风压计算.ppt

.Breeze，wind,storm.古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起巨浪，越过堤岸，拍打着楼房 hurricane.8月月30日美国新奥尔良飓风袭击日美国新奥尔良飓风袭击80%的土地被淹，死亡上千人，的土地被淹，死亡上千人，2000亿美金的重建费用亿美金的重建费用.飓风丽塔袭击美国飓风丽塔袭击美国.风起前后风起前后.8月月18日台风圣帕日台风圣帕.4.1.1风的形成风的形成风风空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成。由于地球自传和地球表由于地球自传和地球表面大陆与海洋吸热存在面大陆与海洋吸热存在差异，大气环流复杂些差异，大气环流复杂些.4.1.2 两类性质的大风两类性质的大风1、台风、台风:是大气环流中的组成部分，是热带洋面上形是大气环流中的组成部分，是热带洋面上形成的低压气旋。成的低压气旋。2、季风：冬季西北风；夏季东南风。、季风：冬季西北风；夏季东南风。.4.1.3我国风气候总况我国风气候总况大风区大风区东南沿海、青藏高原东南沿海、青藏高原次大风区次大风区东北、华北和西北东北、华北和西北最大风区最大风区台湾、海南和南海岛屿；台湾、海南和南海岛屿；小风区小风区长江中下游、黄河中下游长江中下游、黄河中下游最小风区最小风区云贵高原云贵高原.4.1.4风级风级为区分风为区分风的大小，的大小，根据风对根据风对地面（或地面（或海面）物海面）物体影响程体影响程度，常将度，常将风划分为风划分为13个等级。个等级。.4.2 风压风压 4.2.1 风压与风速的关系：当风以一定的速度向前运风压与风速的关系：当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，称为风压动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，称为风压kN/m3;g9.8m/s2;vm/s;kN/m2/g值各地不同：值各地不同：东南沿海：东南沿海：1/1750；内陆：海拔内陆：海拔500以下以下1/1600；3500以上以上1/2600.4.2.2 基本风压基本风压 Reference Wind Pressure 按照上述条件，根据全国各地气象台统计数按照上述条件，根据全国各地气象台统计数据，用下式计算据，用下式计算基本风压通常符合五个规定（我国）：基本风压通常符合五个规定（我国）：标准高度：距地面标准高度：距地面10米高度处米高度处基本风速重现期：基本风速重现期：50年重现期年重现期最大风速的样本时间：年平均最大风速的样本时间：年平均公称风速的时距：公称风速的时距：10分钟最大风速分钟最大风速地貌：比较空旷平坦地面地貌：比较空旷平坦地面图45 全国基本风压分布图.4.2.3 非标准条件非标准条件下的风速或风压的换算下的风速或风压的换算1、非标准高度换算、非标准高度换算基本风压标准高度（基本风压标准高度（10m）与地貌或地面粗糙度有关的指数与地貌或地面粗糙度有关的指数表表43国内外大城市中心及其近邻的实测国内外大城市中心及其近邻的实测值值p43.地区地区 上海近邻上海近邻南京南京广州广州圣路易斯圣路易斯蒙特利尔蒙特利尔 上海上海哥本哈根哥本哈根0.160.160.220.220.240.240.250.250.280.280.280.280.340.34地区地区 东京东京基辅基辅伦敦伦敦莫斯科莫斯科列宁格勒列宁格勒 纽约纽约巴黎巴黎0.340.340.360.360.360.360.370.370.410.410.390.390.450.45国内外大城市中心及其邻近的实测国内外大城市中心及其邻近的实测值值表表4-3.2、非标准地貌的换算、非标准地貌的换算.地貌地貌海面海面空旷平坦地面空旷平坦地面城市城市大城市中心大城市中心0.1-0.130.13-0.180.18-0.280.28-0.44HT(m)275-325325-375375-425425-500不同地貌的不同地貌的及及HT值值表表4-4我国规范地面粗糙度分类：我国规范地面粗糙度分类：A类极糙度：在近海海面、海岛、海岸及沙漠地区，地面空旷，空气流动几乎无阻挡物B类粗糙度：田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市的郊区C类粗糙度：有密集建筑物的大城市市区D类粗糙度：有密集建筑物，且房屋较高的城市市区.地貌地貌海面海面空旷平坦地面空旷平坦地面城市城市大城市中心大城市中心0.120.160.220.30HT(m)300350400450我国各类地貌的我国各类地貌的及及HT值值表表4-5ABCD地貌计算值在标准高度上的差异：地貌计算值在标准高度上的差异：A/B=1.379；B/C=1.626；C/D=1.933例题例题1p44.3、不同时距的换算、不同时距的换算4、不同重现期的换算、不同重现期的换算不同重现期风压与不同重现期风压与50年重现期风压的比值年重现期风压的比值表表47风速时距风速时距1h10min5min2min1min30s20s10s5s瞬时瞬时统计比值0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50各种不同时距与各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值分钟时距风速的平均比值表表46重现期重现期(年）年）T0100503020105310.5r 1.1141.000.9160.8490.7340.6190.5350.3530.239.4.2结构抗风计算的几个重要概念结构抗风计算的几个重要概念1.结构的风力与风效应结构的风力与风效应顺风向力，横风向力及扭力矩顺风向力，横风向力及扭力矩2.顺风向平均风与脉动风顺风向平均风与脉动风3.横风向风振横风向风振.建筑结构荷载规范：规范正文条文说明.7 7 风风 荷荷 载载 7.1 7.1 风荷载标准值及基本风压风荷载标准值及基本风压7.1.1 7.1.1 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：1 1 当计算主要承重结构时当计算主要承重结构时 (7.1.1-1)(7.1.1-1)2 2 当计算围护结构时当计算围护结构时 (7.1.1-2)(7.1.1-2)7.1.2 7.1.2 基本风压应按本规范附录基本风压应按本规范附录D.4D.4中附表中附表D.4D.4给出的给出的5050年一遇的风压采用，但不年一遇的风压采用，但不得小于得小于0.3kN0.3kNm m2 2。对子高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提对子高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。高，并应由有关的结构设计规范具体规定。规范正文规范正文.7 7 风荷载风荷载 7.1 7.1 风荷载标准值及基本风压风荷载标准值及基本风压 7.1.17.1.1对于主要承重结构，风荷载标准值的表达可有两种形式，其一为平均风压加上由脉对于主要承重结构，风荷载标准值的表达可有两种形式，其一为平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压；另一种为平均风压乘以风振系数。由于在结构的风振动风引起导致结构风振的等效风压；另一种为平均风压乘以风振系数。由于在结构的风振计算中，一般往往是第计算中，一般往往是第1 1振型起主要作用，因而我国与大多数国家相同，采用后一种表达振型起主要作用，因而我国与大多数国家相同，采用后一种表达形式，即采用风振系数形式，即采用风振系数z z，它综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应，其中包括风，它综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应，其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。对于围护结构，由于其刚性一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，此时可仅在对于围护结构，由于其刚性一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，此时可仅在平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，原则上可通过局部风压体型系数平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，原则上可通过局部风压体型系数s1s1和阵风系数和阵风系数gzgz来计算其风荷载。来计算其风荷载。7.1.27.1.2基本风压基本风压0 0是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m10m高，自记高，自记1Omin1Omin平均年最大平均年最大风速风速(m/s)(m/s)。根据该风速数据，按附录。根据该风速数据，按附录D D的规定，经统计分析确定重现期为的规定，经统计分析确定重现期为5050年的最大风速，年的最大风速，作为当地的基本风速作为当地的基本风速0 0。再按贝努利公式。再按贝努利公式 确定基本风压。以往，国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速，确定基本风压。以往，国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速，实际上是统一根据标准的空气密度实际上是统一根据标准的空气密度=1.25kg=1.25kgm m3 3按上述公式反算而得，因此在按该风速按上述公式反算而得，因此在按该风速确定风压时，可统一按公式确定风压时，可统一按公式 计算。计算。鉴于通过风压板的观测，人为的观测误差较大，再加上时次时距换算中的误差，其结果就鉴于通过风压板的观测，人为的观测误差较大，再加上时次时距换算中的误差，其结果就不太可靠，当前各气象台站已累积了较多的根据风杯式自记风速仪记录的不太可靠，当前各气象台站已累积了较多的根据风杯式自记风速仪记录的10min10min平均年最平均年最大风速数据，因此在这次数据处理时，基本上是以自记得数据为依据。因此在确定风压时，大风速数据，因此在这次数据处理时，基本上是以自记得数据为依据。因此在确定风压时，必须考虑各台站观测当时的空气密度，当缺乏资料时，也可参考附录必须考虑各台站观测当时的空气密度，当缺乏资料时，也可参考附录D D的规定采用。的规定采用。.风荷载标准值风荷载标准值 nominal value of wind load垂至于建筑物表面的风荷载标准值垂至于建筑物表面的风荷载标准值(kN/m2)当取当取z为为1时，相当于平均风压下的静力风载时，相当于平均风压下的静力风载.风压高度变化系数风压高度变化系数按照按照地面粗糙度类别地面粗糙度类别和和距地面高度距地面高度确定确定地面粗糙度分类地面粗糙度分类A 近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠 B 田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡 镇及城郊镇及城郊C 有密集建筑群的城市市区有密集建筑群的城市市区D 有密集建筑群且房屋较高的城市市区有密集建筑群且房屋较高的城市市区.1以拟建房以拟建房2km为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；但也可取其主导风；2以半圆影响范围内建筑物的平均高度以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙度类别，来划分地面粗糙度类别，当当18m，为，为D类，类，9m18m，为，为C类，类，9m，为，为B类；类；3影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；相交时，交叠部分的高度取大者；4平均高度平均高度取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。确定城区的地面粗糙度类别时，若无确定城区的地面粗糙度类别时，若无的实测，可按下述原则近的实测，可按下述原则近似确定：似确定：.风压高度变化系数风压高度变化系数.风压高度变化系数风压高度变化系数离地面或海平面高度地面粗糙度类别(m)ABCD5101520304050601.171.381.521.631.801.922.032.121.001.001.141.251.421.561.671.770.740.740.740.841.001.131.251.350.620.620.620.620.620.730.840.93(m)ABCD7080901001502002503003504004502.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.121.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.12L021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12.风载体型系数风载体型系数0.80.40.4-0.4-0.4-0.4-0.2-0.4风流经建筑平面时的风压分布系数风流经建筑平面时的风压分布系数尾涡区尾涡区边界层边界层由伯努利方程由伯努利方程.迎风面 背风面风流经建筑立面时的风压分布系数风流经建筑立面时的风压分布系数0.80.60.40.4-0.18-0.41 -0.41-0.2-0.13.7.3.1房屋和构筑物的风载体型系数，可按下列规定采用房屋和构筑物的风载体型系数，可按下列规定采用:1房屋和构筑物与规范表中的体型类同时，可按房屋和构筑物与规范表中的体型类同时，可按该表的规定采用；该表的规定采用；2房屋和构筑物与规范表中的体型不同时，可参房屋和构筑物与规范表中的体型不同时，可参考有关资料采用；考有关资料采用；3房屋和构筑物与规范表中的体型不同且无参考房屋和构筑物与规范表中的体型不同且无参考资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；4对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。试验确定。.风振系数（顺风向）风振系数（顺风向）风振动作用风振动作用Davenport水平脉动风速的功率谱密度经验公式水平脉动风速的功率谱密度经验公式时间风速平均风速实际风速平均风平均风脉动风脉动风.脉动增大系数，按照脉动增大系数，按照w0T12查表确定。查表确定。v 脉动影响系数，按照结构总高度，高宽比，脉动影响系数，按照结构总高度，高宽比，地面粗糙度类别查表确定。地面粗糙度类别查表确定。结构第结构第1振型函数。振型函数。.阻尼比阻尼比1=0.01为钢结构；为钢结构；1=0.03用于混用于混合结构；合结构；1=0.05用于混凝土结构用于混凝土结构.表表7.4.3 脉动增大系数脉动增大系数0T21(kNs2m2)0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.20 0.40 0.60 钢 结 构 1.47 1.57 1.69 1.77 1.83 1.88 2.04 2.24 2.36 有填充墙的房屋钢结构 1.26 1.32 1.39 1.44 1.47 1.50 1.61 1.73 1.81 混凝土及砌体结构 1.11 1.14 1.17 1.19 1.21 1.23 1.28 1.34 1.38 0T21(kNs2m2)0.80 1.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 20.00 30.00 钢 结 构 2.46 2.53 2.80 3.09 3.28 3.42 3.54 3.91 4.14 有填充墙的房屋钢结构 1.88 1.93 2.10 2.30 2.43 2.52 2.60 2.85 3.01 混凝土及砌体结构 1.42 1.44 1.54 1.65 1.72 1.7 1.82 1.96 2.06 注：计算0T21时，对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压，而对A类、C类和D类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、O.62和0.32后代入。.表表7.4.41 脉动影响系数脉动影响系数 总高度H(m)1020 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 粗 糙 度 类 别 ABCD0.780.720.640.53 0.830.90.730.65 0.860.830.780.72 0.870.850.820.77 0.880.870.850.81 0.890.880.870.84 0.890.890.880.87 0.890.890.900.89 0.890.900.910.91 0.890.900.910.92 0.870.890.930.97 0.840.880.931.00 0.820.860.921.01 0.790.840.911.01 0.790.830.901.01 0.790.830.891.00 0.79 0.830.911.00 7.4.4脉动影响系数，可按下列情况分别确定。脉动影响系数，可按下列情况分别确定。1结构迎风面宽度远小于其高度的情况结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等如高耸结构等)：1)若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表7.4.41确定。确定。2)当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表律变化时，表7.4.41中的脉动影响系数应再乘以修正系数中的脉动影响系数应再乘以修正系数B和和v。B应为构筑物迎风应为构筑物迎风面在面在z高度处的宽度高度处的宽度Bz与底部宽度月与底部宽度月Bo的比值；的比值；可按表可按表7.4.42确定。确定。BHBo 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.00 L 10 1.20 1.32 1.50 1.5 2.08 2.53 3.30 5.60 表表7.4.42修正系数修正系数.HB 粗糙度类别 总 高 度 H(m)30 50 100 150 200 250 300 350 0.5ABCD0.440.420.400.36 0.420.410.400.37 0.330.330.340.34 0.270.280.290.30 0.240.250.270.27 0.210.220.230.25 0.190.200.220.24 0.170.180.200.22 1.0 ABCD0.480.460.430.39 0.470.460.440.42 0.410.420.420.42 0.350.360.370.38 0.310.360.340.36 0.270.290.310.33 0.260.270.290.32 0.240.260.280，31 2.0 ABCD0.500.480.450.41 0.510.500.490.46 0.460.470.480.48 0.420.420.440.46 0.380.400.420.46 0.350.360.380.44 0.330.350.380.42 0.310.330.360.39 3.0 ABCD0.530.510.480.43 0.510.500.490.46 0.490.490.490.49 0.420.460.480.49 0.410.430.460.48 0.380.400.430.47 0.380.400.430.46 0.360.380.410.45表表7.4.43脉动影响系数脉动影响系数.HB粗糙度类别 总 高 度 H(m)30 50 100 150 200 250 300 350 5.0ABCD 0.520.500.470.43 0.530.530.500.48 0.510.520.520.52 0.490.500.520.53 0.460.480.500.53 0.440.450.480.52 0.420.440.470.51 0.390.420.450.50 8.0 ABCD 0.530.510.480.43 0.540.530.510.48 0.530.540.540.54 0.510.520.530.53 0.480.500.520.55 0.460.490.520.55 0.430.60.500.54 0.420.440.480.53 续表7.4.4-3 2结构迎风面宽度较大时，应考虑宽度方向风压空间结构迎风面宽度较大时，应考虑宽度方向风压空间相关性的情况相关性的情况(如高层建筑等如高层建筑等)：若外形、质量沿高度比：若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据总高度较均匀，脉动影响系数可根据总高度H及其与迎风面宽及其与迎风面宽度月的比值，按表度月的比值，按表7.4.43确定。确定。.总风载总风载（kN/m）建筑物各个表面承受的风力的合力为总建筑物各个表面承受的风力的合力为总风载，是沿高度变化的分布荷载风载，是沿高度变化的分布荷载.总风载计算步骤总风载计算步骤1.作用于建筑物第作用于建筑物第i个表面高度个表面高度z处的风荷载集度为处的风荷载集度为（kN/m）v式中式中v2.整个建筑物高度整个建筑物高度Hi处风载集度是各表面风载之和处风载集度是各表面风载之和.总风载计算步骤总风载计算步骤3.第第i层楼处风荷载合力层楼处风荷载合力Pi为为（kN)（kN/m）v4.荷载简化荷载简化风荷载可以按照底部总弯矩等风荷载可以按照底部总弯矩等效的原则转化为倒三角形荷载效的原则转化为倒三角形荷载.例题例题2 p59.例题例题2 p59.4.5横风向风振横风向风振通常，横风向风力较顺风向风力小得多通常，横风向风力较顺风向风力小得多超高层、烟囱、高耸塔架等由于气流绕过截面时产生超高层、烟囱、高耸塔架等由于气流绕过截面时产生旋涡，可能会引起横风向的共振。旋涡，可能会引起横风向的共振。用雷诺数用雷诺数Re判断结构是否会产生横风共振判断结构是否会产生横风共振 Re69000vD v 风速风速 D 结构直径结构直径.3.0102Re3.0105 亚临界范围亚临界范围 微风共振微风共振 构造抗振构造抗振3.0105 Re 3.0106 超临界范围超临界范围 Re 3.0106 跨临界范围跨临界范围 强风共振强风共振 考虑荷载效应考虑荷载效应 设计重点设计重点圆筒式结构临界范围的划分圆筒式结构临界范围的划分.横风向驰振（横风向驰振（galloping）通常，由于阻尼作用，结构的振动是稳定的通常，由于阻尼作用，结构的振动是稳定的 某些情况，外界激励产生的负阻尼大于结构正阻尼时，某些情况，外界激励产生的负阻尼大于结构正阻尼时，振动不断加剧，达到极限幅值而破坏，称为驰振。振动不断加剧，达到极限幅值而破坏，称为驰振。非圆截面才可能发生驰振。非圆截面才可能发生驰振。也称为横风向弯曲单自由度振动也称为横风向弯曲单自由度振动.颤振（颤振（flutter）风作用下结构发生平移和扭转耦合振动颤振风作用下结构发生平移和扭转耦合振动颤振 （物体截面旋转中心与空气动力中心不重合）（物体（物体截面旋转中心与空气动力中心不重合）（物体的刚度质量中心与刚度中心不重合）的刚度质量中心与刚度中心不重合）弯曲和扭转耦合振动弯扭颤振弯曲和扭转耦合振动弯扭颤振 常出现在桥梁结构中常出现在桥梁结构中.例题例题某某11层钢砼框架剪力墙结构，地处市郊，基本风压层钢砼框架剪力墙结构，地处市郊，基本风压0.5kN/m2，结构总高度，结构总高度33.2m，底层，底层3.2m，其余层，其余层3m，试求结构横向总风载。已知结构基本自振周期，试求结构横向总风载。已知结构基本自振周期0.556s。平面如下图，开间。平面如下图，开间7500，进深，进深6600mm，走，走廊廊2400mm，翼墙，翼墙3000mm（从轴线算起），结构轴（从轴线算起），结构轴线总长线总长60m，总宽，总宽15.6m.本例题平面为矩形本例题平面为矩形，迎风面背风面风载体型系数之和，迎风面背风面风载体型系数之和风压作用方向与计算方向夹角风压作用方向与计算方向夹角0所以沿建筑高度方向每米风载所以沿建筑高度方向每米风载由于本建筑高度超过由于本建筑高度超过30m，高宽比大于，高宽比大于1.5，所以还应考虑风振，所以还应考虑风振系数的影响，同时还应考虑风压高度系数的影响系数的影响，同时还应考虑风压高度系数的影响.按照按照B类地面，类地面，w0T120.16查表得查表得1.26查表得查表得v=0.48,则建筑物在高度则建筑物在高度Hi处风载集度处风载集度 可查表获得，则列表计算风荷载可查表获得，则列表计算风荷载（kN/m）.层 Hi（m）wzFi（kN）1133.21.001.472.0880.93121.410 30.20.871.431.9676.30228.9927.20.761.371.8371.36214.1824.20.691.321.7467.76203.3721.20.541.271.6062.27186.8618.20.421.211.4657.10171.3515.20.341.141.3552.48157.4412.20.241.061.2147.00141.039.20.151.001.0942.54127.626.20.071.001.0440.65122.013.20.020.640.6625.7477.2.思考题基本风压是如何定义的？基本风压是如何定义的？影响基本风压的主要因素。影响基本风压的主要因素。计算顺风效应时，为何要区别平均风与脉动风？计算顺风效应时，为何要区别平均风与脉动风？说明风载体型系数，风压高度变化系数，风振系数的说明风载体型系数，风压高度变化系数，风振系数的意义。意义。在什么条件下需考虑横风向效应？在什么条件下需考虑横风向效应？名词解释：结构横风向驰振名词解释：结构横风向驰振/颤振。颤振。.