第五讲：风荷载-基本知识、风压(2014)
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。
风荷载
见教材P63中公式）
进行结构设计的时候，考虑风荷载由框
架柱或者剪力墙承担。
风荷载传递：
外墙（窗）表面----楼盖----框架（墙） 风荷载的传递按照就近原则传到靠近
的楼盖上。每一层楼盖承受的风荷载为上
下各半楼层墙面所承受风荷载的合力。
结构外墙面所承受风荷载示意图
外墙面所承受风荷载集中到楼盖后的示意 图（风荷载作用下框架计算简图）
风灾实例
厂房屋面风致破坏
风灾实例
广告牌风致破坏
风灾实例
2006 年 3 月 12 日，位于福建泉 州北峰路段的一块大型户外广 告牌被大风吹倒，压住了两辆 行驶中的摩托车，造成 3 人死 亡。当天，受强冷空气影响， 泉州气温持续下降，并伴有 8 级大风。 2007 年 7 月 29 日下午，郑州市区 瞬时大风吹倒郑州市文化路的 巨幅广告牌。将 4 辆奇瑞轿车全 部压在身下，砸塌了另外 2 辆轿 车的车顶。倒塌的广告牌下， 停放着10多辆展销轿车。
s风载体型系数
： 主要与建筑物的体
型有关，《荷载规范》给出了38项不同类
型的建筑物和各类结构体型及其体型系数。
【例】 封闭式双坡屋面单层厂房
屋面风载体型系数
s
150 300
600
s
-0.5
-0.6
0
+0.8
注：中间值按插入法计算
主体结构风载体型系数
-0.7
+0.8 -0.7 -0.5
大风 烈风 狂风 暴风
飓风
（飓风--风速在32.7m/s以上）
风灾实例
1926 年 9 月，美国迈阿 密一座17层高的大楼在一 次飓风袭击下，维护结构 受到严重破坏，钢框架结 构发生塑性变形，大楼在 风暴中严重摇晃，顶部残 留位移达0.61m。
风荷载
二、两类性质的大风 1、台风
发生在热带海洋上空的一种气旋。 2、季风
由于地球表面性质不同，热力反映有所差异引起的。
与结构截面形状和雷诺数Re有关
雷诺数Re
惯性力 粘性力
v2 F
v l F
v l
vl
69000vB
-空气动力粘性系数, 1.4510 5 m2 s
惯性力=单位面积上的压力 v2/2 ·面积F 粘性力=粘性应力·面积F =（粘性系数 ·速度梯度dv/dy）·面积 F
4.脉动影响系数
脉动影响系数主要反映风压脉动相关对结构的影响。
《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)对于高耸结构和高层建筑， 考虑结构外形和质量沿高度分布的不同状态，给出了脉动影响系数表311供设计时直接查用。
1） 结构迎风面较小的情况 对于结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)，若外形、
振，即发生横向风振 。
圆筒式结构三个临界范围
雷诺数 Re=
3.0102 亚临界
3.0 105 超临界
3.5 106 跨临界
跨临界范围： Re 3.5 106
强风共振
超临界范围： 3.0105 Re 3.5 106 呈随机性
亚临界范围： 3.0102 Re 3.0 105 微风共振
年最大风速
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：
风荷载
第二节 风压
• 风压定义：
当风 以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物 产生压力，即风压。
风压的产生
4-14
第二节 风压
一、 风压与风速的关系
伯努利方程：
气压为101.325kPa 常温150C 绝对干燥
纬度450海面
4-15
初始条件
第二节 风压
二、基本风压
• 基本风压的定义：
按规定的地貌、高度、时距等量测的风速称为基本风压。
φ13=0.53
4-49
第四节 顺风向结构风效应
因建筑的高宽比H/B=3，查表4-10得脉动影响系数:
ν=0.49。
代入式(4-49)得各区段中点高度处风振系数：
β1=1.19 β2=1.26 β3=1.31 β4=1.36 β5=1.41
5. 按式（4-45）计算各区段中点高度处的风压值
4-50
4-40
第四节 顺风向结构风效应
或
w(z) (z)s (z)z (z)w0
其中风振系数
令 得
4-41
(z) 1 1(z) z (z)
第四节 顺风向结构风效应
4-42
第四节 顺风向结构风效应
4-43
第四节 顺风向结构风效应
对于低层建筑结构(剪切型结构) 对于高层建筑结构(弯剪型结构)
1.雷诺数
结构形状
动力相似定律
雷诺数相同，动力相似 层流向湍流转换
式中： ρ：流体密度； μ ：流体粘性系数
动粘性
l：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。
4-30
第三节 结构抗风计算的几个 重要概念
➢ 对于空气：
Re=69000vl=69000vB 如果Re<1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体； 如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。
第四章 风荷载
§4.3
风压高度变化系数
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）为方便设计人员使用，用风 压高度变化系数 综合考虑不同高度和不同地貌情况的影响。对于平坦或稍 有起伏的地形，风压高度变化系数直接按下表取用；对于山区的建筑物， 风压高度变化系数除由下表确定外，还应考虑地形条件的修正。表中地貌 （地面粗糙程度）分为A、B、C、D四类。
§4.2
基本风速和基本风压
3. 平均风速的时距 风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。 平均风速与时距的大小有密切关系，如果时距取的很短，例如3s，则平均 风速只反映了风速记录中最大值附近的较大数值的影响，较低风速在平均 风速中的作用难以体现，致使平均风速较高；相反，如果时距取的很长， 例如1天，则必定将一天中大量的小风平均进去，致使平均风速值较低。一 般来说，时距越大，平均风速越小；反之，时距越小，则平均风速越大。
§4.1
风的基本知识
4.1.3 我国的风气候总况
§4.1
4.1.4 风级
风的基本知识
为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度将风划为若 干等级。风力等级（wind scale）简称风级，是风强度的一种表示方法。 国际通用的风力等级是由英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的，故又 称蒲福风力等级(Beaufort scale )。 由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分 等级，最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小，分为 13个等级（0～12级）。 后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由 12级台风 扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。
§4.2
基本风速和基本风压
荷载课件-风荷载
§ 3 - 2 风荷载的计算
§ 3 - 2 风荷载的计算
§ 3 - 2 风荷载的计算
脉动影响系数 1、结构迎风面宽度远小于其高度的情况（如高耸结构等） • 若外形、质量沿高度比较均匀； • 若结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变
化，而质量沿高度按连续规律变化时。 2、结构迎风面宽度较大时，应考虑宽度方向风压空间相关性
§ 3 - 2 风荷载的计算
波动风压对建筑产生的动力效应与建筑高度和刚度有 关。对高度较大、刚度较小的高层建筑，波动风压会产生 一些不可忽略的动力效应，产生振幅加大现象。设计时采 用加大风载的办法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以 风振系数。
对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高层房屋结构， 以及基本自振周期 大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸 结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。
对于阳台、雨篷、遮阳板等悬挑构件，应验算向上漂浮的 风载。当超过自重时，悬挑构件会出现反向弯矩。局部向上体 型系数用2，即
§ 3 - 2 风荷载的计算
例题1
§ 3 - 2 风荷载的计算
例题1
例题2
例题2
例题3
例题3
例题3
例题3
作业题
1、风的有关知识 2、风荷载计算
§ 3 - 1 风的有关知识
§ 3 . 1 . 1 风的形成 不同压力差的地区产生了趋向于压力平衡的空气
流动，便形成了风。
§ 3 - 1 风的有关知识
§ 3 . 1 . 2 两类性质的大风 1. 台风
§ 3 - 1 风的有关知识
2. 季风
§ 3 - 1 风的有关知识
的情况（如高层建筑等）
§ 3 - 2 风荷载的计算
振型系数 应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按
荷载和结构设计方法风荷载
第4章 风荷载
风压-基本风速
风荷载影响原因——高度、地面粗糙度
➢ 随高度增长而增大，地面越粗糙，加速度越慢
5
第4章 风荷载
风压-基本风速
地面粗糙度四中分类： ➢ A：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地域 ➢ B：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏旳乡镇 ➢ C：有密集建筑群旳城市市区 ➢ D：有密集建筑群且房屋较高旳城市市区
横风向构造风效应-产生，机理
➢ 风速很小时，Re＜1，气流 附着在圆柱体表面，不分离
➢ 速略大，5≤Re＜40，层流 分离，形成旋涡但不脱落
➢ 风速继续增大，旋涡脱落， 这种现象称之为卡门涡街
32
第4章 风荷载
顺风向构造风效应-风振系数
z 1 2gI10Bz 1 R2
➢ 其物理意义与动力系数相同，用增大系数×静载效应 旳方式近似考虑振动影响
➢ 其大小由随机振动理论计算得出 ➢ 设计时查《荷载规范》条
33
第4章 风荷载
顺风向构造风效应-风振，系数
脉动风荷载旳共振分量因子R：
R
x12
不同高度构造 风荷载总值旳 新旧差别，阐 明了什么？
44
第4章 风荷载
顺风向构造风效应-风荷，载原则值
例题：
某钢筋混凝土框架-剪力墙构造，质量和外形沿高度均匀分布， 截面为正方形，房屋总高度H=100m，迎风面宽度B=45m，建于C 类地域，基本风压值w0=0.55kN/m2，求垂直于该建筑物表面上旳风 荷载原则值及建筑物基底弯矩。
61 (1 x12 )4 / 3
x1
30 f1 kww0
( x1
5)
➢ x、ζ1、kw、f1分别表达什么意思，怎样计算？
34
风荷载介绍
风荷载介绍风荷载风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。
风荷载ш与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关。
中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风，其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。
台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。
雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。
基本风压中国规定的基本风压w0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准，按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年,特别重要的结构为100年),统计得最大风速v（即年最大风速分布的96.67%分位值，并按w0=ρv2/2确定。
式中ρ为空气质量密度；v为风速）。
根据统计，认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压，统计分布可按极值I型考虑。
基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，由台风造成。
东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。
青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。
其他内陆地区风压都较小。
风速风速随时间不断变化（图1）,在一定的时距Δt内将风速分解为两部分：一部分是平均风速的稳定部分；另一部分是指风速的脉动部分。
为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压，一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。
平均时距按风速记录为确定最大平均风速而规定的时间间隔（图1）。
规定的时距愈短，所得的最大平均风速愈大，也即基本风压愈大。
当前世界各国所采用的平均时距标准并不一致，例如，中国时距取10分钟,苏联取2分钟，英国根据建筑物或构件的尺寸不同，分别取3秒、5秒和15秒，日本取瞬时。
美国以风程1609.3米（1英里）作为确定平均风速的标准，这相当于对不同风速取不同的平均时距。
因而各国基本风压值的标准也有差别。
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3.1 风的有关知识 一、风的形成： 1、成因：风是空气从气压高的地方向气压低的 地方流动而形成的。
北 极
赤道
二、两类性质的大风： 分类：热带气旋 台风 飓风 季风 龙卷风
我国建、构筑物设计中主要考虑：
台风
季风
三、我国风气候总况
我国风气候总体情况如下（ 风大小排序）： 台湾、海南和南海诸岛（台风直接影响）最 东南沿海地区（受台风直接影响）大 东北、华北、西北（寒潮、季风影响）次大 青藏高原（海拔高）较大 长江中下游、黄河中下游 小 云贵高原、四川盆地 最小
确定的基本风速，然后依据风速与风压的
关系所定义的。
3.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算
风压换算：当实际情况与规范规定的标准条件不 同时，均应进行非标准条件下的风压换算，换算 结果就是实际地点的风荷载标准值。换算包括：
⑴非标准高度换算：
根据风速或风压沿高度的变换规律进行换算，常
用指数律和对数律来进行模拟：
325~375 （350）
375~425 （450）
425~500 （550）
⑶风压高度变化系数
地面粗糙度可分为A、B、C、D四类（其中B类就是标准地貌的情况）： A类：指近海海面和海岛、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：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
*对桥梁结构，标准高度为20m ,μz需重新进行换 算；
*对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平 坦地面的粗糙度类别确定μz ，还应考虑地形条 件的修正，修正系数η分别按下述规定采用： ① 对于山峰和山坡， ηA=1, ηC=1, ηB=[1+κtgα(1-z/2.5H)]2 (κ=2.2 山峰 1.4 山坡）
9
9
比值 0.94 1 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.35 1.39 1.50
(5) 不同重现期的换算 不同重现期与50年重现期风压比值
μr =0.336 lg
3
1 0.5
( 年)
μr
1.114 1.00 0.916 0.849 0.734 0.61 0.535 0.353 0.23
与地貌或地面粗糙度有关的指数
风速变化指数
600 m
梯度风
300 梯度风 150
海洋
乡村
梯度风 大城市
地貌
海面
空旷平坦 地面 城市
大城市 中心
0.1~0.13 （0.12）
0.13~0.18 （0.15）
0.18~0.28 （0.22）
0.28~0.44 （0.30）
HT
275~325 （300）
指数律： v ( z )a
vs zs
对数律 v lg z lg z0
vs lg zs lg z0
⑵非标准地貌换算：
地貌不同，10m高处风压与基本风压不同。 风剖面：不同地貌下平均风速沿高度的变化规律。
梯度风高度：离地300~500m以上的地方，风不受地表 的影响，能够在气压梯度的作用下自由流动，达到所 谓梯度速度，出现这种速度的高度称为梯度风高度 根（据H同T)一. 大气环境中各类地貌梯度风速应相同，可得 w0a=w0(HTs/zs)2αs(HTa/za) -2αa (a:任意 s：标准）
（ tgα≦0.3 z ≦2.5H )
B
B
C
Aα
CH A α
d1 d2
d
4d
② 山间盆地、谷地等闭塞地形 η=0.75~0.85 与风向一致的谷口、山口 η=1.20~1. 50
(4) 不同时距的换算 不同时距与10min时距风速的平均比值
时距 1h 10 5 2 1 0.5 20s 10s 5s 瞬时 min min min min min
小股气流
建
筑
w1dA
物
(w1+dw1) dA
dl
压力线
W0
1 2
v02
-dw1 dA=Ma=ρ dAdl dv/dt
dw1 =-vdv w1 =-½ρ v2+c
W 0.5v2 0.5( / g)v2
W : 风压力(KN / m2 ), :空气密度(KN / m2 )
3.2.2基本风压
上式中，由于各地地理位里不同、γ和g值也不同；g 不仅随高度变化，且随纬度变化而改变； γ又是气压、 气温和湿度的函数，因而地貌不同，风速换算的风压也 不同。为了比较不同地区的风压大小，必须对地貌、测
量高度进行规定，规定一个标准条件。 标准高度：建筑结构10m、桥梁结构20m 标准地貌：空旷平坦地貌 平均风时距：建筑结构10min、
桥梁结构阵风荷载1~3s 最大风速样本时间：一年 基本风速重现期：建筑结构50年、
桥梁结构100年
基本风压：是根据规定的高度、规定的地
貌、规定的样本时间所确定的最大风速的 概率分布，按规定的重现期（或年保证率）
四、 风级
根据风对地面（海面）物体的影响程度 确定等级（蒲福风力等级）
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 静软轻微和清强疾大烈狂暴飓
劲
3.2 风压
气流如遇到建、构筑物的阻塞,就会对形成压力气幕、对 阻塞物产生压力，即风压。
3.2.1 风压与风速的关系
高压 流向 气幕
伯努利方程原理图示