风对结构的作用及抗风防护措施 附结构抗风PPT解析课件.docx

风对结构的作用及抗风防护措施摘要：风灾害是发生频繁的自然灾害,每年会给人类造成重大的生命和财产损失。工程结构的风灾损失主要形式是结构的开裂、损坏和倒塌。因此.工程抗风设计计算是工程安全的关键，本文研究了风的特性、风对结构的作用、风设计的主要内容和方法、防风减灾措施。关键词：风灾；工程结构；抗风设计；防灾措施；一.引言风灾是自然灾害中影响最大的一种。据有资料显示,从19471980年全球十种主要自然灾害中,由台风造成的死亡人数为4919万,占全球自然灾害死亡总人数的41%,比地震造成的死亡人数还多。1970年11月12-13日袭击孟加拉的一个台风（当地称风暴）,死亡人数达30万。1973年9月14B,7314台风登陆海南岛时风速达60米每秒,使琼海县城夷为废墟。1992年8月24日安德鲁飓风登陆美国佛罗里达,经济损失高达300亿美元。2007年10月台风罗莎造成福建省42.91万人受灾，房屋倒塌130间，直接经济损失4.6亿元。2007年11月孟加拉遭强热带风暴袭击至少1108人死亡，数千人受伤或失踪，数十万人无家可归。对于工程结构，风灾主要引起结构的开裂、损坏和倒塌，特别是高、细、长的柔性结构。因此，工程结构的抗风设计是关系到工程安全的重要因素。本文结合我国有关工程抗风设计的规范，介绍了风对工程结构的作用、抗风设计的主要研究内容和方法和防风减灾措施。二风风的形成乃是空气流动的结果，是空气相对于地面的运动。地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。1.风形成的原因在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速（或风力）来表示。空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向左偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响，山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却因摩擦大使风速减少,孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。2.风的分类自然风按其性质可以分为以下几大类：台风台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。台风是我国和东亚地区对热带气旋的通称，在印度洋地区称为热带风暴，在大西洋和东太平洋地区称为飓风。台风常带来狂风暴雨、惊涛骇浪，具有很大的破坏性，可以造成人民生命财产的巨大损失。根据台风中心附近的最大风力，又可把其分为：热带低压：中心附近最大平均风力6级到7级；热带风暴：中心附近最大平均风力8级到9级；强热带风暴；中心附近最大平均风力10级到11级；台风即飓风：中心附近最大平均风力12级以上。（2）季风由于海陆差异对气流运动的影响，在冬季，大陆比海洋冷，大陆气压比海洋高，风从大陆吹向海洋。夏季相反，大陆比海洋热，风从海洋吹向内陆。这种随季节转换的风，称为季风。亚洲大陆最大，因而季风影响最明显。我国是季风特别盛行的地区。从季风的明显性和稳定性来说，我国东部比西部大，华南和东南沿海比华中、华北、和东北大；在黄淮之间和辽河下游地区出现稳定性小而季风角大的地区。（3）地方性风在有限区域内，因局部地形（如特殊地理位置、地形或地表性质等）与气候特点而形成的风。主要有海（湖）陆风、山谷风（坡风）、冰川风、焚风、山口峡谷风等,所谓的海陆风也是白昼时，大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆称为海风，夜间（冬季）时，情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。在山区由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡，夜间由平原或山坡吹向谷地的风，前者称为谷风，后者称为山风。这是由于白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气较快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。三,风对结构的作用1 .顺风向效应结构的顺风向风振响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。平均风相对稳定，即使受风的长周期成分影响，但由于风的长周期远大于一般结构的自振周期，因此这部分风对结构的动力影响很小可以忽略，可将其等效为静力作用。脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期短，与一些工程结构的自振周期较接近时，会使结构产生动力响应。实际上，脉动风是引起结构顺风向振动的主要原因。根据观测资料，可以了解到在不同粗糙度的地面上同一高度处，脉动风的性质有所不同。在地面粗糙度大的上空，平均风速小，而脉动风的幅值大且频率高；反之在地面粗糙度小的上空，平均风速大，而脉动风的幅值小且频率低。（1）平均风效应平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间改变的量，虽然这部分风的本质是动力的，但其作用与静力相近，因此可认为其作用性质相当于静力。结构物的平均风荷载除了受如前所述的地形地表及风剖面的因素影响外，还受结构物体型的影响。建筑物采用风荷载体形系数。风载体型系数风荷载体形系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。风荷载体型系数一般由风洞试验测得。试验时，首先测得建筑物表面上任一点沿顺风向的净风压力，再将此压力除以建筑物前方来流风压，即得该测点的风压力系数。由于同一面上各测点的风压分布是不均匀的，通常采用受风面各测点的加权平均风压系数。对于群体风压体型系数要考虑多个建筑物间的风力干扰产生的动力增大效应。对建筑物进行局部验算时应考虑风压分布的不均匀性，采用局部风压体型系数。(2)脉动风效应脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于它周期短，因而其作用性质是动力的，引起结构的振动。研究表明，脉动风的影响与结构周期、风压，受压面积等有直接影响，这些参数愈大，影响也愈大，兼之结构上还有平均风作用，因而对于高、柔、大跨结构，风的影响起着很大的甚至决定性的作用。建筑物的振动也改变着风本身的结构，引起建筑物表面风压的变化，而风压的变化反过来影响着建筑物的振动。因而风力和建筑物有着一定的耦合作用，具有相互影响的关系，从而使问题的复杂性大大加大。风的脉动成分完全属于随机动力性质，对于柔性结构将引起很大的风振。脉动风风振的影响常用等效静力荷载来表示。我国建筑规范采用了平均风荷载乘上风振系数来表示。当然，对于刚性结构，风振依然是存在的，也可以考虑风振进行计算，但一般较小可以略去。刚性结构考虑风振时采用平均风荷载乘上阵风系数来表示。2 .横风向效应及共振效应结构物受到风力作用时，不但顺风向可以发生风振，在一定条件下横风向也能发生风振。横风向风振包括涡激振动、驰振、颤振及抖振等。(1)涡激振动引起结构横风向强迫振动的两个主要原因是：尾部激励(旋涡脱落)引起的结构横风向振动；横风向紊流(侧向脉动风)引起的结构横风向振动。在横风力作用下，由于旋涡形成的情况不同，结构受力性质也将不同，它与结构的截面形状以及雷诺数有关。横风向振动按雷诺数大小可划分为三个范围，即亚临界(300<re<3vspan="">×105),超临界(3X105vre<3vSPan=X106)和跨临界范IS(Re>3X106)。范围不同，其引起横向风振的特征是不同的。亚临界和跨临界范围旋涡脱落引起的振动是确定性的周期振动，中间范围即超临界范围是随机振动。气流绕经钝体结构时产生旋涡脱落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时将引起结构涡激共振，即产生横向风振,这时的风速称为共振临界风速。由于雷诺数与风速的大小成比例，因而使得跨临界的共振响应很大，振动比静力的大到十倍到几十倍。(2)驰振、颤振驰振和颤振一旦发生，便产生剧烈的振动，这种失稳式振动具有自激振动的特点。结构在风荷载作用下产生振动，同时结构的响应又反作用于风。这种由于结构的运动而产生的动力风荷载称为自激力，它是结构速度、位移、加速度的函数。一般情况下，气动力对结构的作用起到正阻尼的抑制作用，但由于结构的形状以及可能产生的功角，结构可以产生负阻尼，从而在风速达到某一临界值后，结构振动不能弹回而愈振愈大，即产生空气动力失稳。四.抗风设计的原则抗风设计的目的在于保证结构在施工阶段和建成后的使用阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载和风振引起的动力作用。根据风对建筑物造成的破坏来分析，我们的抗风设计要求必须保证结构在使用过程中不出现破坏等现象，主要涉及以下几个方面：(1)结构抗风设计必须满足强度设计要求。(2)结构抗风设计必须满足刚度设计要求。(3)结构抗风设计必须满足舒适度的要求。(4)结构抗风设计必须防止构件局部破坏。(5)结构抗风设计满足疲劳破坏设计要求。由于自然风会引起各种风致振动，在结构的抗风设计中首先要求发生危险颤振和驰振的临界风速与结构的设计风速相比具有足够的安全度，以确保结构在各个阶段的抗风稳定性。同时要求，把涡激振动和抖振的最大振幅限制在可接受的范围之内，以免产生结构疲劳或引起人体感觉不适。如果结构的最初设计方案不能满足抗风要求，应通过修改设计或采取气动措施、结构措施和机械措施等控制方法提高结构的抗风稳定性或减小风致振动的振幅。由于大气边界层紊流风特性和结构的不规则钝体的气动特性具有相当的复杂性，目前无法建立起完善描述风和结构相互作用的数学模型，只能通过半实验或纯实验的途径求近似的解答。因此，对于某些特殊的结构，风洞实验是结构抗风设计中必不可少的手段。五.抗风设计控制的主要因素1 .近地风特性不同的场地地貌对风速的影响是不同的。由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地高度的减小而降低。只有离地200500m以上的地方。风才不受地表的影响，达到所谓的梯度速度，这种速度的高度叫做梯度风高度。梯度风高度以上，已不受地貌影响，各处风速均为梯度风速。梯度风高度以下的近地层面为摩擦层，其间风速受到地理位置、地形条件、地面粗糙度、高度、温度变化等因素的影响。抗风设计中应考虑风的特性主要有风速随高度的变化规律、风速的水平攻角、脉动风速的强度、周期成分、空间相关性等。2 .风荷载我国荷载规范规定作用在结构表面的风荷载为Wk=zzrOwO,其中，z,z,r,w:分别表示：风振系数，风压高度变化系数，体型系数,重现期调整系数和基本风压。其中Bz=l+gvzuz,g为脉动增大系数，V为脉动影响系数，6z为振型系数。这3个系数可以根据随机振动理论和结构动力学方法求出。z,r,Wo是与风的统计特性有关的参数。在风荷载确定后，可根据结构力学理论，计算结构的响应。我国建筑结构荷载规范对于一些常见的高层结构和高耸结构的风振系数和体型系数做了规定。但是，对于一些新的结构形式，例如：膜结构、悬索结构和整体张拉结构的风荷载的取值设做规定。3 .结构的动力特性结构动力特性分析的正确性取决于其力学模型，包括边界条件能否真实地反应结构的工作行为，以及对结构进行合理的抽象和简化的过程中要保持结构的刚度和质量的等效性及空间的分布。进行结构动力分析时，可采用有限元动力分析程序。我国建筑结构规范对一些基本结构只考虑一阶振型，并有一些简化公式。对于有多层拉绳的桅杆结构根据情况可考虑的振型数目不大于4o随着科技的发展，又有一些新的结构形式出现，例如：国内外现代大型体育场馆中常用的膜结构。由于这种结构的自重非常轻，风振效应就成为整个结构设计中的主要控制因素之一。4 .结构的空气动力稳定性结构的空气动力失稳主要有两种形式：颤振和驰振。而发生颤振又有两种驱动机制：对于近似流线型的扁平结构断面可能发生古典耦合颤振，这种颤振的临界风速较高。此时高速流动的风引起的刚度效应将改变结构的弯曲和扭转频率，在临界风速下耦合成统一的颤振频率，并驱动结构的振动发散；对于非流线型的结构断面，容易发生分离流的扭转颤振。由于流动的风对断面的扭转运动会产生负阻尼效应，当达到临界风速时，空气的负阻尼克服结构的正阻尼导致振动发散。同时强风带有一定的攻角，演算结构的颤振稳定性时，应考虑攻角对临界风速的不利影响。对于驰振，其发生的可能性主要取决于结构横截面的外型。在大跨桥梁结构和柔度大的高耸结构中，对这两种空气动力稳定性考虑得比较多。5 .风致限幅振动对于抖振，可采用同时考虑抖振力和自激力作用的频域分析方法。自激力可由风洞实验测得结构的气动导数，抖振力项按准定长假定由风洞实验测得空气力系数与攻角的关系曲线求得，在通过气动导纳函数考虑非定长效应，由风速谱按随机振动理论估算抖振响应的根方差。风流经钝体结构时产生分离，由此在结构的两侧诱导出不对称的脱落的旋涡，使结构的两侧产生交替变化的正负压力，由此引发结构的涡激振动。当旋涡脱落的频率和结构的某一阶固有频率相等时，结构发生涡激共振。此时结构的振动对涡激力产生反馈作用，使得旋涡脱落频率在某一风速范围内被结构的固有频率“捕获”和结构的固有频率相等，这种现象称为“锁定二锁定使作用在结构上的涡激力相关性增强，产生出气动阻尼，在结构振动时减小原结构的阻尼。旋涡脱落的频率与结构的截面尺寸、特征尺寸和风速有关。对某一确定的结构而言，与结构的斯特罗哈数有关。知道结构的斯特罗哈数就可以求得结构涡振共振的临界风速，结构的斯特罗哈数一般由风洞实验得到。6 .风洞实验风洞是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。风洞种类较多，按流速划分，有高速风洞（风速在100m/s以上）和低速风洞（风速在100m/s以下）两大类。风洞试验是开展风振研究与抗风设计的重要基础。通过风洞试验，可以确定作用在工程结构上的风荷载与体型系数.从而提出简便合理、安全可靠的结构设计方案。1）风洞试验的理论基础风洞试验的理论基础是相似准则。要使风洞模拟的大气边界层流动与实际大气中的流动情况完全相似。则必须满足几何相似、运动相似、动力相似、热力相似以及边界条件相似等。在常规实验条件下，风洞中还不能完全复现真实条件下气流的运动状况。因此，根据不同的实验目的，对上述参数近似、取舍，做到部分地或近似地模拟大气边界层。2）风洞组成装置风洞试验中的组成装置主要有：操纵控制系统、支撑系统、量测系统和数据采集系统等。操纵控制系统通过操纵控制台使用风洞控制系统软件对模试验进行手动或自动控制。目前的风洞己经可以实现高度的自动化操作，提高了试验数据的精度和试验效率。支撑系统包括给定模型的攻角的机构、给定模型风向角的机构和支撑模型或仪器的支架等。测量系统包括试验风速的测量装置（热线、超声风速仪）、模型表面压力的测量系统（电子扫描阀）、模型各项分力和力矩的测量天平系统（应变天平）、模型位移响应的测量位移系统（激光位移计）及模型加速度响应的加速度测量系统等。3）风洞试验模型风洞试验模型有气动弹性模型或刚性模型.前者直接测量动态风荷载和结构响应：后者借助高频动态人平测量风荷载，再根据结构固有特性，计算结构动态响应。当测定结构物壁而的风速与风压分布时，一般采用刚性模型。4）风洞试验有显著的优点：试验条件、试验过程可以人为地控制、改变和重复、测试方便且数据精确。其缺点：风洞造价昂贵、动力消耗巨大；从模型制作到试验完成的周期较长；试验都是针对特定的工程结构进行，结构模型利用率低等。7 .风致振动控制对于超过限度的风致振动，可以采用气动措施或机械措施予以控制。气动措施是通过附加外部装置或改变结构的外形，或构件的外型来改变结构周围的气流流动，提高抗风能力。例如在结构设计时，应尽量采用气动稳定性好的结构外形等。气动措施主要用于提高结构的气动稳定性和降低涡激振动。机械措施是通过改变结构的刚度、阻尼或质量，来降低风振响应。六.抗风设计的目的和手段抗风设计的目的在于保证结构在施工阶段和建成后的使用阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载和风振引起的动力作用。由于自然风会引起各种风致振动，在结构的抗风设计中首先要求发生危险颤振和驰振的临界风速与结构的设计风速相比具有足够的安全度，以确保结构在各个阶段的抗风稳定性。同时要求，把涡激振动和抖振的最大振幅限制在可接受的范围之内。以免产生结构疲劳或引起人体感觉不适。如果结构的最初设计方案不能满足抗风要求，应通过惨改设计或采取气动措施、结构措施和机械措施等控制方法提高结构的抗风稳定性或减小风致振动的振幅。由于大气边界层紊流风特性和结构的的不规则钝体的气动特性具有相当的复杂性，目前无法建立起完善描述风和结构相互作用的数学模型，只能通过半实验或纯实验的途径求近似的解答。因此，对于某些特殊的结构，风洞实验是结构抗风设计中必不可少的手段。七.结构外部对风的防护与改善措施。1、对街道、广场、人行与交通安全有影响的街道风、穿堂风、尾涡旋风,通常主动方法是改变建筑物的布局、外形,尽量把引发不良风环境的根源,消除在建成之前。被动方法是采用挡墙、格栅、种植灌木林带、乔木林带来改善风环境,以保证车辆行驶与行人的安全,并确保高楼后广场、花园的洁净。2、对高层建筑迎风面的下冲旋涡风的防护,目前大多采用裙楼结构隔断下冲气流,并在大楼主要出入口设置防护顶棚,以缓冲可能坠落的幕墙玻璃及其它装饰物。3、建筑物的拐角处、平面与曲面的交接处、立面上凸出的观光电梯等部位常是出现负风压（吸力）的峰值区,设计时最好把直角边钝化或粗糙化,凸出部的法线与盛行风向应避免相垂直以减弱气流分离而形成高吸力区,或在负压峰值区设置百叶窗式的扰流罩以镇压过高的负压峰值。4、屋顶,不管是平屋顶、人字形或斜截头屋顶、半圆形屋顶等,通常在其屋脊、四周屋檐及拐角处出现负风压峰区。尤其平屋顶的周沿及拐角,其负压峰值较大。防护与改善方法是在平屋顶边缘处加一矮护墙,使拐角区域的旋涡抬离屋顶面。试验资料表明,这一措施可使最大吸力急剧下降;也有人在拐角处安置突出物（如烟囱、装饰物等）,扰动分离旋涡也达到减轻局部区域最大吸力的目的。5、对于外挑梁尖角处,通常负压较高,人们常采用绕流装置（如镇风兽等）,以减弱旋涡分离强度。对于位于喇叭状收缩段（风嘴口）的建筑物或构筑物,由于直接暴露在强风中,设计时除注意外形外还应注意强度、刚度校核及安全系数的选取,以免招致风灾。八.防风减灾措施风灾害除了对工程结构造成破坏，还会对园林绿化设施、生命线工程、海岸护坡等造成破坏。防止风灾的主要措施有：1.重点针对某些地区的风荷载特性进行研究。例如研究对地区风压分布、地面粗糙度划分、高层建筑风效应、大跨建筑和桥梁结构风效应等，为制定和修正荷载及相关规范提供依据。2 .加强工程结构的抗风设计。3 .建造防风固沙林和防风护岸植被，以减少风力对城市和海岸的破坏。4 .在经常受风灾危害的地区，建立预报、预警体制。九,总结随着经济和社会的发展，人们需要建造越来越多的（超）高层建筑、高耸塔桅结构、大跨空间结构、大跨度桥梁等各式各样体型的工程结构。风与结构间的相互作用十分复杂，风荷载是必成为结构抗风设计、防灾减灾分析的控制荷载之一。与工程结构的其他设计理论相比，抗风设计仍是相对比较新的内容，结构风振特性研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视。有关风工程的研究也成为土木工程中研究的热点问题。参考文献：Ul张相庭.工程抗风设计手册.北京：中国建筑工业出版杜，1998.2关萍等.风洞试验及其在结构风工程中的应用J.山西建筑，2005.引范学伟.徐国彬.工程结构的风灾破坏和抗风设计.中国安全学报.2001.4江见鲸.防灾减灾工程学M.北京：机械工业出版社，2005.5贺德馨.我国风工程研究现状和展望J.力学与实践，2002.附参考资料基本概念及名词风荷载与风致响应风洞试验及结果分析高层建筑风荷载大跨屋盖结构风荷载风灾害风灾主要有三种情况:稗“一是台风灾害，是指海洋上发生的气旋性涡旋大范围活动，伴随大风、巨浪、暴雨、风塞潮等,对人«*»»«««类生产生活具较强破坏力的灾害；°*xBM-«*«««二是蛇卷风灾害，是一种由快速旋转并造成直立中空管状的气流形成的灾害；°三是飓风灾害，泛指由狂风和任何热带气旋产生的灾害.（八）房屋倒塌(b)城市内涝(C)山体滑坡台风灾害2008年9月15日的第14号强台风"黑格比"登陆广东省电白县。2013年11月8日，超强台风"海燕"在菲律宾中部萨马省登陆，超过6100人死亡，我国广东、广西、台湾,香港和澳门多地受灾.2014年7月9日，第9号超强台风“威马逊"于海南省文昌市翁田镇登陆.2015年10月4日，超强台风"彩虹（Mujigae）”在湛江市坡头区沿海登陆，登B三为15级.2016年9月15日台风“其兰蒂"以强台风级在福建省厦门市登陆.2017年8月20日台风"天鸽”在广东省珠海市登陆.2018年9月7日超强台风"山竹”在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级.风与结构相互作用风速看作由两部分组成（平均风+脉动风）：-长周期部分,周期一般在Iomin以上；一般远离结构自振周期，属于静力性质；二短周期部分，在长周期部分基础上脉动，周期只有几秒至几十秒，与结构自振周期接近，其作用属于动力性质；风速实测记录平均风速注：本报告中部分图片引用自黄本才汪丛军编著的结构抗风分析原理及应用张相庭站构风工程风与结构相互作用风统矩形建筑流动建筑物正面压力风与结构相互作用气流绕建筑物侧面气流在屋面再附着风对建筑物的作用受建筑形式、钝体绕流的影响，会出现明显的气流分离、(baMHJK三风与结构相互作用屋盖表面风压特性不仅与来流特性有关，还受到建筑自身特征湍流的影响.(a胜状涡(b雌形涡(C)曲线柱状涡建筑的整体坍塌(少见)墙面屋面的围护体系破坏屋盖角部的破坏风与结构相互作用1、风由平均风+脉动风组成，脉动风引起结构物的顺风向振动需要考虑；2、结构背后旋涡脱落引起结构横风向(与风向垂直)的振动，对高层建筑、圆截面结构物不可忽略；3、其他建筑物尾流引起的振动；4、空气负阻尼引起横向失稳振动；I1.结构物或构件受力过大或不稳定；2、结构或构件产生过大变形，引起围护、装修材料损坏；3、反宜的风振作用，引起结构或构件疲劳破坏；4、气动弹性不稳定，使结构产生气动力；5、过大的振动，人员不舒适感增强；风工程基本概念，边界层风场大气边界层平均风特性工程结构设计时晶关心的是大气边界层厚度内的漉流风场，因为一般的建筑结构物都位于大气边界层的厚度内.梯度风高度：以梯度风速流动的起点称为梯度风高度.类别描述地面租榻悌度M度指数高度近海地面、海靠、海岸、湖岸A及沙澄地区01230OmD田野、乡村及囱屋幡筑的乡镇D和城市郊区0,15350mC有密集建筑群的城市市区022450m有空军建施?且房屋较高的城U市市区030SSOm表1我国规范地面粗糙度分类平均风速剖面T均风速随高度Z变化规律的曲线，有对数律和指数律两种表示方法100米高度范围内对数律表达是相对准确的,超过这一高度后,偏于保守，而采用指数律更符合实际情况我国荷载规范对风剖面采用指数僚表示：=元儒J风工程基本概念基本风速不同地区气象观测站通过风速仪的大量观察、记录，按照我国规定标准条件统计分析得到的最大平均风速.我国规范标准条件：1.标准粗糙度类别一接近B类地貌2.标准高度离地Iom3、出现期一50年(超越概率1/T,保证率1-1/T)日本建议重现期换算系数：人嗯=055-00981n(ln工r(100)-l风工程基本概念基本风压我国按50年重现期的厩率确定基本风压，以标准参考高度10米处统计得到的10分钟平均年最大风速(ms)为标准，按W=go，；计算而得，但不得小于O3kNm2.脉动风特性一脉动风特性通常用湍流强度、湍流积分尺度和阵风系数三个主要特性以及脉动风的风速谱和相干函数两个概率特性来描述(D湍流强度一用来描述大气中湍流的主要参数，通常顺风向(纵向)湍流强度大于另外两个方向的湍流强度分量./(z)=鬻巩Z)表示平均风速：q(z)为脉动风速均方根。我国荷载规范给出如下作为湍流强度沿高度变化的表达式：Z(z)三Z10Zj(z)MZ)1.a指地面粗糙度指数；Ao为10米高度名义湍流度，对应A、B、C和D类地面粗糙度，分别取0.12、0.14、0.23和0.39;风工程基本概念(2)湍流积分尺度表征风速脉动在空间上大小的尺度，反映湍流空间中两点脉动风速的相关性，湍流积分尺度大，湍流影响强,反之则弱.日本建议公式4=1°0J加may100230m(3)阵风系数一考虑围护结构的峰值压力，除平均荷载外，还需考虑脉动风的影响,引入阵风系数gz(考虑到瞬时风压较平均风大而乘的系数)即瞬时风压峰值与IOmin平均风压的比值，随湍流强度增大而增大，随持续时间延长而减小.(4)脉动风速功率谱一描述脉动风能品在频域内的分布情况,反映了脉动风中不同频率成分对脉动总动能的贡献。不同形式的风速谱表达式，主要有：DaVenPOrt谱、KaimaI谱、SimiU谱、HinO谱、英国Harris谱、Karman谱等.风工程基本概念nSv(n)_4kx2Davenport谱：=rvw(l+x2)yHarriS谱：$1")-6.677n(l+六.8/)”Simiu谱：s,(z.n)-200:r'',6n11+50)j5KailnaI谱：S”(z,)=200后",f6m(1+50/)35Kannaii谱St(z,n)-4;'.r'',n(l÷70.8)*谱工（ZM=决黑风工程基本概念（5）相干函数（频域）一空间各点的风速、风向并非完全同步,当空间一点的风速达到最大值时，在一定范围内，离该点越远处的风速达到最大值的可能性就越小，这种性质称为脉动风的空间相关性.Coh(r,n)xS*(M)JSHgSIl“0Coh2(rtn)l2，风荷载及风致响应结构风荷载荷载规范规定了垂直于建筑物表面的风荷载标准值，(1)主要受力结构Wk=0用Wk一风荷载标准值(kNm2)Az高度处的风振系数i一荷载体型系数内一风压高度变化系数，%-M本风压(kNm2)(2)主要国护结构%=以凡W产O出一风我局部体型系数；%-Z高度处阵风系数结构风荷载YSM-OSW05WY39f60-040g详荷载规范8.3.1及高规附录B95W9例-0511962-OSSO-05»9519-OlSII-04W«50GMk左U帼助长方体体型系数若为建筑群,应考虑建筑间相互干扰效应。结构风荷载局部荷载体型系数:计箕构件局部风压时，考虑风压分布不均匀性，采用局部风压体型系数.对外表面：1.详荷载规范8.3.3;2、槽口、雨篷、遮阳板等突出构件，-2.0;对内表面：按其表面风压取-02或+0.2;对开口建筑：1.详规范&3.5;2、参照相关论文结构风荷载风压高度变化系数出标准地貌参考高度Zb标准地貌参考高度对应风速Vb标准地貌地面粗糙度指数c标准地貌梯度风高度Hb任意地猊参考高度ZC任意地貌参考高度对应风速Vt任意地面阻糙度指数任意地貌梯度风高度H,任一地貌标准高度风压海洋多村城市有高建筑城市HHV式手）%=v（7r（任意地貌梯度风速相同）ZBVC=X3）"）"W=；川ZbHeZ任地貌Z高度处风速任地貌任意高度处风压结构风荷载Z高度处的风振系数S.:结构总响应与平均风压引起的结构响应的比值.平均风：侧移脉动风：振动Z高度处阵风系数八:考虑到瞬时风较平均风大而乘系数结构风荷载平均风压围护结构主要受力结构结构风致响应顺风向顺风向风振响应：H>30m&H/B>1.5,Tl>0.25的高管结构及大跨屋盖结构等需考虑准定常假定：建筑结构表面风压与来流风速压同步脉动(体型系数不随时间变化)本质为风速谱估计风压谱，然后计算振动响应。适用范围：一股适用于多层与高层建筑、高管结构一类的竖向慰臂结构顺风向风振分析,准定常假定-r(z)=而+gsbB(Z)F+麻外(Z)F顺风向风致响应：平均风响应背景响应共振响应共振分量：结构振动引起背景分量：风速瞬时变化引起结构风致响应顺风向结构静力等效风荷载ESW1.将动态风荷载简化为等效除力作用1.荷载T何应相关法1.RC主要针对平均风荷载和背景风对应的峥力等效风荷载分析2、背景分量与共振分量组合法3、阵风荷载因子法（G1.F）-加拿大规范4、惯性风荷载法-中国规范结构风致响应顺风向阵风荷载因子法（G1.F）-加拿大规范SpectraldensityAdmittanceSpectraldensityAdmittanceSpoctraldensit：Frequency顺风向风致响应计算原理示意图结构风致响应顺风向时域分析风速时程匚风压时程匚风致响应分析计算结果相对准确，但是计算量大，不便于工程应用.籁域分析FFT空气动力吗力学传递作响函数)脉动风速时程匚)I脉切风速谱J。I脉动风压谱Io响应谱匚响应均方根值阵风因子G结构峰值响应与平均位移响应的比值G=弓=也=1+竺1yyy总的静力等效风荷载P(Z)P(Z)=G×P(z)结构风致响应顺风向惯住风荷载法-中国规范采用振型的惯性力定义"风振系数"，但是只考虑了一阶振型，顺风向动力响应偏小岬f)+Cx(O+KXQ)=P(Z)KX×SfAX=Peq振型分解(0=SQ)=%«)片IQD求财陛标均方根C=ij(iSfjd总的最大位移2一叵2r3=J=JZ(4%)VJ=IY六1结构风致响应顺风向第/振型上的等效惯性力(风振力)KXRUX=P=。；Mj(glqj)总风振力PKZ)=gm(z>z)丽系数广义力谱的计算准定常假设pt)iifpUu(t)SSp()j4尸、S”-一例ySp(°)=-=rSUg)给定相关性公式，求得加速度响应峰值.结构风致响应顺风向Vekxaty乂速顺风向风致响应计算原理示意图横风向风振：涡激振动、驰振、颤振、抖振等涡激振动：指风流经各种截面形状的钝体结构时，在其背风面发生的旋涡的交替脱落，这种由交替涡流引起且与风垂直的振动.雷诺数=惯性力/黏性力1、Re很低，层流绕流，不分离；2、5wRe“0,层流分离；3、40sRe410$,旋涡交替脱落，形成剪切层，继续脱落；（亚临界范围）4、105<Re<3,5×10,随机脱落（超临界范围）5、ReN3.5x106,尾流紊乱，但旋涡脱落规则（跨临界范围）结构风致响应-横风向斯脱罗哈数s，DVns旋涡脱落频率；D物体垂直平均流速的投影尺寸；力来流平均风速锁定现象结构共振，自振频率控制旋涡脱落频率,风速变化时，斯脱落哈频率脱离自振频率时,旋涡脱落仍有结构自振频率控制的现象.来流抖振尾流抖振强迫振动涡激振动驰振:失稳式振动，驰振发生，结构容易破坏.横风向弯曲单自由度振动基本风速达到临界值Vr,结构总阻尼不在为正而为负值，振动将无限增大，产生空气动力失稳现象,即驰振。圆柱体不会发生地振颤振：扭转单自由度振动，穹扭颈振：弯曲和扭转两自由度耦合振动抖振：短周期的脉动风引起的强迫振动风洞试验及结果分析研究方法通过现场实测、风洞试蛉、数值模拟和理论分析等手段对工程实例对象的结构风荷载和风效应迸行研究.风洞介绍风洞是指按一定要求设计的管道系统，采用动力装置驱动可控制的气流，根据运动相对性和相似性原理进行气动力试验的设备分类：按试验段流速分为：低速、亚音速、跨音速、超音速、高超音速、高焰高超音速风洞适用于建筑工程的为低速风洞(0135ms)低速风洞分为：直流吹式风洞，直流吸式风洞、回流卧式风洞、回流立式风洞风洞介绍直流式风洞风洞介绍回式风洞相似理论几何相似和运动相似几何相似：模型与原型外形相同，对应部分夹角相等而且对应部分长度均成一定比例/VI3长度cI=Y体积Cy=j=万A7*面积C=7=产夹角='运动相似速度、压力、附加外力、clclcuCPcfcvq分别为时间、几何、动力粘度、密度的比值，雷诺数很难实现。相似理论风速测量：澳大利亚TFl公司生产的CobraProbe：维风速仪，利用电子扫描阀测压系统测压过程如卜；首先狭得测点乐力信号，经PVC测压管转入压力转换模块转为电压信号，再经数字伺服模块记录数据信息，与控制机连接，进入压力模块。采用绵阳六维科技生产的风机及配套装置、转盘制动、A/D板等，利用尖劈、挡风板以及粗糙元等来实现实验室内的风场调节。相似理论il眼镜蛇探针外形及其采集原理示意图试验过程数据处理与分析测压、测力、风环境等报告试验过程刚性测压试验风压系数的符号约定为：风荷载作用在模型测点所在面法线方向,压力（指向表面）为正，吸力（背离表面）为负，计算公式如下：单测点风压系数：C网=PK=P(WCPs)=Pm)/osW双测点风压系数：喙一斤-的=«）m显平均风压系数：可WXC&脉动风压系数：体型