脉动风 风荷载
高层建筑结构脉动风荷载时程的生成方法
ｓ “ （ ） ＝ ４ ：
（ ４ ）
其中， ｓ （ ｚ ， ｎ ） 为脉动风速功率谱 ， ｍ ／ ｓ ； ｎ为脉动风频率 ， Ｈ ｚ ；
６ 扔２ ０ ， ｋ 为地面粗糙度系数， 。 。 为标准高低为 １ ０ ｍ处的平均
， 为 高度 处的平 均风 速 ， 工 （ ）：１ ０ ０ （ ￣ ／
ｊ
风作用下结构舒适度分析 。 风速观测记 录表 明风速可看作 为由两部分组 成 ： 一 部分 是长
风速 ， ｍ ／ 。 ：
ｏ ） ， 为纵 向湍流积分尺度 。 周期成分 ， 其周期一般在 １ ０ ｍｉ ｎ以上 ； 另一部分是 短周 期部分 ， 是 ３ 对 于超 高层 建 筑 结 构 ， 可 只考 虑 竖 直 方 向 的相 关 性 ， 采用 在长周期风速基础上 的波动 ， 其周期常 常只有几秒 至几 十秒。 由
０年一遇的平均风速剖面如图 １所示。 结构所在场地 的基本风压为 ０ ． ７ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ ， 风压值高且为 台风 海 口塔场地 ｌ
许 多风工程专家对水平阵风功率谱 进行 了研 究 ， 得 到不 同形 频发地 区 ， 因此结构 的风振特性和舒适度成 为影响结 构方案 的重 式 的风速谱 表达式 ， 常用 的有加 拿大 Ａ ． Ｇ ． Ｄ ａ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｒ ｔ 谱、 美国 ｓ ｉ － 要 因素 。风振分 析可采 用频域 和时域 两种 方法 。频 域法 因 为需 ｉ ｕ 谱、 Ｅ ｔ 本Ｈ ｉ ｎ ｏ 谱、 Ｋ ａ ｉ ｍ ａ ｌ 谱、 英国Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ 谱和 Ｋ ａ ｒ ｍ ａ ｎ 谱 。其 要满足叠加原理 ， 所 以只能 进行线 性分析 ， 且 不能 给出相 关 函数 ｍ Ａ ． Ｇ． Ｄ ａ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｒ ｔ 谱 和英 国 Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ 谱不 随高度发 生变化 ， 实 际是 和 瞬态 响应 ， 不 能精 确 反映 结构 在实 际 风荷 载作 用下 的真实 响 中 ， １ ０ ｍ高度处 的脉动风速谱 ； 美国 Ｓ ｉ ｍｉ ｕ谱 、 日本 Ｈ ｉ ｎ ｏ谱 、 Ｋ ａ ｉ ｍ ａ ｌ 谱 应 … 。时域分析 则不 会有 这些 问题 ， 因此 对风 荷 载进 行 时程 模 ａ ｒ ｍａ ｎ 谱则 考虑 了近地 表层中湍流积分尺 度随高度 发生 的变 拟， 在时域 内进行分析。超高层结 构一般会 同时发生顺 风 向和横 和 Ｋ ７ ＿ 。Ｋ ａ ｒ ｍ ａ ｎ谱见式 （ ４ ） 。 风 向风振 。而横风 向风荷载 的功率谱 、 相干 函数等数学 基本 理论 化 ｜ 和模型 ， 对于复杂体型结构 ， 还不成熟 ， 因此无 法进行具 有实 际工 程意义 的横 向风 荷载 时程模 拟 ， 其 一般 由风洞试 验确 定 ； 另一 方 面， 在 低 速脉 动 风作 用 下 ， 结构 的横 风 向风 振远 小 于顺 风 向风
风荷载计算方法与步骤
1风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍时，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建筑物所受的风荷载。
1.1单位面积上的风荷载标准值建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。
垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值ω（KN/m2）按下式计算：ω风荷载标准值（kN/m2）=风振系数×风荷载体形系数×风压高度变化系数×基本风压1.1.1基本风压按当地空旷平坦地面上10米高度处10分钟平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇的最大值确定的风速v0(m/s)，再考虑相应的空气密度通过计算确定数值大小。
按公式确定数值大小，但不得小于0.3kN/m2，其中的单位为t/m3，单位为kN/m2。
也可以用公式计算基本风压的数值，也不得小于0.3kN/m2。
1.1.2风压高度变化系数风压高度变化系数在同一高度，不同地面粗糙程度也是不一样的。
规范以B类地面粗糙程度作为标准地貌，给出计算公式。
粗糙度类别 A B C D300 350 450 5000.12 0.15 0.22 0.3场地确定之后上式前两项为常数，于是计算时变成下式：1.1.3风荷载体形系数1）单体风压体形系数（1）圆形平面；（2）正多边形及截角三角平面，n为多边形边数；（3）高宽比的矩形、方形、十字形平面；（4）V形、Y形、L形、弧形、槽形、双十字形、井字形、高宽比的十字形、高宽比，长宽比的矩形、鼓形平面；（5）未述事项详见相应规范。
2）群体风压体形系数详见规范规程。
3）局部风压体形系数檐口、雨棚、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，不宜小于 2.0。
未述事项详见相应规范规程。
1.1.4风振系数对于高度H大于30米且高宽比的房屋，以及自振周期的各种高耸结构都应该考虑脉动风压对结构发生顺向风振的影响。
（对于高度H大于30米、高宽比且可忽略扭转的高层建筑，均可只考虑第一振型的影响。
高层建筑考虑脉动风荷载作用下的有限元分析
Ｆ ６
框架剪力墙简化模 型 ， 将其在 “ 虑脉动 风荷 载作用 ” “ 考 与 正
常设计条件 ” 两种情况下 的计算结果进行 比较分 析。
上
占
Ｆ ５
ｘ
。 。
Ｆ４
Ｊ
Ｉ
＝ ＝ ：
Ｊ
Ｆ３
三
－－ 一
Ｆ ２
营
。
＝ ＝ ＝ ＝
毛
１
寸
一
Ｆ１
１
『 ＝
、 。
（ 风荷栽梯形分布 ａ ）
（） 载按等均 布荷 栽分布 ｂ风荷
（ 风荷戴三角形分布 ｃ ）
＼ ＼‘ ｜ ｌ ｌ ｔ ｜ ＼ ’ｔ ｜ ｆ ｌ ｜ ｜ ｌ ｌ
１ １ ４．
图 １ 实 际工 程 设 计 计 算 的 风 荷 栽 模 型
速度 ； ｑ为风压 大小 ， 单位 为 Ｐ 。将 所得 脉 动风 荷载 函数 式 ａ （） ３ 通过 Ａ Ｓ Ｓ的函数 编辑器 与 函数加 载器 （ ６ 图 ７ 把 ＮＹ 图 、 ）
风荷载加到模 型的迎 风面上。
图 ７ 函数 加 栽 器
４ 有 限元 求解 结果 及分 析
图 ８ 风 荷 裁 施 加 后 的模 型
４ ８Ｏ ． ９ ６ ． ９ ６ １８
２０９ ．９
２０６ ．９
０
．
通过 Ａ Ｓ Ｓ软件分 析计 算得 出模 型在 两种风 荷 载 （ ＮＹ 模 型 １为脉动风荷载 ， 型 ２为阶梯 型风 荷载 ） 用下 相 同荷 模 作 载步 的整 体 、 楼板 、 外墙 、 架和剪 力墙 的位移 比较 ， 框 数值 比
模 型如 图 ４ 图 ５所 示 。 、
图 ５ 框 架 部 分 模 型
风荷载计算
风荷载计算参考规范：《建筑结构荷载设计规范》gb50009-2022《高层建筑混凝土结构技术规程》jgj3-2021一般情况下的风荷载：风荷载的标准值为荷载规范8.1.1和4.2.1wk？？ZsZw0（1）风荷载标准值计算公式适用于主要承重（主）结构的风荷载计算；（2）风荷载的标准值为沿风向的风荷载；（3）风荷载垂直于建筑物表面；（4）风荷载的作用面积应为垂直于风向的最大投影面积；（5）适用于高层建筑任意高度的风荷载计算。
对于荷载规范3.2.5第2条中的雪荷载和风荷载，重现期应视为设计使用寿命。
8.1.2在荷载规范中，基本风压应为根据本规范规定的方法确定的重现期为50年的风压，但不得小于0.3kn/o。
荷载规范的E.5和高度规范的4.2.2。
对风荷载敏感的高层建筑，其承载力按基本风压的1.1倍设计。
（文章描述）。
一般情况下，对于高度超过60m的高层建筑，在承载力设计中可按基本风压的1.1倍计算风荷载。
吸烟守则第5.2.1条。
基本风压不应小于0.35kn/o。
对于安全等级为I级的烟囱，应根据每100年一次的风压采用基本风压。
8.2.1地面粗糙度a类近海海面和岛屿、海岸、湖岸和沙漠地区B类田地、村庄、丛林、丘陵和城镇，房屋稀疏，城市地区C类密集建筑，城市地区D类密集建筑，房屋高大。
荷载规范表8.2.1显示了墙和柱的风压高度随墙顶的变化系数。
柱顶与地面之间的距离被视为计算高度Z，通过查表插入法确定。
荷载规范中的风压体型系数8.3.1围护结构：根据第32项，高度规范中取1.3 4.2.31，圆形平面建筑取0.8；2正多边形和截断三角形平面建筑的计算公式如下：？s0.8? 1.2/n3对于高宽比H/b不大于4的矩形、方形和交叉平面建筑，取1.3；4.以下建筑采用1.4:1）V形、Y形、弧形、双十字形和井形平面建筑；2）高宽比H/b大于4的L形、槽形和十字形平面建筑；风压高度变异系数3）高宽比H/b大于4，长宽比L/b小于1.5的矩形和鼓形平面建筑。
风荷载计算方法与步骤
欢迎共阅1 风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍时，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建筑物所受的风荷载。
1.1 单位面积上的风荷载标准值建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。
垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值（KN/m2）按下式计算：1.1.1基本风压按当地空旷平坦地面上50年一遇按公式 其中的单位为，kN/m 2。
也可以用公式1.1.2 风压高度变化系数风压高度变化系数在同一高度，不同地面粗糙程度也是不一样的。
规范以粗糙度类别场地确定之后上式前两项为常数，于是计算时变成下式：1.1.3风荷载体形系数1）单体风压体形系数（1）圆形平面；（2）正多边形及截角三角平面，n为多边形边数；（3）高宽比的矩形、方形、十字形平面；（4）V形、Y形、L形、弧形、槽形、双十字形、井字形、高宽比的十字形、高宽比，长宽比的矩形、鼓形平面（5）未述事项详见相应规范。
23檐口、雨棚、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，不宜小于1.1.4米且高宽比的房屋，以及自振周期虑脉动风压对结构发生顺向风振的影响。
且可忽略扭转的结构在高度处的风振系数○1g为○2R为脉动风荷载的共振分量因子，计算方法如下：为结构阻尼比，对钢筋混凝土及砌体结构可取；为地面粗糙修正系数，取值如下：为结构第一阶自振频率（Hz）；高层建筑的基本自振周期可以由结构动力学计算确定，对于较规则的高层建筑也可采用），B为房屋宽度（m）。
○3对于体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑，、为系数，按下表取值：为结构第一阶振型系数，可由结构动力学确定，对于迎风面宽度较大的高层建筑，当剪力墙和框架均其主要作用时，振型系数查下表，其中H为结构总高度，结构总高度小于等于梯度风高度。
为脉动风荷载水平、竖直方向相关系数，分别按下式计算:B。
风荷载计算方法与步骤
1 风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍时，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建筑物所受的风荷载。
1.1 单位面积上的风荷载标准值建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。
垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值ωk （KN/m ²）按下式计算：ωk =βz μs μz ω0风荷载标准值（kN/m 2）=风振系数×风荷载体形系数×风压高度变化系数×基本风压1.1.1 基本风压ω0按当地空旷平坦地面上10米高度处10分钟平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇的最大值确定的风速v 0(m/s)，再考虑相应的空气密度通过计算确定数值大小。
按公式 ω0=12ρv 02确定数值大小，但不得小于0.3kN/m 2，其中ρ的单位为t/m ³，ω0单位为kN/m 2。
也可以用公式ω0=11600v 02计算基本风压的数值，也不得小于0.3kN/m2。
1.1.2 风压高度变化系数μZ风压高度变化系数在同一高度，不同地面粗糙程度也是不一样的。
规范以B 类地面粗糙程度作为标准地貌，给出计算公式。
μZX=(H tB 10)2αB (10H tX )2αX (Z 10)2αXμZA =1.248(Z 10)0.24μZB =1.000(Z )0.30μZC =0.544(Z 10)0.44μZD =0.262(Z 10)0.601.1.3 风荷载体形系数μS1）单体风压体形系数（1）圆形平面μS =0.8；（2）正多边形及截角三角平面μS=0.8+√n，n为多边形边数；（3）高宽比HB≤4的矩形、方形、十字形平面μS=1.3；（4）V形、Y形、L形、弧形、槽形、双十字形、井字形、高宽比HB >4的十字形、高宽比HB>4，长宽比LB≤1.5的矩形、鼓形平面μS=1.4；（5）未述事项详见相应规范。
风荷载标准值
风荷载标准值关于风荷载计算风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一，结构抗风分析（包括荷载，内力，位移，加速度等）是高层建筑设计计算的重要因素。
脉动风和稳定风风荷载在建筑物表面是不均匀的，它具有静力作用（长周期哦部分）和动力作用（短周期部分）的双重特点，静力作用成为稳定风，动力部分就是我们经常接触的脉动风。
脉动风的作用就是引起高层建筑的振动（简称风振）。
以顺风向这一单一角度来分析风载，我们又常常称静力稳定风为平均风，称动力脉动风为阵风。
平均风对结构的作用相当于静力，只要知道平均风的数值，就可以按结构力学的方法来计算构件内力。
阵风对结构的作用是动力的，结构在脉动风的作用下将产生风振。
注意：不管在何种风向下，只要是在结构计算风荷载的理论当中，脉动风一定是一种随机荷载，所以分析脉动风对结构的动力作用，不能采用一般确定性的结构动力分析方法，而应以随机振动理论和概率统计法为依据。
从风振的性质看顺风向和横风向风力顺风向风力分为平均风和阵风。
平均风相当于静力，不引起振动。
阵风相当于动力，引起振动但是引起的是一种随机振动。
也就是说顺风向风力除了静风就是脉动风，根本就没有周期性风力会引起周期性风振，绝对没有，起码从结构计算风载的理论上顺风向的风力不存在周期性风力。
横风向，既有周期性振动又有随机振动。
换句话说就是既有周期性风力又有脉动风。
反映在荷载上，它可能是周期性荷载，也可能是随机性荷载，随着雷诺数的大小而定。
有的计算方法根据现有的研究成果，风对结构作用的计算，分为以下三个不同的方面：（1）对于顺风向的平均风，采用静力计算方法（2）对于顺风向的脉动风，或横风向脉动风，则应按随机振动理论计算（3）对于横风向的周期性风力，或引起扭转振动的外扭矩，通常作为稳定性荷载，对结构进行动力计算风荷载标准值的表达可有两种形式，其一为平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压；另一种为平均风压乘以风振系数。
由于在结构的风振计算中，一般往往是第1振型起主要作用，因而我国与大多数国家相同，采用后一种表达形式，即采用风振系数βz，它综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应，其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。
桅杆结构脉动风速模拟与风荷载计算
时间改变的量；而脉动风则具有明显的随机性，一 般可用零均值平稳Ｇａｕｓｓ随机过程来描述．作用 于结构上任意处的风速为平均风速和脉动风速之
和，风的模拟主要是针对脉动风而言的． １．１平均风速剖面
平均风沿高度的变化规律，常称为风速梯度 或风速剖面．平均风速随高度的变化的规律常采
［６３
Ｏｗｅｎ
Ｊ Ｓ，Ｅｃｃｌｅｓ Ｂ Ｊ，Ｃｈｏｏ Ｂ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａ—
ｓｅｒｉｅｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ
ｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏ－ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ ｔｉｍｅ
ｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
ｋ＝１
ｌ一０，１，２，…，Ｎ一１
（１１）
２．２脉动风荷载计算 当不考虑结构与风的耦合作用及漩涡影响 时，根据Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ定理，自由流动的风速提供的 单位面积上的风压力为…］
ｗ＝妄弦２
∞，ｌ（叫）＝ｅｘｐ（一互Ｇ７【口ｗ‘△ｌｕｚ））
（６）
（１２）
结构任一高度处的瞬时风速Ｖｉ为平均风速 矿ｉ与脉动风速口；之和：Ｖ；＝彰＋奶 则作用在结构上的风压ｗ
Ｚ
《 杂 崖
ｔ／ｓ
－∥Ｈｚ ｂ）清波叠加法
图３上层纤绳与杆身连接处（高度１１５ ｍ）的风荷载时程
图５高度１２５ ｍ处的脉动风自功率谱比较
万方数据
・１０６０・
武汉理工大学学报（交通科学与工程版）
ｍ
２０１０年第３４卷
为了检验模拟精度，本文将桅杆高度为５５
［２３
Ｄｅｏｄａｔｉｓ Ｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｒｇｏｄｉｃ ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ