荷载与结构设计方法-风荷载.ppt

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1、第3章 风荷载1.1第3章 风 荷 载 返回总目录返回总目录 第3章 风荷载1.2 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 思考题本章内容第3章 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，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。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

2、图3.1 3.1 大气热力学环流模型 大气热力学环流模型第3章 风荷载1.4二、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

3、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。第3章 风荷载1.5三、我国风气候总况(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

4、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。第3章 风荷载1.6四、风级13级 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/h mile/h m/s0 静风-静 静、烟直上 1 10 00.21 软风 0.1 0.1 普通渔船略觉摇动 烟能表示风向，但风向标不能转动 15 13 0.31.52 轻风 0.2 0.3渔船张帆时，可随风移行

5、每小时2km 3km人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动 611 46 1.63.33 微风 0.6 1.0渔船渐觉簸动，随风移行每小时56km树叶及微枝摇动不息，旌旗展开 1219 710 3.45.44 和风 1.0 1.5 渔船满帆时船身倾于一侧 能吹起地面的灰尘和纸张，树的小枝摇动 2028 11 16 5.57.95 清劲风 2.0 2.5 渔船缩帆(即收去帆的一部分)有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 2938 1721 8.010.76 强风 3.0 4.0 渔船加倍缩帆，捕鱼须注意风险 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难 3949 2227 10.813.87 疾风 4.0 5

6、.5 渔船停息港中，在海上下锚 全树摇动，迎风步行感觉不便 5061 2833 13.917.18 大风 5.5 7.5 近港渔船皆停留不出 微枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 6274 3040 17.220.79 烈风 7.0 10.0 汽船航行困难 烟囱顶部及平瓦移动，小屋有损 7588 4147 20.824.410 狂风 9.0 12.5 汽船航行颇危险陆上少见，有时可使树木拔起或将建筑物吹毁89102 4855 24.528.411 暴风 11.5 16.0 汽船遇之极危险 陆上很少，有时必有重大损毁 103117 5663 28.532.612 飓风 14-海浪滔天 陆上绝少，其捣

7、毁力极大 118 133 6471 32.736.9第3章 风荷载1.7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。在规定条件下确定的风速称为基本风速，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)。第3章 风荷载1.8风 压 在标准大气压情况下，=0.012018kN/m3，g=9.80m/s2

8、，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/m3)；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

9、国基本风压分布图查得基本风压值。第3章 风荷载1.9风 压 二、基本风压：按规定的地貌、高度、时距等测量的风速所确定的风压。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，因而平均风速越小。标准高度：房建10m；桥梁20m 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

10、最大风速值偏低。规范基本风速时距10min。第3章 风荷载1.10风 压 4.最大风速的样本时间一年 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:工程设计时，一般应考虑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。第3章 风荷载1.11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

11、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 实测风速高度/m 4 6 8 10 12 14 16 18 20高度换算系数 1.158 1.085 1.036 1.000 0.971 0.948 0.928 0.910 0.895第3章 风荷载1.12风 压 三、非标准条件下的风速或风压的换算 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

12、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 时距风速换算系数实测风速时距 60min 10min 5min 2min 1min 0.5min 20s 10s 5s 瞬时时距换算系数 0.940 1.00 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.35 1.39 1.50第3章 风荷载1.13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。第3章 风荷载1.14风 压 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。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重现期/年 100 60 50 40 30 20 10 5重现期换算系数 1.10 1.03 1.00 0.97 0.93 0.87 0.77 0.66