03 第三章 风荷载.pptx

第1页：第3章 风荷载 章标题页

第3章 风荷载

第2页：

第3页：飓风威尔玛掀起巨浪越过堤岸

风灾实例：2005年10月24日，飓风「威尔玛」掀起巨浪，越过古巴首都哈瓦那海滨大街的堤岸，拍打着沿岸楼房。

第4页：美国新奥尔良飓风灾害

风灾实例：美国新奥尔良遭飓风袭击，80%的土地被淹，死亡上千人，重建费用达2000亿美金。

第5页：风起前后对比

本页为「风起前后」的对比图片，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充对比说明。

第6页：风灾实景页（4-6）

本页为风灾相关实景图片页，源文件仅提取到页面编号4-6，仅有图片，建议对照原课件图片补充画面说明。

第7页：第3章 风荷载 章节目录

第3章 风荷载

• §3.1 风的有关知识
• §3.2 风压
• §3.3 结构抗风计算的几个重要概念
• §3.4 顺风向结构风效应
• §3.5 横风向结构风效应

第8页：风的形成与大气环流模型

§3.1.1 风的形成

• 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的（压力差→风→结构物→风压）
• 成因模型：大气热力学环流模型、理想模型、三圈环流模型
• 影响因素：地球自转、大陆与海洋吸热差异

第9页：大气热力学环流模型

§3.1.1 风的形成——大气热力学环流模型

• 赤道和低纬度地区：受热多、气温高、空气密度小、气压小，大气因加热膨胀由地面向高空上升
• 极地和高纬度地区：受热少、气温低、空气密度大、气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉

第10页：全球风环流

本页为全球风环流的示意图，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充环流分布说明。

第11页：台风的形成过程

§3.1.2 两类性质的大风——1.台风

• 弱的热带气旋性涡旋
• 复合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部
• 形成暖心（涡旋内部空气密度减小，下部海面气压下降）
• 低涡增强→复合加强→循环加强→台风（typhoon）

第12页：台风图片页（1）

本页为台风相关的图片页，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充画面说明。

第13页：台风图片页（2）

本页为台风相关的图片页，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充画面说明。

第14页：台风图片页（3）

本页为台风相关的图片页，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充画面说明。

第15页：季风的形成

§3.1.2 两类性质的大风——2.季风

• 冬季：大陆温度低、气压高，相邻海洋温度高、气压低，风从大陆吹向海洋
• 夏季：大陆温度高、气压低，相邻海洋温度低、气压高，风从海洋吹向大陆

第16页：我国的风气候总况

§3.1.3 我国的风气候总况

风力由大到小的大致分布：台湾、海南、南海诸岛及东南沿海地区＞东北、华北、西北地区＞青藏高原＞长江、黄河中下游地区＞云贵高原。

第17页：蒲福风力等级表（0～4级）

§3.1.4 风级——蒲福风力等级表

第18页：蒲福风力等级表（5～12级）

§3.1.4 风级——风力等级表（续）

第19页：飓风伊万云图

§3.2 风压：从国际空间站拍摄的飓风伊万云图，最高风速214km/h（59.4m/s）。

第20页：飓风伊万造成的伤亡与损失

飓风伊万灾情：在美国已造成45人死亡，其中16人在佛罗里达；飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。

第21页：飓风伊万摧毁的房屋

风灾实景：飓风伊万摧毁的房屋。

第22页：飓风伊万摧毁的大桥

风灾实景：伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁。

第23页：台风云娜登陆时卫星云图

§3.2 风压：台风云娜登陆时的卫星云图。

第24页：台风云娜袭击浙江的灾情

台风云娜灾情：截至16日12时统计，台风云娜在浙江造成164人遇难、24人失踪，受灾人口达1299万人，直接经济损失达181.28亿元。

第25页：风压的产生与风压定义

§3.2 风压——风压的产生

风压定义

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，即风压

基本关系：w＝ρv²/2（图中给出建筑物前的高压气幕与压力线分布）。

第26页：风压与风速关系的伯努利方程

§3.2.1 风压与风速的关系

由伯努利方程导出，初始条件：气压101.325kPa、常温15℃、绝对干燥、纬度45°海面。

第27页：基本风压的定义与五项基本规定

§3.2.2 基本风压

基本风压

按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压

• （1）标准高度的规定：一般取为10m
• （2）地貌的规定：空旷平坦。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城市郊区；C类指有密集建筑群的中等城市市区；D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区

第28页：公称风速的时距规定

§3.2.2 基本风压——（3）公称风速的时距

公称风速

一定时间间隔内的平均风速，即瞬时风速v(t)在时距τ内的平均

10min～1h的平均风速基本稳定，我国取τ＝10min。

第29页：最大风速样本时间与重现期规定

§3.2.2 基本风压——（4）（5）

• （4）最大风速的样本时间：风有自然周期，每年季节性重复一次，一般取一年为统计最大风速的样本时间
• （5）基本风速的重现期：基本风速出现一次所需要的时间，取50年；每年不超过基本风压的概率（保证率）p0＝1－1/T0

GB50009—2001规定：以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min内最大风速v0为标准，按w0＝v0²/1600确定。

第30页：非标准高度的换算

§3.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算——1.非标准高度换算

实测表明，风速沿高度呈指数函数变化；换算所用指数与地貌或地面粗糙度有关，标准高度取10m。

第31页：国内外大城市实测粗糙度指数表

表3-3 国内外大城市中心及其邻近的实测α值

第32页：梯度风与非标准地貌的换算

§3.2.3 非标准条件下的换算——2.非标准地貌的换算

梯度风

不受地表影响、能够在气压梯度作用下自由流动的风

• 梯度风高度H_T与地面粗糙程度有关，一般为300～500m，地面越粗糙H_T越大
• 右图示出不同粗糙度影响下的风剖面

第33页：不同地貌的粗糙度指数与梯度风高度

不同地貌的α及H_T值

结论：地面越粗糙，风速变化越慢（α越大），梯度风高度越高；地面越平坦，风速变化越快（α越小），梯度风高度越小。

第34页：梯度风高度处的风速换算关系

§3.2.3 非标准地貌的换算

不同地貌在梯度风高处的风速应相同，据此建立非标准地貌与标准地貌之间的风速（风压）换算关系。

第35页：四类地貌的α与梯度风高度取值

不同地貌的α及H_T值

说明：本表B类粗糙度指数取0.165，与同章风压高度变化系数表中B类取0.16略有差异，此处按原课件数据保留，未作修改。

第36页：风压高度变化系数的概念

§3.2.3——3.风压高度变化系数

风压高度变化系数μ_z

任意粗糙度、任意高度处的风压与标准高度处基本风压的比值，主要取决于地面粗糙度与温度垂直梯度

第37页：地面粗糙度类别的划分

§3.2.3——地面粗糙度类别（GB50009—2001）

• 在大气边界层内，风速随离地面高度而增大
• 当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度
• A类—近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类—田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类—有密集建筑群的城市市区；D类—有密集建筑群且房屋较高的城市市区

第38页：风压高度变化系数计算公式表

风压高度变化系数μ_z

μ_z(z)＝任意高度处的风压w_a(z)／基本风压w₀，根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009—2001表7.2.1确定。

第39页：风压高度变化系数示意页（39）

本页源文件仅提取到页面编号39，内容为风压高度变化系数相关图示，建议对照原课件图片补充图示说明。

第40页：地面粗糙度类别的近似确定原则

§3.2.3——地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数α时）

• 以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度区分粗糙度类别，风向原则上取该地区最大风的风向，也可取主导风
• 按半圆影响范围内建筑物的平均高度h_平均划分：h_平均≥18m为D类，9m＜h_平均≤18m为C类，h_平均＜9m为B类
• 每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，面域相交时交叠部分取大者；平均高度按各面域面积为权数计算

第41页：不同时距的换算原则

§3.2.3——4.不同时距的换算

由于脉动风的影响，时距越短，公称风速值越大。

第42页：各种时距与10分钟时距风速比值表

各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值

说明：原表在10min处源文本连写为「1.0710.94」，按蒲福与风压换算常例切分为1.07（5min）、1.00（10min）、0.94（1h）。

第43页：不同重现期风压的换算系数

§3.2.3——5.不同重现期的换算

第44页：结构的风力与风效应

§3.3.1 结构的风力与风效应

风力

风速流经任意截面物体所产生的力，由风压在结构物表面沿表面积分得到，含顺风向力P_D、横风向力P_L、扭力矩P_M三个分量

风效应

由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等

第45页：顺风向风速时程与两类风效应

§3.3.2 顺风向平均风与脉动风

• 顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应
• 脉动风速v_f为短周期成分，周期一般只有几秒钟

第46页：平均风与脉动风的作用特点

§3.3.2 顺风向平均风与脉动风

• 风由两种成分构成：平均风＋脉动风
• 地面粗糙度的影响：地面越粗糙，平均风速v越小，v_f的幅值越大且频率越高
• 平均风：因其长周期远大于结构自振周期，可忽略动力影响，等效为静力作用
• 脉动风：其短周期接近结构自振周期，引起结构动力响应与顺风向振动

第47页：脉动风的幅值特性

§3.3.2——脉动风的特性：①幅值特性

• 为一随机过程[v_f(t)，t∈T]
• 幅值服从正态分布，其概率密度函数中σ_v为脉动风速的均方差，v_fi为v_f的一条时程记录曲线

第48页：脉动风的频率特性与功率谱

§3.3.2——脉动风的特性：②频率特性

• 可用功率谱密度描述
• 功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布，由自相关函数经傅里叶变换得到

第49页：Davenport水平脉动风速功率谱

§3.3.2——Davenport水平脉动风速功率谱密度

本页给出Davenport水平脉动风速功率谱密度曲线，用于描述脉动风能量在频域上的分布。

第50页：雷诺数与动力相似

§3.3.3 横风向风振——1.雷诺数

Re＝ρvl/μ，式中ρ为流体密度，μ为流体粘性系数，l为垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。

• 结构形状雷诺数相同则动力相似，即动力相似定律
• 用于判别层流向湍流的转换
• 对称结构可忽略横风向效应，但细长的高柔结构须考虑动力效应

第51页：Strouhal数与卡门涡街

§3.3.3——2.Strouhal数

• 对于空气：Re＝69000vl＝69000vB
• 若Re＜1/1000，以粘性力为主，为高粘性流体；若Re＞1000，以惯性力为主，为低粘性流体
• 图示旋涡的产生与脱落，即Karman涡街现象

第52页：旋涡脱落与横风向风振的产生

§3.3.3——旋涡的产生与脱落

• 气流沿上风面AB速度逐渐增大，之后沿下风面BC速度逐渐减小
• 由于边界层内气流对柱体表面的摩擦，气流在BC中间某点S处停滞，生成旋涡，并以一定的周期（或频率f_s）脱落
• 若脱落频率与结构横向周期接近，即产生横风向风振
• Strouhal数定义式中D为圆柱直径

第53页：圆形截面Strouhal数与雷诺数的关系

§3.3.3——圆形截面物体与Re的关系

• 亚临界范围（3.0×10²≤Re＜3.0×10⁵）：St≈0.2
• 超临界范围（3.0×10⁵≤Re＜3.5×10⁶）：St离散性大
• 跨临界范围（Re≥3.5×10⁶）：St≈0.27～0.3

第54页：常见截面的Strouhal数与共振处理

§3.3.3——横风向共振的工程处理

• 当St为常值时f_s为常值，结构横向自振频率等于f_s时将产生共振
• 亚临界范围：会发生共振，采取构造措施
• 超临界范围：不共振
• 跨临界范围：会发生共振，需专门处理抗风设计

第55页：风向与压力分布示意（1）

本页为风向与建筑物表面压力分布的示意图（Wind direction／Pressure），源文件仅有图题文字，建议对照原课件图片补充图示说明。

第56页：风致破坏场景示意图（1）

本页为风致破坏场景示意图（Wind damage scenario），源文件仅有图题文字，建议对照原课件图片补充图示说明。

第57页：风致破坏场景示意图（2）

本页为风致破坏场景示意图（Wind damage scenario），源文件仅有图题文字，建议对照原课件图片补充图示说明。

第58页：风致破坏场景示意图（3）

本页为风致破坏场景示意图（Wind damage scenario），源文件仅有图题文字，建议对照原课件图片补充图示说明。

第59页：外部基本风压示意

本页为外部基本风压示意图（External basic pressures），源文件仅有图题与尺寸标注b、d，建议对照原课件图片补充图示说明。

第60页：顺风向平均风效应与风载体型系数

§3.4.1 顺风向平均风效应

• 顺风向效应＝平均风效应＋脉动风效应
• 实际风到达工程结构物表面并不能理想地使气流停滞，而是以不同方式在结构表面绕过，故公式与实际风压存在差异，需引入风载体型系数

第61页：风载体型系数的定义

§3.4.1——1.风载体型系数

风载体型系数

风作用于建筑物上所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值

可通过风洞试验测定。

第62页：风载体型系数的伯努利推导

§3.4.1——风载体型系数μ_s的推导

• 气流未被房屋干扰前的流速v₀、压力p₀，房屋表面某点的流速v、压力p
• 伯努利方程：p₀＋ρv₀²/2＝p＋ρv²/2
• 由此得w＝p－p₀＝(1－v²/v₀²)ρv₀²/2＝μ_sw₀，μ_s＝1－v²/v₀²，即w/w₀＝μ_s
• 主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关，描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律

第63页：风载体型系数的确定方法

§3.4.1——风载体型系数μ_s的确定

• 一般采用相似原理，在边界层风洞内对拟建建筑物模型进行试验确定
• 《规范》GB50009—2001表7.3.1给出了38项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数
• 与表中体型类同者按表取用；类不同者可参考有关资料；类不同且无资料可借鉴时宜由风洞试验确定
• 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定

第64页：风洞试验的基本要求

§3.4.1——风洞试验

• 在风洞中应能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即能模拟风速随高度的变化与大气紊流纵向分量
• 建筑物的风洞尺寸：宽2～4m、高2～3m、长5～30m
• 模拟风剖面要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似
• 风洞试验需委托风工程专家和专门实验人员，费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）

第65页：风洞试验刚性压力模型

§3.4.1——风洞试验模型分类（1）刚性压力模型

• 主要用于量测建筑物表面的风压力（吸力）
• 模型材料采用有机玻璃，模型比例约1:300～1:500
• 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，建筑外形、突出部分等特征应正确模拟
• 可得到结构的平均压力、波动压力、体型系数；一次试验需持续60s左右，相应实际时间1h

第66页：气动弹性模型与高频力平衡模型

§3.4.1——风洞试验模型分类（2）（3）

• 气动弹性模型：对高宽比大于5、需要考虑舒适度的高柔建筑采用，精确考虑结构柔性和自振频率、阻尼的影响，要求模拟几何尺寸、惯性矩、刚度和阻尼特性
• 刚性高频力平衡模型：模型尺寸较小（1:500量级），将轻质材料模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应；基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等

第67页：气流通过拱形屋顶房屋示意

本页为气流通过拱形屋顶房屋的示意图，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充绕流与压力分布说明。

第68页：风载体型系数示例取值

§3.4.1——风载体型系数μ_s示例

• 【例1】封闭式双坡屋面：迎风面＋0.8，背风面－0.6（屋面坡度α≥60°、≤15°及中间值按插入法计算）
• 【例2】封闭式房屋和构筑物（正多边形）：迎风面＋0.8，侧面与背风面－0.5、－0.7

注：中间值按插入法计算。

第69页：群体建筑的相互干扰效应

§3.4.1——风力相互干扰的群体效应

• 当建筑群（尤其是高层建筑群）房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑
• 《规范》GB50009规定：将单独建筑物的体型系数μ_s乘以相互干扰系数，可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

第70页：局部风压的增大

§3.4.1——局部风压

• 风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀
• 在角隅、檐口、边棱处和附属结构部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压
• 《规范》规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为－1.0～－2.2

第71页：封闭式建筑物的内表面压力系数

§3.4.1——封闭式建筑物的内表面压力

• 对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压
• 《规范》GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面风压的正负情况取－0.2或0.2

第72页：平均风下结构的等效静风压

§3.4.1——2.平均风下结构的等效静风压

本页给出平均风作用下结构等效静风压的计算方法，源文件未提取到公式正文，建议对照原课件图片补充。

第73页：脉动风的等效风力计算假定

§3.4.2 顺风向脉动风效应

• 假定：在脉动风作用下，结构主要按第一振型振动
• 脉动风为随机动力作用，按随机振动理论进行分析，得到等效风作用力

第74页：顺风向总风效应与风振系数

§3.4.3 顺风向总风效应

顺风向总风效应＝顺风向平均风效应＋顺风向脉动风效应，工程上以风振系数β_z表达。

第75页：风振系数的组成系数

§3.4.3——风振系数的组成

• ξ—脉动增大系数，与w₀T₁²、房屋结构类型有关
• ν—脉动影响系数，与地面粗糙度类型、H/B、房屋总高H有关
• φ_z—振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）

第76页：需考虑风压脉动影响的条件

§3.4.3——考虑顺风向风振的条件（GB50009）

• 基本自振周期T₁＞0.25s的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）
• 高度H＞30m且高宽比H/B＞1.5的高柔房屋

满足上述条件时应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。

第77页：顺风向总风效应计算要点（1）

本页为顺风向总风效应的计算内容，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充计算式。

第78页：顺风向总风效应计算要点（2）

本页为顺风向总风效应的计算内容，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充计算式。

第79页：不同结构类型的风振计算

§3.4.3——不同结构类型的风振计算

• 低层建筑结构（剪切型结构）
• 高层建筑结构（弯剪型结构）
• 高耸结构（弯曲型结构）

第80页：顺风向总风效应示意页

本页源文件仅提取到页面编号4-80，内容为顺风向总风效应相关图示，建议对照原课件图片补充图示说明。

第81页：风荷载计算简图页（4-81）

本页源文件仅提取到页面编号4-81，内容为风荷载计算简图，建议对照原课件图片补充图示说明。

第82页：高层建筑底部弯矩算例

§3.4.3 示例

• 已知：矩形平面钢筋混凝土高层建筑，平面沿高度保持不变，H＝100m，B＝33m，地面粗糙度指数α_a＝0.22，基本风压按粗糙度指数α_s＝0.16的地貌上离地面高度z_s＝10m处的风速确定，w₀＝0.44kN/m²，结构基本自振周期T₁＝2.5s
• 求风产生的建筑底部弯矩
• 解法：将建筑沿高度划分为5个计算区段，每个区段20m高，取其中点位置的风载值作为该区段的平均风载值

第83页：体型系数与风压高度变化系数取值

示例——体型系数与风压高度变化系数

第84页：第一振型相对位移与脉动增大系数

示例——风振系数的确定

第85页：脉动影响系数与各区段风振系数

示例——风振系数计算结果

因建筑高宽比H/B＝3，查表得脉动影响系数ν＝0.49，代入即得各区段风振系数；再按式（4-45）计算各区段中点高度处的风压值。

第86页：建筑底部弯矩的计算结果

示例——建筑底部弯矩

根据图所示的计算简图，可求得由风产生的建筑底部弯矩。

说明：原课件在本页提出「不考虑顺风向脉动影响？」的对比问题，源文件未给出具体数值结果，建议对照原课件图片补充最终弯矩值。

第87页：流经任意截面物体的风力

§3.5.1 流经任意截面物体的风力

速度为v的风流经任意截面物体，都将产生三个力，即物体单位长度上的顺风向力P_D、横风向力P_L以及扭矩力P_M。

• D—结构的截面尺寸，取为垂直于风向的最大尺寸
• μ_D—顺风向风力系数，为迎风面和背风面风荷载体型系数之和
• μ_L、μ_M—分别为横风向风力和扭转力系数

第88页：横风向风力系数与雷诺数的关系

§3.5.2 结构横风向风力

• μ_L—横风向风力系数，与雷诺数Re有关
• 亚临界范围（3×10²≤Re＜3×10⁵）：μ_L＝0.2～0.6
• 超临界范围（3×10⁵≤Re＜3×10⁶）：μ_L不确定（随机）
• 跨临界范围（Re≥3×10⁶）：μ_L＝0.15～0.2
• 跨临界、亚临界范围的横风向作用具有周期性，风旋涡脱落圆频率与St（斯脱罗哈数）有关，圆形截面结构取St＝0.2

第89页：横风向共振与锁住区域

§3.5.2——结构横风向共振现象

• 横风向风作用力频率f_s与结构横向自振基本频率f₁接近时，结构横向产生共振反应
• 锁住（look-in）区域：风旋涡脱落频率f_s保持常数（＝结构横向自振频率f₁）的风速区域
• 跨临界、亚临界范围为确定性振动；超临界范围为随机振动

第90页：横风向共振与锁住区域示意

§3.5.2——结构横风向共振现象及锁住区域：本页图示频率、自振频率与风速的关系，以及旋涡脱落频率的锁定现象。

第91页：细长结构横风向风力分布

本页为细长结构横风向风力分布示意图，源文件未提取到正文文字，仅有图片，建议对照原课件图片补充分布说明。

第92页：横风向效应的一般可忽略条件

§3.5.3 结构横风向风效应

• 一般情况下μ_L≤0.4，而μ_D大于μ_L的3倍以上，故一般情况下结构横风向效应与顺风向效应相比可以忽略
• 然而在亚临界范围，特别在跨临界范围，横向风力为周期性荷载，需专门计算

第93页：跨临界强风共振的等效风荷载

§3.5.3——跨临界的强风共振等效风荷载

• 跨临界的强风共振引起的、在z高度处振型j的等效风荷载按规范公式确定
• λ_j—计算系数，按表3-14确定
• Φ_j(z)—在z高度处结构的j振型系数
• ζ_j—第j振型的阻尼比：第一振型钢结构取0.01，有填充材料的房屋钢结构取0.02，混凝土结构取0.05；高振型阻尼比若无实测资料可近似按第一振型取

第94页：横风向共振验算的临界风速

§3.5.3——横风向共振验算

• 表3-14中H₁临界风速的起始点高度可按下式计算，α为地面粗糙度指数，对A、B、C、D四类分别取0.12、0.16、0.22和0.30；v_H为结构顶部风速（m/s）
• 校核横风向风振时所考虑的高振型序号不大于4，一般悬臂型结构可只取第一或第二振型
• 上述公式仅适用于圆形截面的结构，非圆形截面结构的等效风荷载宜通过风洞试验确定

第95页：横风向共振计算简图

§3.5.3——结构横风向共振计算简图及等效共振风力：图中标出共振风速高度以及1.3倍共振风速高度（但小于H）的范围。

第96页：共振风速与共振位移反应

§3.5.3——共振判别

当ω_s与结构基本频率ω接近时，结构将产生共振，可按共振风速、共振位移反应与横风向共振力计算，其中Re＝69000vB。

第97页：钢筋混凝土烟囱横风向共振算例

§3.5.3 示例

• 已知：钢筋混凝土烟囱H＝100m，顶端直径5m，底部直径10m，基本频率f₁＝1Hz，10m高度处基本风速v₀＝25m/s
• 求解：烟囱顶点风速、烟囱顶点共振风速、共振风速下烟囱顶点处雷诺数
• 结论：属跨临界范围，横风向会发生共振

第98页：结构总风效应的组合

§3.5.4 结构总风效应

• 结构抗风设计：将结构横风向风效应与顺风向风效应叠加
• 考虑到顺风向动力作用效应（脉动效应）与横风向动力作用效应（风振效应）的最大值不一定在同一时刻发生，采用平方和开方近似估算总的风动力效应

第99页：结构横风向驰振

§3.5.5 结构横风向驰振

驰振（galloping）

在某些情况下，外界激励可能产生负阻尼成分，当负阻尼大于正阻尼时，结构振动将不断加剧，直到达到极限破坏，这种现象称为驰振；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

第100页：颤振与抖振

§3.5.6 颤振和抖振

颤振（flutter）

当物体截面的旋转中心与空气动力的作用中心不重合时，将产生截面的平移和扭转耦合振动，也会发生不稳定振动现象，称其为颤振，一般出现在桥梁结构，即风作用下产生的结构扭转振动

抖振

在城市中心比较密集的高层建筑中，当一个结构处于另一个结构的卡门涡道中时，后面结构的自振频率接近前面结构旋涡脱落频率（对其而言为顺风向风频率）时，抖振就会发生

第101页：框架剪力墙结构风载算例

例题

• 某11层钢筋混凝土框架剪力墙结构，地处市郊，基本风压0.5kN/m²，结构总高度33.2m，底层3.2m，其余层3m，试求结构横向总风载
• 已知结构基本自振周期0.556s
• 平面：开间7500，进深6600mm，走廊2400mm，翼墙3000mm（从轴线算起），结构轴线总长60m，总宽15.6m

第102页：

第103页：平面体型系数与风载集度计算

例题求解

• 本例题平面为矩形，迎风面、背风面风载体型系数之和μ_s＝1.3
• 风压作用方向与计算方向夹角α＝0，可沿建筑高度方向计算每米风载
• 由于本建筑高度超过30m、高宽比大于1.5，还应考虑风振系数的影响，同时考虑风压高度系数的影响

第104页：B类地面的风振参数取值

例题求解——风振参数

• 按照B类地面，w₀T₁²＝0.16，查表得脉动增大系数ξ＝1.26
• 查表得脉动影响系数ν＝0.48
• 建筑物在高度H_i处风载集度可查表获得，据此列表计算各层风荷载（kN/m）

第105页：各层风荷载计算数据表

例题——各层风荷载计算数据

本页为原课件中的风荷载计算数据表，源文件提取的文本中楼层号、高度H_i、风压高度系数、风振系数与层风载F_i等数字严重粘连，无法安全切分还原为表格，此处保留原始数值序列，建议对照原课件图片人工核对后补录。

原始数值序列：Fi（kN）wz Hi（m）层 121.48 0.93 2.08 1.47 1.00 33.21 1｜228.97 6.30 1.96 1.43 0.87 30.21 0｜214.17 1.36 1.83 1.37 0.76 27.29 2｜03.36 7.76 1.74 1.32 0.69 24.28 1｜86.86 2.27 1.60 1.27 0.54 21.27 1｜71.35 7.10 1.46 1.21 0.42 18.26 1｜57.45 2.48 1.35 1.14 0.34 15.25 1｜41.04 7.00 1.21 1.06 0.24 12.24 1｜27.64 2.54 1.09 1.00 0.15 9.23 1｜22.04 0.65 1.04 1.00 0.07 6.22 7｜7.22 5.74 0.66 0.64 0.02 3.21

第106页：

第107页：广州亚运综合体育馆工程概况

广州亚运综合体育馆风荷载分析

广州亚运综合体育馆是2010年广州亚运会唯一新建的、最大的主场馆，是亚运会的标志性建筑。

第108页：建筑方案的国际竞赛

建筑方案由广东省建筑设计研究院在多家全球顶级建筑设计机构参与的国际方案竞赛中胜出。国内重大项目的国际建筑设计竞赛由纯国内设计团队中标是极为罕见的，对推动原创设计具有重要意义。

第109页：建成后的实景与三维非线性曲面

建成后的实景照：三维非线性曲面造型。

第110页：大量侧开洞半开敞灰空间

建筑特点：大量侧开洞的半开敞灰空间。

第111页：大悬臂双曲拉索式幕墙

建筑特点：大悬臂双曲拉索式幕墙。

第112页：倒锥的悬挂结构与不规则结晶体

建筑特点：倒锥的悬挂结构、不规则的结晶体。

第113页：体形复杂需进行风洞试验

风洞试验的必要性

• 由于场馆体形复杂，不能按现行荷载设计规范进行结构的抗风设计，根据《荷载规范》第7.3.1条第3款，本工程需要进行风洞试验，为抗风设计提供依据
• 大跨悬挑屋盖结构具有柔性大、阻尼小、结构自振周期和风速的长卓越周期较接近等特点，对风荷载十分敏感，风荷载往往成为屋面结构设计的主要荷载

第114页：场馆组成与群体效应

场馆由体操馆、台壁球馆、历史馆组成，应考虑风力相互干扰的群体效应。

第115页：风荷载分析的技术路线

风荷载分析的技术路线

• 数值风洞与风洞试验
• 风荷载的处理方式
• 风荷载敏感部位的数据分析及风荷载确定
• 风振响应取值

第116页：数值风洞模拟风荷载分析

1.数值风洞分析

• 利用ANSYS-CFD流体力学软件对场馆群进行数值风洞模拟，初步确定屋面及墙面的风荷载布置情况
• 由荷载分布云图可见：悬挑部位、屋面中间坡度比较大的部位、侧开洞部位以及飘带位置风荷载比较大，应重点分析
• 数值风洞用于确定风敏感区域，指导风洞试验的测点布置

第117页：体操馆风洞试验测点分布图

体操馆风洞试验测点分布图

• 依据建筑结构杆件的布置特征及以上敏感位置分布布置测点
• 对应悬挑位置、飘带位置（四面敞开结构形式）、开洞位置应在相同位置双面布置测点，风荷载取其测点的压差
• 风洞试验与数值风洞相互校验，判断合理性

第118页：风荷载处理方式的创新

2.风荷载的处理方式创新

• 通常采用体型系数模式，利用荷载规范公式，高度变化系数需按规范在一定范围内插值，且只能分段输入、数值不连续、累积计算误差，多风向角输入繁琐
• 本工程利用风洞实验的原始数据，以Visual Basic编程实现「实验测点数据—风的面荷载—桁架结构的节点荷载」的转换，实现数字化输入
• 输入1个风向角与多个风向角的工况速度相同，充分利用原始风压系数，减少累积误差，提高数据精度和转化速度

第119页：大悬挑部位的风荷载取值

3.A.大悬挑部位的风荷载取值

• 大悬挑是典型的风敏感结构，对建于强风地区的大跨度钢结构，悬挑上的风荷载和由此诱发的挑篷风致振动常常是控制结构安全性的主要因素
• 对比多个大悬挑项目的风洞实验数据并与数值风洞结果对比后认为，本工程大悬臂的风洞实验结果偏不安全，因此实际计算乘了1.15系数

第120页：墙面开洞位置的风荷载取值

3.B.墙面开洞位置的风荷载取值

• 本工程的突出特点是墙面大量开洞，经分析是风荷载的组合起控制作用
• 开洞面积大于40%时，墙面部分的风振效应十分明显，达到2.9
• 如果按主结构风振系数输入，容易造成安全隐患

第121页：幕墙部分的风荷载取值

3.C.幕墙部分的风荷载取值

• 规范对幕墙作为围护结构计算，从阵风系数的角度定义风荷载取值
• 本工程中幕墙主受力系统为单索，刚度比较小且面积大，在风荷载下的风振影响比较大
• 应采用主结构的算法保证其安全性

第122页：风振响应取值方法

4.风振响应取值

• 采用非线性时程分析方法进行屋盖结构的风振响应分析
• 按结构形式分两类：主次梁体系屋盖——共振响应中第一阶振型贡献最大；空间整体屋盖——高阶振型的影响不能忽略
• 对复杂结构的风振系数应按刚度分区分别计算

第123页：广州亚运综合体育馆风荷载分析结论

结论

• 风洞试验是采集风荷载数据的主要手段，关键在于如何处理并判断风洞试验的数据
• 前期数值模拟对风洞试验有重要的指导意义
• 风洞试验原始数据分析的程序化较大提高了结构设计的效率及准确性，对复杂结构有普遍参考价值
• 通过分析试验数据并结合相关文献，对大悬挑、开洞、单索玻璃幕墙等复杂结构的风荷载取值做了对比研究，并推荐相应的估计及计算方法
• 对结构风振系数的采用，提出按刚度分区分别计算的方法
• 广州亚运综合馆自2011年6月投入使用后经历多次强台风考验，主结构、屋面板、幕墙、室外天花等均未出现异常，说明其风荷载取值及设计是合适的