第五讲：风荷载-基本知识、风压(2013)
钢结构的风荷载分析
钢结构的风荷载分析
钢结构为现代建筑中常见的结构形式之一，其强度和稳定性对于保证建筑物的安全至关重要。在设计和施工过程中，风荷载是必须考虑的重要因素之一。本文将对钢结构的风荷载进行分析，并介绍相应的分析方法。
1. 风荷载的基本概念
风荷载是指风对建筑物或结构体表面产生的压力、摩擦力和抗力，其大小和分布受风速、建筑物形状和周围地形等因素的影响。风荷载对于钢结构来说是一个动力荷载，其作用方式为静风荷载和动风荷载。
2. 静风荷载的计算方法
静风荷载是指建筑物表面受到的静态压力，根据中国国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012），可采用剪力法和压弯法进行计算。
剪力法是指将建筑物视为具有一定高度的板壳结构，根据建筑物所处地区的基本风压和风速参数，按照不同高度上的压力逐层计算，并得出结果。
压弯法则是通过计算建筑物所受最不利风荷载引起的屋面或屋架的最大弯矩，再根据弯矩和截面的抗弯承载力来判断结构的强度是否满足要求。
3. 动风荷载的计算方法 动风荷载是指建筑物表面受到的震动或摇晃引起的压力，主要由周期性波动引起。动风荷载可以通过输入风速时程和结构振型来计算。
在计算动风荷载时，需要根据建筑物特点和地理环境选择合适的方法，如有限元法或数值分析法。
4. 风荷载分析的影响因素
除了静力和动力形式的风荷载外，还有一些其他因素也会影响风荷载的大小和分布。其中包括建筑物的高度、形状、表面粗糙度、周围环境和地理位置等。
此外，风荷载的方向也需要进行分析。通常情况下，建筑物需要同时考虑垂直于其表面和平行于其表面的风荷载，以保证结构的稳定性和安全性。
5. 风荷载分析的应用
风荷载分析在钢结构的设计和施工中具有重要的应用价值。通过合理的风荷载分析，可以确定结构的受力情况，从而优化结构形态和材料的选择。
风荷载分析还可以用于评估现有结构的安全性和可靠性。通过对结构所受风力的计算，可以检查结构是否满足规范的要求，及时采取必要的防护和加固措施。
风荷载知识
一、风速与风力
在气象学中根据《地面气象观测规范 风速和风向》GB/T35227-2017中规定风速风力观测高度不应低于距地面10m，一般为10~12m。风速观测时距为10min，风力等级一般在0~12级，记录时若使用仪器观测，则记录风速值；若采用人工目力观测，则记录风力级数并按蒲福风力等级表（表1）转换为对应的风速中数值。
表1 蒲福风力等级表
二、基本风压与基本风速
在土木工程设计中风荷载采用基本风压作为直接设计依据，而基本风压主要由基本风速确定，由《建筑结构荷载规范》中可知，基本风压计算公式根据的是经典的贝努利公式
式中：ω0为基本风压，N/m²；ρ为空气密度，kg/m³；ν0为基本风速，m/s。基本风速则为当地空旷平坦地面（规范中地面粗糙程度B类）上10m高度处50年一遇10min内的平均最大风速。
可见，气象学规范中对风速风力的规定主要考虑时距、测量方式等因素，而土木工程设计规范对基本风速的规定中还包括地面粗糙度类别，重现期等因素。并且，各国在进行土木工程设计时，由于地形、气候等影响，其规范对基本风速的规定也不尽相同。由基本风速的定义可知，基本风速主要涉及到以下几个要素：标准高度、时距、重现期及地面粗糙度类别。下面从这几个方面对基本风速进行分析。
01标准高度
在同一个地点 ,风速随高度而变化 ,越靠近地面 ,风速越小，离地越高 ,风速越大。因此,标准高度的取值对基本风速有很大的影响。各国规范中基本风速标准高度的取值见表2。
表2 各国规范中基本风速标准高度表
国家 规范条款 标准高度/m
中国 GB50009 条款 2.1.22 10
美国 1997 Uniform Building Code Sect—ion 1616;Minimum
Design Load—s for Buildings and Other Struct—ures( ASCE7—10 ) Clause 26.2;2012 International
建筑荷载风荷载
建筑荷载风荷载
8 风荷载
8．1 风荷载标准值及基本风压
8．1．1 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下列规定确定：
1 计算主要受力结构时，应按下式计算：
式中：wk——风荷载标准值(kN／m2)；
βz——高度z处的风振系数；
μs——风荷载体型系数；
μz——风压高度变化系数；
w0——基本风压(kN／m2)。
2 计算围护结构时，应按下式计算：
式中：βgz——高度z处的阵风系数；
μs1——风荷载局部体型系数。
8．1．2 基本风压应采用按本规范规定的方法确定的50年重现期的风压，但不得小于0．3kN／m2。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压的取值应适当提高，并应符合有关结构设计规范的规定。
8．1．3 全国各城市的基本风压值应按本规范附录E中表E．5重现期R为50年的值采用。当城市或建设地点的基本风压值在本规范表E．5没有给出时，基本风压值应按本规范附录E
规定的方法，根据基本风压的定义和当地年最大风速资料，通过统计分析确定，分析时应考虑样本数量的影响。当地没有风速资料时，可根据附近地区规定的基本风压或长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定；也可比照本规范附录E中附图E．6．3全国基本风压分布图近似确定。
8．1．4 风荷载的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取0．6、0．4和0．0。
8．2 风压高度变化系数
8．2．1 对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表8．2．1确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：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；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。
风荷载取值课件
3。1。3 风荷载
建筑物受到得风荷载作用大小,与建筑物所处得地理位置、建筑物得形状与高度等多种因素有关,具体计算按照《荷载规范》第７章执行。
1、风荷载标准值计算
垂直于建筑物主体结构表面上得风荷载标准值WK,按照公式(3。1-２)计算:
βz—-高度Ｚ处得风振系数,主要就是考虑风作用得不规则性,按照《荷载规范》７、4要求取值。多层建筑,建筑物高度＜30ｍ,风振系数近似取１、
(1)风荷载体型系数µS
风荷载体型系数,不但与建筑物得平面外形、高宽比、风向与受风墙面所成得角度有关,而且还与建筑物得立面处理、周围建筑物得密集程度与高低等因素有关,一般按照《荷载规
表3、1、10 建筑物体型系数取值表
μs 建筑物体型示意
0.8
圆形平面建筑
正多边形或截角三角形平面建筑
n－多边形得边数
１。３
高宽比不大于4得矩形、方形、十字形平面建筑
1。4
① V形、Y形、弧形、双十字形平面建筑;
② L形、槽形与高宽比大于4得十字形平面建筑;
③ 高宽比大于４、长宽比不大于1。5得矩形、
鼓形平面建筑。
H—建筑物高度
范》7、3要求取值,表3、1。10中列出了常用体型建筑物得体型系数、
注1:当计算重要且复杂得建筑物、及需要更细致地进行风荷载作用计算得建筑物,风荷载体型系数可按照《高层规程》中附录A采用、或由风洞试验确定。
注4:当多栋或群集得建筑物相互间距离较近时,宜考虑风力相互干扰得群体作用效应。一般可将单体建筑得体型系数乘以相互干扰增大系数,该系数可参考类似条件得试验资料确定,必要时宜通过风洞试验确定。
注3:檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件,计算局部上浮风荷载作用时,体型系数不宜小于２。０、 注4:验算表面围护结构及其连接得强度时,应按照《荷载规范》7。3.3规定,采用局部风压力体型系数、
(2)风压高度变化系数µz
设置风压高度变化系数,主要就是考虑建筑物随着高度得增加风荷载得增大作用。
风荷载风压和等级浅析
2023年12月房地产导刊研究探讨
148 |REALESTATEGUIDE风荷载风压和等级浅析
李 春 (华纳工程咨询(北京)有限公司深圳分公司 广东 深圳 518000)
[摘 要] 本文介绍了风的产生原理、风荷载风压计算和风力等级的划分。[关键词] 基本风压、台风、等级、地貌[中图分类号]TU312.1 [文献标识码]A [文章编号]1009-4563(2023)23-148-03
1 引言
风荷载对建筑物结构具有重要的影响。在工程设计中必须充分考虑风荷载的影响,按规范要求计算构件的强度和挠度以及整体稳定性,确保建筑物的安全稳定。2 风荷载的风压等级计算
2.1 风产生的原理风是由空气流动引起的一种自然现象。是由于大气的不均匀加热引起的空气流动,从高压区向低压区流动过程中会形成气压梯度力从而形成了风;大致分为两类水平风和垂直风。包括方向和大小,即风向和风速。水平风是指在地球表面与建筑物结构平行方向上的气流,是最主要的风荷载形式,是工程建筑结构设计中必须考虑的荷载。而垂直风是指向上或向下的气流,可以影响建筑物的抗风性能;工程建筑中雨棚和横向装饰条会受到垂直风。当气压越大,流动速度就越快,产生的风力也就越大;从而影响风的强度与风速也有密切的关系。2.2 基本风压的说明基本风压是根据全国各气象站来的最大风速记录,按基本风压的标准要求,将不同风仪高度和时次时距的年最大风速,统一换算为离地10m高,自记10min平均年最大风速(m/s)。根据该风速数据,经统计分析确定重现期为50年的最大风速,作为当地的基本风速。我们一般说的多少级风是对于基本风速而言,指的是B类地貌10min平均最大风速;对于台风而言,是指登陆时的最大风力(A类地貌2min平均最大风速)。并不是指瞬时风(阵风)。2.3 基本风速和基本风压的转换计算荷载规范的“基本风速”和“台风登陆时的最大风速”二者转换:第一步,需要将2min平均最大风速换算为10min平均最大风速。根据世界气象组织的指南,对于登陆台风,大致可按下式换算:
风压高度变化系数
风压：
风压（wind pressure）由于建筑物的阻挡，使四周空气受阻，动压下降，静压升高。侧面和背面产生局部涡流，静压下降，动压升高。和远处未受干扰的气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压。
简言之：风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。
风荷载：
风荷载空气流动对工程结构所产生的压力。其大小与风速的平方成正比，即式中ρ为空气质量密度，va和vb分别为风法结构表面前与结构表面后的风速。
基本含义：
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。
计算公式：
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：
1 当计算主要承重结构时,按式：wk=βzμsμzWo
式中wk—风荷载标准值(kN/m2)；
βz—高度z 处的风振系数；
μs—风荷载体型系数；
μz—风压高度变化系数；
Wo—基本风压(kN/㎡)。
2 当计算围护结构时，按式：wk=βgzμslμzWo
式中βgz—高度z 处的阵风系数；
μsl--风荷载局部体型系数。
风荷载参数：
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,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。
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)
风荷载
作用在建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值可按下式计算：
式中——基本风压值(kN／m2)
——风压高度变化系数；
——风荷载体型系数；
——z高度处的风振系数。
1．基本风压值
基本风压值与风速大小有关，荷载规范给出了各城市、地区的基本风压值。多层建筑和一般高层建筑取重现期为50年的风压值计算，特别重要的高层建筑，要取重现期为100年的风压值计算。
2.风压高度变化系数
离地面的高度愈大，风速也愈大；愈是空旷的地面，风速也愈大。基本风压值是根据各地区空旷平坦地面上离地面10m处测出的10分钟平均最大风速计算得到的，因此在不同的地面上和不同的高度处，风压值要乘以系数。
3．风荷载体型系数
风对建筑物表面的作用力并不等于基本风压值。当风经过房屋时，在迎风面产生压力，在背风面产生吸力，在侧面可能产生吸力或压力，而且风对各个表面的作用力也不均匀。在计算时，采用各个表面的平均风作用力，该平均风作用力与基本风压值的比值称为风荷载体型系数。 4．风振系数
由于风速、风向的不断变化，作用在建筑物表面上的风压(吸)力也在不停的变化，房屋会产生微小的振动。这种波动风压在建筑物中引起的动力效应与建筑物的柔度有关，高度较大，较柔的高层建筑的动力效应较大。基本风压值是取上下波动着的风压的平均值。在一般低层及多层建筑中，把风作用近似看成稳定风压，按静力方法计算其效应。在高层建筑中不可忽略风的动力效应。为了简化，计算时仍用静力方法，但用风振系数把基本风压适当加大。规范规定只在高度大于30m，且高宽比大于1.5的房屋结构中计算值，其余情况下取=1.0。
1、
风力等级 风的名称 （m/s）
0 无风 0~0.2
1 软风 0.3~1.5
2 软风 1.6~3.3
3 微风 3.4~5.4
4 和风 5.5~7.9
5 清劲风 8.0~10.7
6 强风 10.8~13.8
7 疾风 13.9~17.1
8 大风 17.2~20.7
风荷载计算解析
4.2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所受的风荷载。
4.2.1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。
按下式计算：垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值 式中：
Wo
1.基本风压值 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 按公式 确定。但不得小于0.3kN/m2。值确定的风速V0(m/s)
对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，基本风压采用100年重现期的风压值；对风荷载是否敏感主要与高层建筑的自振特性有关，目前还没有实用的标准。一般当房屋高度大于60米时，采用100年一风压。
《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）给出全国各个地方的设计基本风压。
2.风压高度变化系数μz
《荷载规范》把地面粗糙度分为A、B、C、D四类。
A类：指近海海面、海岸、湖岸、海岛及沙漠地区；
B类：指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的城镇及城市郊区；
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；
风荷载高度变化系数μz
地面粗糙类别
D
B
C
A 高度（m)
1.17 1.00 0.74 0.62 5
1.38 1.00 10 0.74 0.62
1.52 1.14 15 0.74 0.62 计算公式
0.24 =1.379(z/10)A类地区1.63 1.25 0.84 0.62 20
0.32 = (z/10)B类地区1.80 30 1.42 1.00 0.62
风荷载计算方法与步骤
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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：
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 D
300 350 450 500
0.12 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：
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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。）