义
v

1
t0 2
t0 2
v t dt
各国所取的风时距不同，在引用各国资料时应进行换算。 5、概率分布类型 一般地，我们所研究的对象不会出现异常风的气候，称为 良态气候。对于这种气候，我们可以认为最大风速的每一个数 据都对极值的概率特性起作用，因此世界上许多国家把年最大 风速作为概率统计的样本，由重现期和风速的概率分布获得该 地区的设计最大风速，或称为基本风速。我国规定基本风速采 用极值Ⅰ型概率分布函数进行统计分析。 极值Ⅰ型分布：
2、标准高度
我国规范规定离地面10米高为标准高度。
3、标准重现期
我国规范规定取一年中最大的平均风速作为一个数理统 计样本。在工程中，不能直接选取各年最大平均风速的平均 值进行设计，而应取大于平均值的某一风速作为设计依据， 从概率的角度分析，在间隔一定的时间之后，会出现大于某 一风速的年最大平均风速，我们称这个间隔期为重现期。我 国规范规定基本风速的重现期为50年。 重现期限为T的基本风速，则在任一年中只超过该风速一 次的概率为1/T。而不超过该基本风速的概率为
三、龙卷风灾害
全球受龙卷风袭击的次数每年高达1000次。美国是龙卷风 的故乡，给美国造成较大的经济损失。美国出现较多龙卷风的 原因是著名的墨西哥暖流给美国南部输送了大量的暖湿气流， 形成了龙卷风气一个必要条件。 四、风灾对结构的主要损坏 风灾的损害主要体现在结构的损坏上，对桅杆结构、体育 场馆、高层建筑和桥梁结构的损坏最为突出。
F1 x exp
exp x
式中，μ和σ分别为位置参数和尺度参数，由下两式获得
E x 0.5772
x 6
上两式中，E(x)和σ i分别为风速样本的数学期限望和根方差， 是已知的。实际上，风速资料的数学期望就是年最大风速x i的 数学平均值，用 x 表示，这样，由风速资料可得风速的平均 数和根方差：
标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；
任一高度和任一高度处的平均风速； 地面粗糙指数
z , v z