【土木建筑】03荷载与结构设计方法.ppt

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1、第3章 风 荷 载,返回总目录,风的有关知识 风压 风压高度变化系数 风荷载体型系数结构抗风计算的几个重要概念顺风向结构风效应横风向结构风效应结构总风效应思考题,本章内容,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，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。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，

2、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。,风的有关知识,图3.1 大气热力学环流模型,二、两类性质的大风 1.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

3、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，中心气压更为下降，如此循环，直至增强为台风。2.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。,风的有关知识,三、我国风气候总况 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。(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。台风登陆

4、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。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。(4)青藏高原地势高，平均海拔在45 km，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，形成了我国的最小风区。,风的有关知识,四、风级,风的有关知识,为了区分风的大小，根据风对地面

5、(或海面)物体的影响程度，常将风划为13个等级。风速越大，风级越大。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。风的13个等级见表3-1。表3-1 蒲福风力等级表,风 压,一、风速与风压的关系 风的强度常用风速表示。当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍物产生压力，即风压。风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引起多种类型的振动效应。确定作用于工程结构上的风荷载时，必须依据当地风速资料确定基本风压。风的流动速度随离地面高度不同而变化，还与地貌环境等多种因素有关。为了设计上的方便，可按规定的量测高度、地

6、貌环境等标准条件确定风速。对于非标准条件下的情况由此进行换算。在规定条件下确定的风速称为基本风速，它是结构抗风设计必须具有的基本数据。风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：(3-1)式中，单位面积上的风压力(kN/m2)；空气密度(kg/m3)；空气单位体积重力(kN/m3)；g重力加速度(m/s2)；v0 风速(m/s)。,风 压,在标准大气压情况下，=0.012018kN/m3，g=9.80m/s2，可得：(3-2)在不同的地理位置，大气条件是不同的，和 g值也不相同。资料缺乏时，空气密度可假设海拔高度为0m，取=1.25(kg/m

7、3)；重力加速度 g不仅随高度变化，而且与纬度有关；空气重度 是气压、气温和温度的函数，因此，各地的 的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、测量高度进行统一规定。根据统一规定，建筑结构荷载规范(GB 500092001)给出了全国各城市50年一遇的风压值，见表2-1。当城市或建设地区的基本风压值在表中未列出时，也可按建筑结构荷载规范(GB 500092001)中全国基本风压分布图(附图2)查得。在进行桥梁结构设计时，可按公路桥涵设计通用规范中全国基本风压分布图查得基本风压值。,风 压,二、基本风压 1.标准高度的影响：风速随高度而变化。离地表越近，由于地表摩擦耗能越大，因而平均

8、风速越小。2.标准地貌的规定：同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关。地面粗糙程度高，风能消耗多，风速则低。3.公称风速的时距：公称的风速实际是一定时间间隔内(称为时距)的平均风速。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。风速记录表明，10min的平均风速已趋于稳定。时距太短，易突出风的脉动峰值作用；时距太长，势必把较多的小风平均进去，致使最大风速值偏低。4.最大风速的样本时间:由于气候的重复性，风有着它的自然周期，每年季节性地重复一次。因此，年最大风速最有代表性。5.基本风速的重现期:取年最大风速为样本，可获得各年的最大风速。每年的最大风速值是不同的。工程设计时，一般应考虑

9、结构在使用过程中几十年时间范围内，可能遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时间后再出现，这个间隔时间称为重现期。,风 压,三、非标准条件下的风速或风压的换算 1.不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表3-2取值。表3-2 实测风速高度换算系数 2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧烈，气象台站瞬时风速记录时距小于10min，因此在某些情况下

10、需要进行不同时距之间的平均风速换算。实测结果表明，各种不同时距间平均风速的比值受到多种因素影响，具有很大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似按表3-3取值。表3-3 不同时距与10 min时距风速换算系数,风 压,应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比值，其中最重要的有：(1)平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。(2)天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。3.不同重现期换算 重现期不同，最大风速的保证率将不同，相应的最大风速值也不同。我国目前按重现期50年的概率确定基本风压

11、。重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现期的基本风压，以调整结构的安全水准。不同重现期风速或风压之间的换算系数可按表3-4取值。表3-4 不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数,风压高度变化系数,地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区低，如图3.2所示。根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：(3-3)式中，v 任一高度z处平均风速；v0标准高度处平均风速；离地面任一高度(m)；离地面标准高度，通常取为10m；与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度越大，越大。由式(3-1)可知

12、，风压与风速的平方成正比，将式(3-3)代入，可得：(3-4)式中，任一地貌高度z处风压；任一地貌标准高度处风压。整理式(3-4)，并将标准高度=10m代入，可得：(3-5),图3.2 不同粗糙度下的平均风剖面,风压高度变化系数,设标准地貌下梯度风高度为，粗糙度指数为，基本风压值为；任一地貌下梯度风高度为。根据梯度风高度处风压相等的条件，由式(3-5)可导出：(3-6)(3-7)将式(3-6)、(3-7)代入式(3-5)，可得任一地貌条件下，高度z处的风压为：(3-8)式中，为任意地貌下的风压高度变化系数，应按地面粗糙度指数 和假定的梯度风高度 确定，并随离地面高度z而变化。,风压高度变化系数

13、,建筑结构荷载规范(GB 500092001)将地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类是指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取地面粗糙度指数A=0.12，梯度风高度=300m。B类是指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取地面粗糙度指数 B=0.16，梯度风高度 C类是指有密集建筑群的城市市区，取地面粗糙度指数 C=0.22，梯度风高度 D类是指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取地面粗糙度指数 D=0.30，梯度风高度=450m。将以上数据代入式(3-8)，可得A、B、C、D四类风压高度变化系数：A类：=1.379(z/10)0.24 B类：=1.000(z/10)0

14、.32 C类：=0.616(z/10)0.44 D类：=0.318(z/10)0.60 根据上式可求出各类地面粗糙度下的风压高度变化系数。对于平坦或稍有起伏的地形，高度变化系数直接按表3-5取用。对于山区的建筑物，风压高度变化系数除由表3-5确定外，还应考虑地形的修正，修正系数 分别按下述规定采用：(1)对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用：(3-9),风压高度变化系数,式中，山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当tan 0.3时，取tan=0.3；k系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；H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(m)，当z2.5H时，取z=2.5H

15、。表3-5 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3.3所示，取A、C处的修正系数、为1，AB间和BC间的修正系数按 的线性插值确定。,图3.3 山坡和山峰示意图,(2)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，=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A类粗糙度类别，除由表3-5确定外，还应考虑表3-6中给出的修正系数。表3-6 远海海面和海岛修正系数,风荷载体型系数,一、单体风载体型系数 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。图中风荷载体型系数为正值，代表风对

16、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。,图3.4 封闭式双坡屋面风荷载体型系数,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。,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：(1)建筑物外表面正压区按建筑结构荷载规范(GB 500092001)表7.

17、3.1中风荷载体型系数采用。(2)建筑物外表面负压区，对墙面取 1.0；对墙角边取 1.8；对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10的屋脊部位)取 2.2；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 0.2或+0.2。,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 及扭风力矩，如图3.5所示。(3-10a)(3-10b)(3-10c)式中，B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

18、，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。,图3.5 作用于结构上的风力,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(图3.6)：一种是长周期成分，其值一般在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，应用上常把顺风向的风效应分解为平均风(即稳定风)和脉动风(也称阵风脉动)来加以分析。图3.6 平均风速和脉动风速 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

19、起的，其强度随时间随机变化。由于脉动风周期较短，与一些工程结构的自振周期较接近，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。,结构抗风计算的几个重要概念,三、横风向风振 空气在流动中，对流体质点起着重要作用的两种力：惯性力和粘性力。空气流动时自身质量产生的惯性力为单位面积上的压力 乘以面积，其量纲为(D为圆柱体的直径)。粘性力反映流体抵抗剪切变形的能力，流体粘性可用粘性系数 来度量，粘性应力为粘性系数 乘以速度梯度dv/dy或剪切角 的时间变化率，而流体粘性力等于粘性应力乘以面积，其量纲为。雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动力相似。雷诺数 可表示为：(3-

20、11)式中，空气密度(kg/m3)；v计算高度处风速(m/s)；D结构截面的直径(m)，或其他形状物体表面特征尺寸；动粘性系数，。在式(3-11)中代入空气动粘性系数1.45l0-5m2/s，则雷诺数 可按下式确定：=69000vD(3-12),结构抗风计算的几个重要概念,雷诺数与风速的大小成比例，风速改变时雷诺数发生变化。如果雷诺数很小，如小于1/1000，则惯性力与粘性力之比可以忽略，即意味着高粘性行为。相反，如果雷诺数很大，如大于1000，则意味着粘性力影响很小。空气流体的作用一般是这种情况，惯性力起主要作用。为说明横风向风振的产生，以圆截面柱体结构为例。当空气流绕过圆截面柱体时(图3.

21、7(a)，沿上风面AB速度逐渐增大，到B点压力达到最低值，再沿下风面BC速度又逐渐降低，压力又重新增大，但实际上由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦要消耗部分能量，因此气流实际上是在BC中间某点S处速度停滞，漩涡就在S点生成，并在外流的影响下，以一定的周期脱落(图3.7(b)，这种现象称为卡门(Karman)涡街。设脱落频率为，并以无量纲的斯脱罗哈(Strouhal)数Sr=来表示，其中D为圆柱截面的直径，v为风速。,空气流绕过圆截面柱体(b)漩涡周期脱落 图3.7 漩涡的产生与脱落,结构抗风计算的几个重要概念,试验表明，气流漩涡脱落频率或 Strouhal 数 Sr 与气流的雷诺数 有关：当

22、时，周期性脱落很明显，接近于常数，约为0.2；当 时，脱落具有随机性，Sr的离散性很大；而当 时，脱落又重新出现大致的规则性，Sr=0.270.3。当气流漩涡脱落频率 与结构横向自振频率接近时，结构会发生剧烈的共振，即产生横风向风振。对于其他截面结构，也会产生类似圆柱结构的横风向振动效应，但Strouhal数有所不同，表3-8显示了一些常见直边截面的Strouhal数。表3-8 常用截面的Strouhal数 工程上雷诺数 极少遇到。因而根据上述气流漩涡脱落的 3 段现象，工程上将圆筒式结构划分3个临界范围，即亚临界(Subcritical)范围，；超临界(Supercritical)范围，；跨

23、临界(Transcritical)范围，。,顺风向结构风效应,一、风振系数 脉动风是一随机动力作用，其对结构产生的作用效应需采用随机振动理论进行分析。分析结果表明，对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，以及高度大于30m、高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，由于频谱比较稀疏，第1振动起到控制作用，此时可以仅考虑结构第1振动的影响，通过风振系数来计算结构的风荷载。结构在z高度处的风振系数 可按下式计算：(3-13)式中，脉动增大系数；脉动影响系数；振型系数；风压高度变化系数。,顺风向结构风效应,二、脉动增大系数 脉动增大系数 可由随机振动理论导出，此时脉动风导出并经过一定的

24、近似简化，可得到：(3-14a)(3-14b)式中，结构的阻尼比，对钢结构取0.01，对有墙体材料填充的房屋结构取0.02，对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05；考虑当地地面粗糙度后的基本风压；T1结构的基本自振周期。将上述不同的结构参数及基本风压值代入式(3-14)可得到相应的脉动增大系数，为方便起见，制成脉动增大系数表3-9供设计时查用。查表前计算 时，对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压。对A类、C类和D类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。,顺风向结构风效应,表3-9 脉动增大系数,顺风向结构风效应,三、结构振型系数 结构振型系数应根据结构动力学方法确定

25、。对于截面沿高度不变的悬臂型高耸结构和高层建筑，在计算顺风向响应时可仅考虑第1振型的影响，根据结构的变形特点，采用近似公式计算结构振型系数。对于高耸构筑物可按弯曲型考虑，结构第1振型系数按下述近似公式计算：(3-15)对于高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑，结构第1振型系数按下述近似公式计算：(3-16)当悬臂型高耸结构的外形由下向上逐渐收近，截面沿高度按连续规律变化时，其振型计算公式十分复杂。此时可根据结构迎风面顶部宽度BH与底部宽度B0的比值，按表3-10确定第1振型系数。,表3-10 截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数,顺风向结构风效应,顺风向结构风效应,四、脉动

26、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，对于无限自由度体系，脉动影响系数可按下述公式确定：(3-17)由式(3-17)可知，脉动影响系数 涉及风压空间相关系数和脉动系数 f两个参数。风压空间相关系数是考虑风压脉动空间相关性的折算系数，可由随机振动理论导出，主要与受风面上两点的距离有关，随两点间距离的增大减小，呈指数衰减规律。脉动系数 为脉动风压与平均风压之比。因脉动风压随高度变化不大，而平均风压随高度而增大，故脉动系数随高度增加而减小。根据国内实测，并参考国外资料取：(3-18)为方便工程技术人员进行设计，建筑结构荷载规范(GB 500092001)对于高耸结构和高层建筑，考虑

27、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3-11供设计时直接查用。,顺风向结构风效应,表3-11 脉动影响系数,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、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表3-11采用。当高耸结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线规律变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表3-11中的脉动影响系数应再乘以修正系数B和 V。B应为构筑物迎风面在z高度处的宽度Bz与底部宽度B0的比值，可按表3-12确定。,顺风向结构风效应,表3-12 修正系数 v,2.结构迎风面宽度较大的情况 对于结构迎风面宽度较大的情况(如高层

28、建筑等)，若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据结构总高度H及其与迎风面宽度B的比值，按表3-13采用。表3-13 脉动影响系数V,顺风向结构风效应,表3-13 脉动影响系数V,顺风向结构风效应,五、结构基本周期经验公式 1.高耸结构 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构为：T1=(0.0070.013)H(3-19)式中，H为结构物总高(m)。一般情况下，钢结构刚度小，结构自振周期长，可取高值；钢筋混凝土结构刚度相对较大，结构自振周期短，可取低值。2.高层建筑 一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构：钢结构T1=(0.100.15)n(3-20)钢筋混凝土结构T1=(0.050.10)n(

29、3-21)式中，n为建筑层数。对于钢筋混凝土框架和框剪结构可按下述公式确定：T1=0.25+0.5310-3(3-22)对于钢筋混凝土剪力墙结构可按下述公式确定：T1=0.03+0.03(3-23)式中，H房屋总高度(m)；B房屋宽度(m)。,顺风向结构风效应,六、阵风系数 对于围护结构，包括玻璃幕墙在内，脉动引起的振动影响很小，可不考虑风振影响，但应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数。阵风系数参照国外规范取值水平，按下述公式确定：(3-24)式中：脉动系数，按式(3-18)计算；k地面粗糙度调整系数：对A、B、C、D四种类型，分别取0.92、0.89、0.85、0.80。阵风

30、系数 也可根据不同粗糙度类别和计算位置离地面高度按表3-14采用。表3-14 阵风系数,顺风向结构风效应,七、顺风向风荷载标准值 当已知拟建工程所在地的地貌环境和工程结构的基本条件后，可按前述方法逐一确定工程结构的基本风压W0、风压高度变化系数、风荷载体型系数、风振系数 和阵风系数，即可计算垂直于建筑物表面上的顺风向荷载标准值。(1)当计算主要承重结构时，风荷载标准值Wk按下述公式计算：(3-25)(2)当计算围护结构时，风荷载中标准值wk按下述公式计算：,横风向结构风效应,一、锁定现象 实验研究表明，当横风向风力作用力频率 与结构横向自振基本频率 接近时，结构横向产生共振反应。此时若风速继续

31、增大，风漩涡脱落频率仍保持常数(图3.8)，而不是按式(3-27)变化。(3-27)只有当风速大于结构共振风速的1.3左右时，风漩涡脱落频率才重新按式(3-27)规律变化。将风漩涡脱落频率保持常数(为结构自振频率)的风速区域，称为锁住区域。,横风向结构风效应,二、共振区高度 在一定的风速范围内将发生共振，共振发生的初始风速为临界风速，临界风速 可由式(3-27)导出：(3-28)式中，Sr斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2；结构第 振型自振周期。由锁定现象可知，在一定的风速范围内将发生涡激共振。对图3.9所示圆柱体结构，可沿高度方向取(1.01.3)的区域为锁定区，即共振区。对应于共振区起点高度

32、H1的风速应为临界风速，由式(3-3)给出的风剖面的指数变化规律，取离地标准高度为10m有：(3-29)可得：(3-30),横风向结构风效应,若取离地高度为H，则得H1的另一表达式：(3-31)式中，H结构总高度(m)；v结构顶部风速(m/s)。,对应于风速1.3 的高度H2，由式(3-3)的指数变化规律，取离地标准高度为10m，同样可导出：(3-32)式(3-32)计算出的 值有可能大于结构总高度，也有可能小于结构总高度，实际工程中一般均取 H 2=H，即共振区范围为 H H1。,横风向结构风效应,三、横风向风振验算 对圆形截面的结构，应根据雷诺数 的不同情况进行横风向风振(漩涡脱落)的校核

33、。当结构沿高度截面缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3结构高度处的风速和直径。(1)亚临界范围(3.0105)。对结构顶部风速，有：(3-33)式中，风荷载分项系数，取1.4；结构顶部风压高度变化系数；基本风压(kN/m2)；空气密度(kg/m3)。对临界风速vcr，有：,横风向结构风效应,式中，T1结构基本自振周期；Sr斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2。当结构顶部风速超过vcr时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速vcr不小于15m/s。(2)超临界范围(3.0105 3.5106)。此范围漩涡脱落没有明显周期，结构的横向振动呈现随机特征，不会产生共振响应，且风速也不是很

34、大，工程上一般不考虑横风向振动。(3)跨临界范围(3.5106)。当风速进入跨临界范围时，结构有可能出现严重的振动，甚至于破坏，国内外都曾发生过很多这类的损坏和破坏的事例，对此必须引起注意。,横风向结构风效应,3.5106且结构顶部风速大于vcr时(跨临界的强风共振)，在z高处j振型的等效风荷载可由下式确定：(3-34)式中，计算系数，按表3-15采用，表中临界风速起始点高度H1按式(3-31)确定；在z高处结构的j振型系数，由计算确定或参考表3-16确定；第j振型的阻尼比：对第1振型，钢结构取0.01，房屋钢结构取0.02，混凝土结构取0.05；对高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第1振

35、型的值取用。横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同的振型发生共振效应。对跨临界的强风 共振，设计时必须按不同振型对结构予以验算。式(3-34)中的计算系数 是对 振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数。若临界风速起始点在结构底部，整个高度为共振区，它的效应最为严重，系数值最大；若临界风速起始点在结构顶部，则不发生共振，也不必验算横风向的风振荷载。一般认为低振型的影响占主导作用，只需考虑前4个振型即可满足要求，其中以前两个振型的共振最为常见。,横风向结构风效应,表3-15 计算用表,表3-16 高耸结构和高层建筑的振型系数,结构总风效应,在风荷载作用下，结构出现横向风振效应的同时，必

36、然存在顺风向风载效应。结构的风载总效应应是横风向和顺风向两种效应的矢量叠加。风的荷载效应S可将横风向风荷载效应SC与顺风向荷载效应SA按下式组合后确定：(3-35)对于非圆形截面的柱体，如三角形、方形、矩形、多边形等棱柱体，都会发生类似的漩涡脱落现象，产生涡激共振，其规律更为复杂。对于重要的柔性结构的横向风振等效风荷载宜通过风洞试验确定。,思考题,1.何谓基本风压，影响风压的主要因素是什么？2.阐述风载体形系数、风压高度变化系数、风振系数的意义。3.简述横风向风振产生的原因及适用条件。4.简述脉动风对结构的影响。,习 题,1.已知一矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变。H=100m，

37、B=33m，地面粗糙度为A类，基本风压W0=0.44kN/m2。结构的基本自振周期T1=2.5s。求风产生的建筑底部弯矩。(注：为简化计算，将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区段20m高，取其中点位置的风荷载值作为该区段的平均风载值)2.钢筋混凝土烟囱H=100m，顶端直径为5m，底部直径为10m，顶端壁厚0.2m，底部壁厚0.4m。基本频率f1=1Hz，阻尼比=0.05。地貌粗糙度指数=0.15，空气密度=1.2kg/m3。10m高处基本风速v0=25m/s。问烟囱是否发生横风向共振，并求烟囱顶端横风向的最大位移。3.在某大城市中心有一钢筋混凝土框架核心筒结构的大楼(图3.10)，外形和质量沿房屋高度方向均基本呈均匀分布。房屋总高H=120m，通过动力特性分析，已知T1=2.80s，房屋的平面LB=40m30m，该市基本风压为0.6kN/m2。试计算该楼迎风面顶点(H=120m)处的风荷载标准值。,图3.10 习题3图,