【土木建筑】03荷载与结构设计方法.ppt

第第3章章 风荷载风荷载1.1第3章 风 荷 载第第3章章 风荷载风荷载1.2 风的有关知识风的有关知识 风压风压 风压高度变化系数风压高度变化系数 风荷载体型系数风荷载体型系数结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念顺风向结构风效应顺风向结构风效应横风向结构风效应横风向结构风效应结构总风效应结构总风效应思考题思考题本章内容本章内容第第3章章 风荷载风荷载1.3一、风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。风。由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道和低纬由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道和低纬度地区受热量较多，而极地和高纬度地区受热量较少。在受热量较多的赤道附近地区，气度地区受热量较多，而极地和高纬度地区受热量较少。在受热量较多的赤道附近地区，气温高，空气密度小，则气压小，大气因加热膨胀由表面向高空上升。受热量较少的极地附温高，空气密度小，则气压小，大气因加热膨胀由表面向高空上升。受热量较少的极地附近地区，气温低，空气密度大，则气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉。因此，在近地区，气温低，空气密度大，则气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉。因此，在低空受指向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯度指向低空受指向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯度指向高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图 3.1 所示的全球性南北向环流。所示的全球性南北向环流。风的有关知识风的有关知识 第第3章章 风荷载风荷载1.4二、两类性质的大风 1.台风台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空，若有一个台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空，若有一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流产生向弱涡旋内部弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋内部，把高温高湿空气辐合流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压暖湿空气向内辐合更强，更多的水汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直至增强为台风。更为下降，如此循环，直至增强为台风。2.季风季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地球表面性质不同，热季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地球表面性质不同，热力反映有所差异引起的。力反映有所差异引起的。风的有关知识风的有关知识 第第3章章 风荷载风荷载1.5三、我国风气候总况 我国的风气候总体情况如下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，常年受台风的直接影响，是我国最大的风区台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是我国最大的风区。(2)东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿海指向内陆。台东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在离海岸风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在离海岸100km处，风速约减小一处，风速约减小一半。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。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速。黑龙江西北部处于我国纬度最北地区，华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。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，平均海拔在青藏高原地势高，平均海拔在45 km，属较大风区，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，形成了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，形成了我国的最小风区我国的最小风区。风的有关知识风的有关知识 第第3章章 风荷载风荷载1.6四、风级 风的有关知识风的有关知识 风力等级名称海面状况浪高/m海岸渔船征象陆地地面物征象距地10m高处相当风速一般最高km/hmile/hm/s0静风-静静、烟直上1 0.3时，取时，取tan=0.3；k系数，对山峰取系数，对山峰取3.2，对山坡取，对山坡取1.4；H山顶或山坡全高山顶或山坡全高(m)；z建筑物计算位置离建筑物地面的高度建筑物计算位置离建筑物地面的高度(m)，当，当z2.5H时，取时，取z=2.5H。表表3-5 风压高度变化系数风压高度变化系数 0TH0地面或海平面高度/m地面粗糙度类别ABCD5101520304050607080901001502002503003504004501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12第第3章章 风荷载风荷载1.16风压高度变化系数风压高度变化系数 山坡和山峰的其他部位如图山坡和山峰的其他部位如图3.3所示，取所示，取A、C处的修正系数处的修正系数、为为1，AB间和间和BC间的修间的修正系数按正系数按 的线性插值确定。的线性插值确定。(2)山间盆地、谷地等闭塞地形山间盆地、谷地等闭塞地形 =0.750.85；对于与风向一致的谷口、山口，；对于与风向一致的谷口、山口，=1.201.50。对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，除类粗糙度类别，除由表由表3-5确定外，还应考虑表确定外，还应考虑表3-6中给出的修正系数。中给出的修正系数。表表3-6 远海海面和海岛修正系数远海海面和海岛修正系数距海岸距离/km40406060100修正系数1.01.01.11.11.2第第3章章 风荷载风荷载1.17风荷载体型系数风荷载体型系数一、单体风载体型系数 图图 3.4 所示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的分布，设计时可以直接取用。所示为封闭式双坡屋面风荷载体型系数在各个面上的分布，设计时可以直接取用。图中风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷图中风荷载体型系数为正值，代表风对结构产生压力作用，其方向指向建筑物表面；风荷载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。载体型系数为负值，代表风对结构产生吸力作用，其方向离开建筑物表面。图图3.4 封闭式双坡屋面风荷载体型系数封闭式双坡屋面风荷载体型系数第第3章章 风荷载风荷载1.18风荷载体型系数风荷载体型系数二、群体风压体型系数 当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数 乘以乘以相互干扰增大系数，该系数参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。相互干扰增大系数，该系数参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。第第3章章 风荷载风荷载1.19风荷载体型系数风荷载体型系数三、局部风压体型系数 验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用：验算局部围护构件及其连接的强度时，按以下局部风压体型系数采用：(1)建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范(GB 500092001)表表7.3.1中风荷载体型中风荷载体型系数采用。系数采用。(2)建筑物外表面负压区，对墙面取建筑物外表面负压区，对墙面取 1.0；对墙角边取；对墙角边取 1.8；对屋面局部部位；对屋面局部部位(周边和屋面周边和屋面坡度大于坡度大于10的屋脊部位的屋脊部位)取取 2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件取 2.0。(3)对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取对于封闭式建筑物的内表面，按外表面风压的正负情况取 0.2或或+0.2。第第3章章 风荷载风荷载1.20结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念一、结构的风力与风效应水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压沿表面积分可求水平流动的气流作用在结构物的表面上，会在其表面上产生风压，将风压沿表面积分可求出作用在结构的风力，结构上的风力可分为顺风向风力出作用在结构的风力，结构上的风力可分为顺风向风力、横风向风力、横风向风力 及扭风力矩及扭风力矩，如图，如图3.5所示。所示。(3-10a)(3-10b)(3-10c)式中，式中，B结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸；结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸；顺风向的风力系数，为迎风面和背风面体型系数的总和；顺风向的风力系数，为迎风面和背风面体型系数的总和；，分别为横风向和扭转力系数。分别为横风向和扭转力系数。212DDPv B212lLlv B212MMPv BMDl图图3.5 作用于结构上的风力作用于结构上的风力 第第3章章 风荷载风荷载1.21结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念二、顺风向平均风与脉动风 实测资料表明，顺风向风速时程曲线中，包括两种成分实测资料表明，顺风向风速时程曲线中，包括两种成分(图图3.6)：一种是长周期成分，其：一种是长周期成分，其值一般在值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据上述两种成分，应用以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。根据上述两种成分，应用上常把顺风向的风效应分解为平均风上常把顺风向的风效应分解为平均风(即稳定风即稳定风)和脉动风和脉动风(也称阵风脉动也称阵风脉动)来加以分析。来加以分析。图图3.6 平均风速和脉动风速平均风速和脉动风速 平均风相对稳定，即使受风的