1、荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法第三講：風(fēng)荷載,主講人：賈玲玲 Email：,3,3,風(fēng)的基本概念與類型,風(fēng) 是大氣層中空氣的流動。由于地球表面不同地區(qū)的大氣層所吸收的太陽能量不同，造成了各地空氣溫度的差異，產(chǎn)生的氣壓差驅(qū)動空氣從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動，即形成了風(fēng),常見的自然災(zāi)害風(fēng)類型：,熱帶氣旋、季風(fēng)和龍卷風(fēng),4,4,1.1,熱帶氣旋,發(fā)生在熱帶海洋上的大氣漩渦，是熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、 臺風(fēng)和颶風(fēng)的總稱。,1) 概念,隨地區(qū)不同而異，主要由太陽輻射在洋面所產(chǎn)生的大量熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芏a(chǎn)生。,5,5,熱帶氣旋劃分標(biāo)準(zhǔn),熱帶低壓 平均最大風(fēng)力小于8級,熱帶風(fēng)暴 平均最大風(fēng)力 89 級,強熱帶風(fēng)暴 平均最

2、大風(fēng)力為 1011 級,臺風(fēng) 平均最大風(fēng)力為 12 級或 12 級以上,風(fēng)力等級表,8,8,8,8,10,10,2000 年夏“杰拉華”臺風(fēng)的衛(wèi)星照片,9,9,臺風(fēng)的影響,危害,在海上移動時，會掀起巨浪，引起狂風(fēng)暴雨，對航行的船只造成嚴重威脅；登陸時，狂風(fēng)暴雨給人們的生命財產(chǎn)造成巨大的損失。,益處,給肥沃的土地帶來豐沛的雨水，形成適宜的氣候。,12,12,1.2,季風(fēng),由內(nèi)陸和海洋空氣溫差引起的風(fēng)。在冬季由內(nèi)陸吹向海洋，夏季由海洋吹向內(nèi)陸。,含義,形成原因,主要是海陸間熱力環(huán)流的季節(jié)變化。夏季大陸增熱比海洋劇烈，產(chǎn)生從大陸指向海洋的水平氣壓梯度，空氣從海洋流向大陸，形成了與高空方向相反氣流，構(gòu)

3、成夏季的季風(fēng)環(huán)流。與之相反，同樣的原理，形成冬季的季風(fēng)環(huán)流。,13,13,1.2,季風(fēng),是大范圍地區(qū)的盛行風(fēng)向隨季節(jié)改變的現(xiàn)象；,季風(fēng)的三大特點,隨著風(fēng)向變換，控制氣團的性質(zhì)也產(chǎn)生轉(zhuǎn)變；,隨著盛行風(fēng)向的變換，帶來明顯的天氣氣候變化。,14,14,1.3,龍卷風(fēng),呈漏斗狀，移動速度通常超過每小時 300 公里。是一個旋轉(zhuǎn)猛烈的圓形空氣柱，上端與雷雨云相接，下端或者懸在半空中，或者直接延伸到地面或水面。,1) 含義,14,14,龍卷風(fēng)特征,發(fā)生在海上，猶如“龍吸水”，稱為“水龍卷”； 出現(xiàn)在陸地上，將卷揚塵土，卷走房屋、樹木，稱為“陸龍卷”。,主要發(fā)生地,一般情況下，風(fēng)速在50150m/s，極端情

4、況下，達到300m/s或超過聲速。,國外，主要發(fā)生在美國，其次是墨西哥英國意大利、澳大利亞、新西蘭，日本等。我國主要發(fā)生在華南和華東地區(qū)，此外，還經(jīng)常出現(xiàn)在南海的西沙群島上，范圍較小，壽命也相對比較短促。,15,15,1.4,其它類型的風(fēng),雷爆風(fēng)：由水蒸氣在高空冷凝引起的，瞬時風(fēng)速一般為5490km/h，發(fā)生時還伴有閃電、雷鳴和陣雨。,熱燥風(fēng)：由于下沉運動使空氣運動升高，濕度降低的風(fēng)，常出現(xiàn)在山脈的背風(fēng)面。,布拉風(fēng)：常發(fā)生在陡峭斜坡隔開的高地與平地之間。,16,16,風(fēng)災(zāi)害,20世紀特大風(fēng)災(zāi)情況,1900年，美國加爾維斯頓島，颶風(fēng)，6000人遇難 1985年，加拿大、美國，龍卷風(fēng)，死亡200余

5、人，直接經(jīng)濟損失3億美元 1991年，中國海南島，臺風(fēng)，50萬人口受災(zāi)，32人死亡，直接經(jīng)濟損失6.3億多元 1992年，美國，弗羅里達，颶風(fēng)，經(jīng)濟損失300多億美元 1998年，印度內(nèi)陸地區(qū)，熱帶風(fēng)暴，死亡1000多人，直接經(jīng)濟損失4億美元 2005年，美國新奧爾良，颶風(fēng)，死亡1200多人，經(jīng)濟損失1000多億美元,17,17,臺風(fēng)災(zāi)害,實例1：1994年8月21日晚，9417號臺風(fēng)在浙江省溫州市登陸，最大風(fēng)力在12級以上，溫州沿海受12級以上風(fēng)力襲擊的時間長達10小時，伴有大雨和大潮，受災(zāi)人口達1100萬人，直接經(jīng)濟損失超過100億元。,實例2：2001年9月16日，“納莉”臺風(fēng)在中國臺灣

6、北部登陸，風(fēng)力強勁，臺風(fēng)中心最大風(fēng)速145km/h, 瞬間達180km/h, 同時帶來持續(xù)降雨，出現(xiàn)嚴重積水，臺灣島內(nèi)交通完全癱瘓。,實例3： 2000 年 8 月第 10 號臺風(fēng)給我國東南沿海各省造成極大損失：福建有 1100 多棟房屋被毀、鐵路中斷、山體滑坡；浙江省樂清市就毀壞近 700 棟房屋；臺灣省經(jīng)濟損失就達新臺幣 40 多億元。,臺風(fēng)災(zāi)害鏈,38,38,風(fēng)對結(jié)構(gòu)作用引起的結(jié)果,使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到過大的風(fēng)力或不穩(wěn)定,使結(jié)構(gòu)開裂或留下較大的殘余變形,使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過大的撓度變形,引起結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損壞,由于過大的振動，建筑物的居住者,主要內(nèi)容,1，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及相關(guān)系

7、數(shù)的確定,2，單層房屋上的風(fēng)荷載計算,3，高層、多層房屋上的風(fēng)荷載及總風(fēng)荷載的計算,4，特殊情況下的風(fēng)荷載計算及本章小結(jié),基本風(fēng)壓w0,以當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔想x地10m高統(tǒng)計所得的50年一遇10min平均最大風(fēng)速v0(m/s)為標(biāo)準(zhǔn)，按w0=v02/1600確定(荷載規(guī)范),按規(guī)定的地貌、高度、時距等測量的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓成為基本風(fēng)壓,基本風(fēng)壓的規(guī)定條件,1，標(biāo)準(zhǔn)高度的影響,2，標(biāo)準(zhǔn)地貌的影響,3，公稱風(fēng)速的時距（10min）,4，最大風(fēng)速的樣本時間,5，基本風(fēng)速的重現(xiàn)期,基本風(fēng)壓w0,基本風(fēng)壓的調(diào)整,對基本風(fēng)壓的說明,風(fēng)壓高度變化系數(shù)mz,反映了風(fēng)壓隨高度的變化規(guī)律：風(fēng)速由地面為零沿高度按曲線

8、逐漸增大，至距地面某一高度（300-500 m）達到最大，上層風(fēng)速受地面影響小，風(fēng)速穩(wěn)定。,風(fēng)壓高度變化系數(shù)定義為任一高度處的風(fēng)壓與B類粗糙度、標(biāo)準(zhǔn)高度為10m處的風(fēng)壓的比值,地面粗糙度：由地貌、樹木，房屋等形成的地表摩擦層，不同的地面粗糙度，風(fēng)速和風(fēng)壓也不相同，地面粗糙度越大，對氣流的干擾越大。規(guī)范將地面粗糙度分為A、B、C、D四類,梯度風(fēng)速,梯度風(fēng)高度,風(fēng)載體型系數(shù)ms,風(fēng)對房屋表面的作用力不等于基本風(fēng)壓值，風(fēng)的作用力隨房屋體型、尺度、表面位置，表面狀況有關(guān)。,風(fēng)作用在建筑物表面上所引起的實際壓力與來流風(fēng)的速度壓的比值風(fēng)荷載體型系數(shù),風(fēng)洞試驗,建筑物表面任一點的凈風(fēng)壓力除以建筑物來流風(fēng)壓，

9、再加權(quán)平均,風(fēng)載體型系數(shù)ms,描述了房屋表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與房屋的體型和尺度有關(guān)。,設(shè)計時采用各個表面風(fēng)作用力的平均值,高層混凝土規(guī)程的補充規(guī)定,高層混凝土規(guī)程的補充規(guī)定,對風(fēng)荷載體形系數(shù)的討論,40,40,合理的建筑體型,流線形平面,采用圓形或橢圓形等流線形平面的樓房，有利于減少作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載；采用三角形或矩形平面的高樓，轉(zhuǎn)角處設(shè)計成圓角或切角，可以減少轉(zhuǎn)角處的風(fēng)壓集中,截錐狀體形,采用上小下大的截錐狀體形，可以減小樓房上部較大的風(fēng)荷載，并較小了風(fēng)荷載引起的傾覆力矩,不大的高寬比,房屋高寬比是衡量一幢高樓抗側(cè)剛度和側(cè)移控制的一個主要指標(biāo),42,42,透空層,高

10、樓在風(fēng)力作用下，應(yīng)風(fēng)面產(chǎn)生正壓力，背風(fēng)面產(chǎn)生負壓力，高樓受到很大的水平荷載,并連高樓群,減少了高樓頂部的側(cè)移和風(fēng)振加速度,風(fēng)振系數(shù),實際風(fēng)壓、平均風(fēng)壓（穩(wěn)定風(fēng)壓），脈動風(fēng)壓 穩(wěn)定風(fēng)壓：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移 脈動風(fēng)壓：使結(jié)構(gòu)在上述側(cè)移附近左右振動，表現(xiàn)形式主要為順風(fēng)向振動、常會伴隨橫風(fēng)向振動，甚至?xí)霈F(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動,高聳構(gòu)筑物和高層建筑,風(fēng)振效應(yīng)的影響因素,主要取決于結(jié)構(gòu)自身的剛度（高度）：剛度越小（高度越大），自振周期越長，動力效應(yīng)越明顯,規(guī)范中以房屋的高度、結(jié)構(gòu)的自振周期、結(jié)構(gòu)的高寬比作為確定風(fēng)振系數(shù)的主要參數(shù),規(guī)范的規(guī)定,風(fēng)振系數(shù)的計算,脈動增大系數(shù)-高層混凝土規(guī)程,脈動增大系數(shù)-荷載規(guī)范,脈動影響

11、系數(shù)(1),脈動影響系數(shù)(2),振型系數(shù)（1）,振型系數(shù)（2）：荷規(guī)附錄F,規(guī)范給出了三種情況下結(jié)構(gòu)的前四階振型的振型系數(shù) 迎風(fēng)面寬度遠小于高度的高聳結(jié)構(gòu) 截面沿高度有規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu) 迎風(fēng)面寬度較大的高層結(jié)構(gòu),1. 在相同基本風(fēng)壓和高度的前提下，哪一種地理環(huán)境下風(fēng)壓最小 。 （A）海岸地區(qū) （B）中小城鎮(zhèn) （C）大城市市郊 （D）大城市市區(qū),2. 風(fēng)荷載體型系數(shù)主要與哪些因素有關(guān) 。 (A)建筑物的體型 (B) 建筑物的高度 (C）建筑物的尺度（尺寸） （D）建筑物所處的場地條件,風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,單層房屋的風(fēng)荷載計算（1）,單層房屋的風(fēng)荷載計算（2）,3.2 風(fēng)荷載,總風(fēng)荷載 總風(fēng)荷載為建

12、筑物各個表面上承受風(fēng)力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個互相垂直的方向分別計算總風(fēng)荷載。 z高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：,例題1,例題2,例題3,作用于高層房屋上風(fēng)荷載特點,56,56,高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計要求,為了使高層建筑不會發(fā)生破壞、倒塌、結(jié)構(gòu)開裂，殘余變形過大現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計必須滿足強度要求,為防治隔墻開裂，建筑裝飾及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計必須滿足剛度設(shè)計的要求。,須滿足舒適度的設(shè)計要求,高層房屋抗風(fēng)設(shè)計的原則,多層房屋的風(fēng)荷載,考慮風(fēng)振的情形,(1) H30m、H/B(窄邊寬度)1.5同時滿足,(2) 自振周期T10.25s

13、的高聳結(jié)構(gòu),(3) 跨度36m的屋蓋,高層建筑自振周期的確定,荷載規(guī)范,總風(fēng)荷載的確定,風(fēng)荷載的等效換算,例題4,例題5,基本風(fēng)壓的調(diào)整,對基本風(fēng)壓的說明,振型系數(shù)（1）,為簡化計算，將建筑物分為5段，每段頂標(biāo)高取在樓層處，每段中點距地面的距離作為計算風(fēng)壓高度，地面粗糙度，位于城市郊區(qū)為B類，,解：1、求風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,(1)基本風(fēng)壓值,(2)風(fēng)荷載體形系數(shù),(3)風(fēng)壓高度變化系數(shù),脈動影響系數(shù)：,脈動增大系數(shù)：,各高度處風(fēng)振系數(shù)：,(5)各段風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值,(6)求各段風(fēng)載集中標(biāo)準(zhǔn)值,(7)基底剪力：,基底彎矩：,作業(yè),特殊情況下的風(fēng)荷載計算-群樓效應(yīng),特殊情況下的風(fēng)荷載計算-山區(qū)風(fēng)荷載,例題7,

14、例題8,美國舊金山金門大橋，1937年建成，主跨1280m。橋面加勁鋼桁架的寬跨比為1：47，而高跨比僅為1：168，在當(dāng)時為最小。但有時在風(fēng)力作用下左右搖擺的幅度竟達4m，使得該橋有時不得不停止使用。,1940年美國西海岸華盛頓州塔科馬峽谷橋因共振發(fā)生塌橋事故！,風(fēng)災(zāi),工程領(lǐng)域中最著名的風(fēng)災(zāi)破壞為美國Tacoma懸索橋的風(fēng)毀事件。 對于高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、柔性大跨橋梁、輸電塔和渡槽等受風(fēng)面積大的柔性結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計與抗震設(shè)計具有同等的重要意義。,Tacoma橋在風(fēng)中整體坍塌（視頻）,照片說明中跨的扭曲運動導(dǎo)致它首先破壞,塔科馬大橋主跨853m，寬跨比1：79，高跨比為1；350，比金門大橋還要柔。大橋建成后即顯柔度太大，最初在風(fēng)中行車的震蕩還是豎向的，使用幾個月后，震蕩突然變?yōu)榕まD(zhuǎn)。,扭轉(zhuǎn)最大時，右邊人行道比左邊高出8.5m,此照片是在路面混凝土開始掉落大橋在11點鐘之前塌落搶拍下來的。,裝配板和鋼梁扭曲、彎曲的情況,大橋塌落瞬間,大橋最后竟在風(fēng)速不大（5667km/h)時因震蕩幅度過大，產(chǎn)生共振塌落。,大橋塌落之后拍下來的照片,塔科馬新橋,20世紀40年代以前，作為大跨度橋梁的懸索橋沒有發(fā)生過事故。這就導(dǎo)致了一個錯誤的結(jié)論：主纜剛度足夠大，以至加勁梁梁體剛度無足輕重。實際上，當(dāng)橋梁跨度超過200m時，風(fēng)載的影響