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第三讲:风荷载(8课时)


荷载与结构设计方法

第三讲:风荷载
主讲人:贾玲玲 Email:jll8123@gmail.com

风的基本概念与类型 风 是大气层中空气的流动。由于地球表 面不同地区的大气层所吸收的太阳能量不同, 造成了各地空气温度的差异,产生的气压差驱 动空气从气压高的地方向气压低的地方流动, 即形成了风
常见的自然灾害风类型

: 热带气旋、季风和龙卷风
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1.1 1) 概念

热带气旋

发生在热带海洋上的大气漩涡,是热带低压、热带风暴、 台风和飓风的总称。
随地区不同而异,主要由太阳辐射在洋面所产生的大量热能转变为动能 而产生。

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热带气旋划分标准
①热带低压 平均最大风力小于8级
②热带风暴 平均最大风力 8~9 级 ③强热带风暴 平均最大风力为 10~11 级 ④台风 平均最大风力为 12 级或 12 级以上

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风力等级表

台风
急速旋转的暖湿气团,直径在300~1 000 km 不等。靠近 台风中心的风速常超过每180 km/h,由中心到台风边缘 风速逐渐减弱。

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台风特征
是一个很强大的空气旋涡,由中心到外依次是风眼、眼 壁, 螺旋云带。螺旋云伴随着大风、阵雨;越靠近中心,空气旋转 速度越大,并且突然转为上升运动。 在云墙、眼壁发生摧毁性的暴风骤雨;向中心处,风速和 雨势骤然减小;到达台风眼处,气压最低,湿度最高,天气晴 朗。

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2000 年夏“杰拉华” 台风的卫星照片

台风气向云图

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台风的影响

危害
在海上移动时,会掀起巨浪,引起狂风暴雨,对航行的船只造成严重威胁; 登陆时,狂风暴雨给人们的生命财产造成巨大的损失。

益处
给肥沃的土地带来丰沛的雨水,形成适宜的气候。

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1.2

季风

含义 由内陆和海洋空气温差引起的风。在冬季由内陆吹向海 洋,夏季由海洋吹向内陆。 形成原因 主要是海陆间热力环流的季节变化。夏季大陆增热比海 洋剧烈,产生从大陆指向海洋的水平气压梯度,空气从 海洋流向大陆,形成了与高空方向相反气流,构成夏季 的季风环流。与之相反,同样的原理,形成冬季的季风 环流。
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12

1.2

季风

季风的三大特点
①是大范围地区的盛行风向随季节改变的现象; ②随着风向变换,控制气团的性质也产生转变; ③随着盛行风向的变换,带来明显的天气气候变化。

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1.3 1) 含义

龙卷风

呈漏斗状,移动速度通常超过每小时 300 公里。是一个旋转猛烈的圆形空气 柱,上端与雷雨云相接,下端或者悬在半空中,或者直接延伸到地面或水 面。

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龙卷风特征
发生在海上,犹如“龙吸水”,称为“水龙卷”; 出现在陆地上,将卷扬尘土,卷走房屋、树木,称为“陆龙卷”。 一般情况下,风速在50~150m/s,极端情况下,达到300m/s或超过声速。

主要发生地
国外,主要发生在美国,其次是墨西哥英国意大利、澳大利亚、新西兰, 日本等。我国主要发生在华南和华东地区,此外,还经常出现在南海的西 沙群岛上,范围较小,寿命也相对比较短促。

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1.4

其它类型的风

雷爆风:由水蒸气在高空冷凝引起的,瞬时风速一般为 54~90km/h,发生时还伴有闪电、雷鸣和阵雨。 热燥风:由于下沉运动使空气运动升高,湿度降低的风, 常出现在山脉的背风面 布拉风:常发生在陡峭斜坡隔开的高地与平地之间

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风灾害

20世纪特大风灾情况
1900年,美国加尔维斯顿岛,飓风,6000人遇难 1985年,加拿大、美国,龙卷风,死亡200余人,直接经济损失3亿美元 1991年,中国海南岛,台风,50万人口受灾,32人死亡,直接经济损失6.3 亿多元 1992年,美国,弗罗里达,飓风,经济损失300多亿美元 1998年,印度内陆地区,热带风暴,死亡1000多人,直接经济损失4亿美元 2005年,美国新奥尔良,飓风,死亡1200多人,经济损失1000多亿美元

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台风灾害
实例1:1994年8月21日晚,9417号台风在浙江省温州市登陆,最大风力
在12级以上,温州沿海受12级以上风力袭击的时间长达10小时,伴有大雨 和大潮,受灾人口达1100万人,直接经济损失超过100亿元。

实例2:2001年9月16日,“纳莉”台风在中国台湾北部登陆,风力强劲,
台风中心最大风速145km/h, 瞬间达180km/h, 同时带来持续降雨,出现严重 积水,台湾岛内交通完全瘫痪。

实例3: 2000 年 8 月第 10 号台风给我国东南沿海各省造成极大损失:福
建有 1100 多栋房屋被毁、铁路中断、山体滑坡;浙江省乐清市就毁坏近 700 栋房屋;台湾省经济损失就达新台币 40 多亿元。

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台风灾害链

风对结构作用引起的结果
①使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定 ②使结构开裂或留下较大的残余变形 ③使结构物或结构构件产生过大的挠度变形 ④引起结构或结构构件的疲劳损坏 ⑤由于过大的振动,建筑物的居住者

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主要内容
1,风荷载标准值及相关系数的确定

2,单层房屋上的风荷载计算

3,高层、多层房屋上的风荷载及总风荷载的计算

4,特殊情况下的风荷载计算及本章小结

基本风压w0
? 按规定的地貌、高度、时距等测量 的风速所确定的风压成为基本风压

? 以当地空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min 平均最大风速v0(m/s)为标准,按w0=v02/1600确定(荷载规范)

基本风压的规定条件
1,标准高度的影响

2,标准地貌的影响

3,公称风速的时距(10min)

4,最大风速的样本时间
5,基本风速的重现期

基本风压w0

基本风压的调整

对基本风压的说明

风压高度变化系数mz
? 反映了风压随高度的变化规律:风速由地面为零沿高 度按曲线逐渐增大,至距地面某一高度(300-500 m) 达到最大,上层风速受地面影响小,风速稳定。
梯度风速 梯度风高度

风压高度变化系数定义为任一高度处的风压与B类粗糙度、标准 ? 地面粗糙度:由地貌、树木,房屋等形成的地表摩擦层,不 高度为10m处的风压的比值 同的地面粗糙度,风速和风压也不相同,地面粗糙度越大, 对气流的干扰越大。《规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D 四类

风载体型系数ms
? 风对房屋表面的作用力不等于基本风压值,风的作用力随房 屋体型、尺度、表面位置,表面状况有关。
风作用在建筑物表面上所引起的实际压力与来流风的 速度压的比值——风荷载体型系数 ? 建筑物表面任一点的净风压力除以建筑物来流风压,再加权 风洞试验 平均

风载体型系数ms
? 描述了房屋表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律 ,主要与房屋的体型和尺度有关。 设计时采用各个表面风作用力的平均值

《高层混凝土规程》的补充规定

《高层混凝土规程》的补充规定

对风荷载体形系数的讨论

合理的建筑体型

①流线形平面
采用圆形或椭圆形等流线形平面的楼房,有利于减少作用于结构上的 风荷载;采用三角形或矩形平面的高楼,转角处设计成圆角或切角, 可以减少转角处的风压集中

②截锥状体形
采用上小下大的截锥状体形,可以减小楼房上部较大的风荷载,并较 小了风荷载引起的倾覆力矩

③不大的高宽比
房屋高宽比是衡量一幢高楼抗侧刚度和侧移控制的一个主要指标

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④透空层
高楼在风力作用下,应风面产生正压力,背风面产生负压力,高楼受 到很大的水平荷载 ⑤并连高楼群 减少了高楼顶部的侧移和风振加速度

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风振系数

高耸构筑物 和高层建筑

? 实际风压、平均风压(稳定风压),脉动风压
– 稳定风压:使结构产生侧移 – 脉动风压:使结构在上述侧移附近左右振动,表现形式主 要为顺风向振动、常会伴随横风向振动,甚至会出现扭转 振动

风振效应的影响因素
? 主要取决于结构自身的刚度(高度):刚度越小(高 度越大),自振周期越长,动力效应越明显

? 规范中以房屋的高度、结构的自振周期、结构的高 宽比作为确定风振系数的主要参数

《规范》的规定

风振系数的计算

脉动增大系数-《高层混凝土规程》

脉动增大系数-《荷载规范》

脉动影响系数(1)

脉动影响系数(2)

振型系数(1)

振型系数(2):《荷规》附录F

? 《规范》给出了三种情况下结构的前四阶振型的振型系数
– 迎风面宽度远小于高度的高耸结构 – 截面沿高度有规律变化的高耸结构 – 迎风面宽度较大的高层结构

单层房屋的风荷载计算(1)

单层房屋的风荷载计算(2)

风荷载的标准值

总风荷载
总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力,是沿建筑 物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计

算总风荷载。 z高度处的总风荷载标准值按下式计算:

-(0.48+0.03H/L)

-0.6 +0.8

Wz1 Wz2 Wz3 Wz4

-0.6

3.2

风荷载

例题1

例题2

例题3

作用于高层房屋上风荷载特点

高层建筑和高耸结构的抗风设计要求

①为了使高层建筑不会发生破坏、倒塌、结构开裂,残余变形过大 现象,保证结构的安全,结构的抗风设计必须满足强度要求 ②为防治隔墙开裂,建筑装饰及非结构构件的损坏,结构抗风设计 必须满足刚度设计的要求。

③须满足舒适度的设计要求

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高层房屋抗风设计的原则

多层房屋的风荷载
? 考虑风振的情形

(1) H>30m、H/B(窄边宽度)>1.5同时满足
(2) 自振周期T1>0.25s的高耸结构 (3) 跨度>36m的屋盖

高层建筑自振周期的确定
《荷载规范》

总风荷载的确定

风荷载的等效换算

例题

例∶已知剪力墙结构如图所示,38层,123.5m高,位于城市郊区 Ⅱ类场地,基本风压 ,已知结构基本自振周期1.9s。 (墙厚300mm)

求:在横向风荷载作用下一层底的剪力及倾覆力矩

解:1、求风荷载标准值 (1)基本风压值 (2)风荷载体形系数 (3)风压高度变化系数

wk = ? Z ms mZ w0

为简化计算,将建筑物分为5段,每段顶标高取在楼层处, 每段中点距地面的距离作为计算风压高度,地面粗糙度,位于 城市郊区为B类,
高度(m) 12.25 36.9 61.7 86.5 111.2

1.06

1.50

1.79

2.00

2.16

(4)求风振系数 高度

高宽比

脉动影响系数: 脉动增大系数:
各高度处风振系数:

111.2m

24.6m

86.5m

24.8m 123.5m 24.8m 24.8m

61.7m

36.9m

12.25m

24.5m

(5)各段风载标准值

(6)求各段风载集中标准值 各分段间风载集中标准值:

(B—受风宽度)

(7)基底剪力: 基底弯矩:

例题6

脉动增大系数-《高层混凝土规程》

振型系数(1)

作业

特殊情况下的风荷载计算-群楼效应

特殊情况下的风荷载计算-山区风荷载

例题6

例题7

美国旧金山金门大桥, 1937年建成,主跨 1280m。桥面加劲钢桁 架的宽跨比为1:47, 而高跨比仅为1:168, 在当时为最小。但有时 在风力作用下左右摇摆 的幅度竟达4m,使得 该桥有时不得不停止使 用。

1940年美国西海岸 华盛顿州塔科马峡 谷桥因共振发生塌 桥事故!

风灾
? 工程领域中最著名的 风灾破坏为美国Tacoma 悬索桥的风毁事件。 ? 对于高层建筑、大 跨结构、柔性大跨桥梁 、输电塔和渡槽等受风 面积大的柔性结构,抗 风设计与抗震设计具有 同等的重要意义。

Tacoma桥在风中整体坍塌(视频)

塔科马大桥主跨 853m,宽跨比1:79, 高跨比为1;350,比 金门大桥还要柔。大 桥建成后即显柔度太 大,最初在风中行车 的震荡还是竖向的, 使用几个月后,震荡 突然变为扭转。

照片说明中跨的扭曲 运动导致它首先破坏

扭转最大时,右边 人行道比左边高出 8.5m

此照片是在路面混凝 土开始掉落大桥在11 点钟之前塌落抢拍下 来的。

大桥塌 落瞬间

装配板和钢梁扭 曲、弯曲的情况

大桥最后竟在风速不大 (56~67km/h)时因震荡幅度 过大,产生共振塌落。

大桥塌落 之后拍下 来的照片

塔科马新桥

20世纪40年代以前,作为大跨度桥梁的悬索桥没 有发生过事故。这就导致了一个错误的结论:主 缆刚度足够大,以至加劲梁梁体刚度无足轻重。 实际上,当桥梁跨度超过200m时,风载的影响将 显著增大。因此,特别是承载铁路交通的悬索桥 更需要有足够的结构刚度。

桥体在风的作用下振动,人们纷纷从远处赶来亲眼目睹桥面是 怎样在中等风力作用下飞舞摇动、起伏不定,以至后面车辆的

司机看不到前面的小汽车。
幸运的是最后该桥封闭了交通。其后不久,于1940年11月7日 该桥在70km/h的风速下突然倒塌。 据说,在出事当天,一位记者把车停在桥上,并把狗留在车内。 桥倒塌时,只有他本人跑到了桥台处,当地报纸一简洁的标题

作了报道,“损失:一座桥、一辆汽车、一条狗”。

END


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