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T
0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。

3 . 非标准条件下的风速或风压的换算
1）非标准高度换算
实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：
，地面越粗糙，H T
100
梯度风
100
梯度风
3）不同时距的换算
由于脉动风的影响，时距越短，公称风速值越大。

4
）不同重现期的换算
重现期不同，最大风速的保证率不同，相应的最大风速值不同
429
.0log 336.00+=T u r 影响表中比值的重要因素：平均风速值，天气变化情况。

4.3 结构抗风计算中的几个重要概念
1. 结构的风力与风效应
风力：风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等
风速
风压风力在结构物表面沿表面积分
平均风——静力风效应，相对稳定，即使受风的长周f
v v v +=
2）脉动风的特性
(t),t∈T]，幅值服从①幅值特性：为一随机过程[ v
f
正态分布。

②频率特性：可用功率谱密度描述。

功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布。

3. 横风向风振
1）雷诺数
式中：ρ：流体密度；
μ：流体粘性系数
l：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。

对于空气：R
e =69000vl
如果R
e <1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体；
如果R
e >1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。

粘性是流体抵抗剪切变形的性质：粘性越大的流体，抗剪切变形的能力越大。

3）横风向共振
当结构物横风向的自振频率接近脱落频率时，产生横风向振动。

实验表明：
当3.0x102≤R
e <3.0x105时（亚临界范围），S t≈0.2;
当3.0x105≤R
e <3.0x106时（超临界范围），S t的离散
性大;
当3x106≤R
e 时（跨临界范围），S
t
≈0.27~0.3;
当S
t
=常值时，f s=常值，则当结构的横向自振频率=f s 时，将产生共振。

注：工程设计时，
对跨临界范围的横
风向共振问题应特
别注意。

4.4 顺风向结构风效应
顺风向效应= 平均风效应+ 脉动风效应
1. 顺风向平均风效应
1）风载体型系数
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。

风压实际上为房屋外表与内表的压力差。

风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主
要与建筑物的体型与尺度有关。

群体风压体型系数
对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。

《高层规程》规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。

一般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。

局部风压体型系数
在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。

檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.0。

设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。

2）风压高度变化系数
风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。

当达到一定高度时（300~500m），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。

而且风速的变化还与地面粗糙程度有关。

风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。

A类——指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B类——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；C类——指有密集建筑群的城市市区；
D类——指密集建筑群且房屋较高的城市市区。

风振系数确定时，考虑结构的动力特性和房屋周围的情况。

在亚临界范围和跨临界范围，结构横风向作用力频率与结构横向自振基本频率接近时，结构横向产生共振反应。

将风漩涡脱落频率保持常数（为结构自振频率）的风速区域，称为锁住区域。

对于竖向细长结构，横风向将受到三种不同性质的风作用。

3. 结构横风向效应一般情况下，u L ≤0.4，而u D =1.3，大于u L 的3倍以上，故一般情况下，结构横风向效应与顺风向效应相比可以忽略。

当横风向作用引起结构共振时，结构横风向风效应不能忽略，有时甚至起控制作用。

为简化结构横风向共振风效应计算，可仅考虑锁住区域的周期性风作用力。

由表达式，在亚临界范围，特别在跨临界范围，横向风力为周期性荷载，即：
当ω
s 与结构基本频率ω接近时，结构将产生共振。

共振位移反应为：
其中，H
1
~H2为按ω1~ 1.3ω1确定的共振风速高度。

此时，横风向共振力为：
将其作用在结构上，进行结构静力分析，即可得到结构横风向共振风效应。

4 .结构总风效应
其中：S
s ——结构顺风向静力效应；S dD、S dL——结构
顺风向、横风向动力效应。

5. 结构横风向驰振与颤振
驰振（galloping）：在某些情况下，外界激励可能产生负阻尼成分，当负阻尼大于正阻尼时，结构振动将不断加剧，直到达到极破坏。

这种现象称为驰振。

颤振（flutter）：当物体截面的旋转中心与空气动力的作用中心不重合时，将产生截面的平移和扭转耦合振动，对于这种振动形式，也会发生不稳定振动现象，称其为颤振。

本章小结
1. 风的产生、风速与风压的关系
2. 基本风压的定义、及主要影响因素
3. 非标准条件下的风压换算
4. 何为平均风、何为脉动风
5. 横风向共振的条件，雷诺数，斯特罗哈数
6. 风载体型系数、风压沿高度变化系数、风
振系数。