荷载 与结构设计原理论文

风荷载对结构的影响浅析

摘要：风荷载是结构物结构设计主要考虑的荷载之一。风荷载是由空气从气压大的地方向气压小的地方流动形成的，具有随机性，研究其对结构的影响时，以等效静风荷载对其

进行描述。风荷载对结构物的作用主要有垂直结构物方向和平行于结构物方向，对结构物的产生的效应以达文波特模型进行描述。随着经济的发展,近年来高层建筑尤其是体型复杂的超高层建筑得到了蓬勃的发展。一般而言，高层建筑物占地面积少，建筑面积大，造型独特，相对集中。这一特点使得高层建筑物在人口稠密的大城市迅速发展。但是高层建筑物上风荷载也越来越大，导致水平荷载不断增大。因此，高层建筑物需要充分考虑风荷载的影响。

关键词：静风荷载；达文波特模型；影响

引言

风荷载对结构物，特别是高层建筑的影响是设计结构所需重点考虑的因素，本文通过对风荷载的研究，对风荷载有一个整体的了解，对以后结构设计中遇到的风荷载影响的解决有所帮助。

1.风荷载

1.1.风荷载的基本特性

风荷载是由空气从气压大的地方向气压小的地方流动形成的。由于自然界本身的复杂性，自然风表现出很强的随机性，一般通过数理统计方法得到其统计规律。在靠近地球的某一高度范围内，由于地表摩阻力的影响，风速的平均值将随高度的增加而增大，达到一定高度时，摩阻力将消失，风速趋于常速，此高度称为梯度风高度，该高度以下即为大气边界层。绝大多数工程结构都处于这一范围内，因此结构风工程通常也只关心大气边界层内自然风的基本

特性。大量的实测记录表明：大气边界层中的风可分为长周期的平均分和短周期的脉动风。其中平均风是定常的，而脉动风则反映了大气边界层的紊流特征。

1.2. 等效静风荷载

风荷载实际上是一种随机时变活荷载，为了设计方便，迄今为止，世界各国的高层建筑结构设计，都是将风荷载转换为确定性的静力等效风。平均风速是随时间和空间变化湍流风的叠加，并且用概率的方法来描述风场。湍流风产生脉动风荷载，其大小取决于结构的体型和其他相关因素。因此作用在结构上的风荷载总是脉动荷载。

在均值为特征风荷载统计分布中，是以持续周期为10min 的暴风中出现的最大风荷载作为一个样本的。特征风荷载F max 可以用10min 内的风载均值Fq 与峰值因子kp 同其标准差 σF 乘积之和表示：

max q p F F F k =+σ （1.2.1）

结构的特征响应应如应力、变形，同样可以表述为结构响应均值加上峰值系数与其标准差的乘积。“等效静载”概念表示的是静载在结构上作用响应与在结构或构件上由实际脉动风荷载所产生的响应相等。其中脉动风荷载与顺风向湍流强度I U 的2倍成正比。标准差为

2F q F I σ= （1.2.2）

上式表明阵风系数等于特征风载Fmax 与平均风载Fq 的比值

max 12p q

F k I F ϕ==+ （1.2.3） 由于缺乏大型结构物表面压力的相关系数，因此用背景湍流系数b k 对荷载整体系数进行折减，对点状结构b k =1。只有湍流旋涡尺寸比结构或构件尺寸大或与其相当时，才对b k 有影响。一般情况下，湍流旋涡尺寸比结构尺寸小得多，其影响可忽略。

在许多规范中，结构有限面积的极值响应，可用“等效静阵风”概念来估算。未受干扰脉动风的脉动风速压或在一点测得表面风压的时间序列，通过取均值来去除或过滤掉持续周期明显小于5-15s 的高频脉动。截断频率的选择应视所研究结构大小而定。

2.作用在结构物上的风荷载

2.1．风荷载的作用

当未受干扰的气流流向建筑物时，被迫从建筑物的侧面或顶部通过，在建筑物的立面、山墙、屋顶产生压力或吸力区。压力与吸力分别指空气压力高于和低于大气压，在以下图中压力用正号表示，吸力用负号表示。

(一)垂直建筑里面的风。

屋顶风载取决于屋面的形状。双坡屋顶的屋面坡度大约超过35︒时，迎风面屋顶受压力作用，背风面屋顶受吸力作用，如图1、图2所示。对于平屋顶和屋面坡度小于15︒的双坡屋

︒︒间的双坡屋顶，在屋面迎风面压力与吸顶，整体屋面都受吸力作用。屋面坡度在15~30

力同时存在。

图1 作用在外墙和双坡屋顶的风荷载。风向垂直于建筑物的纵向

30︒和45︒双坡屋顶的压力和吸力分布图

图2 屋面坡屋顶分别为

(二)平行于建筑里面的风

当风沿建筑物的面流动时，屋面受吸力作用。靠近迎风山墙顶部的吸力最大。作用于双坡

屋面的吸力比四坡屋面大。在飓风地区，该效应对屋面的破坏作用有显著的影响。在上述地区，四坡屋面的结构常常免遭破坏，而平屋面和双坡屋面则因受强烈的飓风作用被掀走。如果在易遭受严重飓风作用地区的建筑设计中考虑上述因素，则该地区低层结构在未来飓风作用下发生破坏的数量将下降。

2.2.作用在结构上的总风载—达文波特模型

20世纪60年代早期，达文波特提出了计算位于大气边界层的结构脉动风荷载的模型，脉动风荷载计算基于结构附近未扰动的湍流特征的统计描述。湍流特征结合气动导纳函数把气流特性转化为结构上的风荷载。

1) 微面或点状结构的风荷载

当结构的特征尺寸远小于自然风中主导旋涡波长时，就可称为微面或点状结构。结构特征尺寸有不同的定义方法，如：受风面积A 的方根或其对角尺寸。如采用准静态空气动力学方法，则结构总风载μ ν ω：

21

2

tot A tot F C A U =ρ （2.2.1） 2222()tot U U u =++ν+ω （2.2.2）

体型系数A C 反映了单位面积风载与瞬时风速压

212

tot U ρ的比例关系，2tot U 是风速计算结果的平方，μ ν ω是湍流分量。

2) 大型结构上的风载 对于非点状结构，必须考虑结构表现上压力空间相关系数的折减。对于细长区域，压力空间相关折减系数通过气动导纳函数2

(/)nl U χ来考虑，其自变量是结构的长度l 和自然风的特征旋涡尺寸U/n 之比。对于边长1l 和2l 的矩形区域，压力空间相关折减系数通过气动导纳函数212(/,/)nl U nl U χ来考虑，其中的自变量是边长1l 和2l 的自然风的特征旋涡尺寸/U n 的比值。 3.风荷载对高层结构物的影响