2015-04-24 16:39:48

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所属类别 :
建筑
建筑
编辑分类

风荷载是空气流动对工程结构所产生的压力。

基本信息

  • 中文名

    风荷载

  • 外文名

    Wind load

  • 拼音

    fēng hé zǎi

  • 风荷载

    也称风的动压力

折叠 编辑本段 基本含义

风荷载也称风的动压力,是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载ш与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度,及建筑体型等诸因素有关。风荷载风荷载中国的地理位置和气候条件造成的大风为:夏季东南沿海多台风,内陆多雷暴及雹线大风;冬季北部地区多寒潮大风,其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。台风造成的风灾事故较多,影响范围也较大。雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。

折叠 编辑本段 计算公式

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 当计算主要承重结构时,按式:wk=βzμsμzWo

式中wk-风荷载标准值(kN/m2);

βz-高度z 处的风振系数;

μs-风荷载体型系数;

μz-风压高度变化系数;

Wo-基本风压(kN/㎡)。

2 当计算围护结构时,按式:wk=βgzμslμzWo

式中βgz-高度z 处的阵风系数;

μsl--风荷载局部体型系数。

折叠 编辑本段 风荷载参数

折叠 基本风压

中国规定的基本风压w0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准,按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年,高层建筑和高耸结构为50年,特别重要的结构为100年),统计得最大风速v(即年最大风速分布的96.67%分位值,并按w0=ρv2/2确定。式中ρ为空气质量密度;v为风速)。根据统计,认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压,统计分布可按极值I型考虑。 基本风压因地而异,在中国的分布情况是:台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压风荷载风荷载区,由台风造成。东北、华北、西北的北部是风压次大区,主要与强冷气活动相联系。青藏高原为风压较大区,主要由海拔高度较高所造成。其他内陆地区风压都较小。 风速 风速随时间不断变化(图1),在一定的时距Δt内将风速分解为两部分:一部分是平均风速的稳定部分;另一部分是指风速的脉动部分。为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压,一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。

建筑设计中的取用:基本风压应按《建筑结构荷载规范》附录D.4 中附表D.4 给出的50 年一遇的风压采用,但不得小于0.3kN/m2。

对于高层建筑、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。

当城市或建设地点的基本风压值在本规范全国基本风压图上没有给出时,基本风压值可根据当地年最大风速资料,按基本风压定义,通过统计分析确定,分析时应考虑样本数量的影响(参见附录D)。当地没有风速资料时,可根据附近地区规定的基本风压或长期资料,通过气象和地形条件的对比分析确定;也可按本规范附录D中全国基本风压分布图(附图D.5.3)近似确定。

风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4 和0。

折叠 平均时距

按风速记录为确定最大平均风速而规定的时间间隔(图1)。规定的时距愈短,所得的最大平均风速愈大,也即基本风压愈大。当前世界各国所采用的平均时距标准并不一致,例如,中国时距取10分钟,苏联取2分钟,英国根据建筑物或构件的尺寸不同,分别取3秒、5秒和15秒,日本取瞬时。美国以风程1609.3米(1英里)作为确定平均风速的标准,这相当于对不同风速取不同的平均时距。因而各国基本风压值的标准也有差别。

折叠 风压高度变化系数

从某一高度的已知风压(如高度为10米的基本风压),推算另一任意高度风压的系数。风压高度变化系数随离地面高度增加而增大,其变化规律与地面粗糙度及风速廓线直接有关。设计工程结构时应在不同高度处取用对应高度的风压值。

对于平坦或稍有起伏的地形,风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表8.2.1 确定。

地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类:

--A 类指近海海面和海岛、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乡镇和城市郊区;

--C 类指有密集建筑群的城市市区;

--D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

1 对于山峰和山坡,其顶部B 处的修正系数可按下述公式采用:

式中tg α-山峰或山坡在迎风面一侧的坡度;当tg α>0.3 时,取tg α=0.3;

k-系数,对山峰取3.2,对山坡取1.4;

H-山顶或山坡全高(m);

z-建筑物计算位置离建筑物地面的高度,m;当z>2.5H 时,取z=2.5H。

对于山峰和山坡的其他部位,可按图8.2.2 所示,取A、C 处的修正系数ηA、ηC 为1,AB 间和BC 间的修正系数按η的线性插值确定。

2 山间盆地、谷地等闭塞地形η=0.75~0.85;

对于与风向一致的谷口、山口η=1.20~1.50。

折叠 地面粗糙度

地面因障碍物形成影响风速的粗糙程度。风(气流)在接近地面运动时,受到树木、房屋等障碍物的摩擦影响,消耗了一部分动能,使风速逐渐降低。这种影响一般用地面粗糙度衡量。地面粗糙度愈大,同一高度处的风速减弱愈显著。一般地面粗糙度可由小而大列为水面、沙漠、空旷平原、灌木、村、镇、丘陵、森林、大城市等几类。

折叠 风速廓线

风速随高度的变化曲线(图2)。风速通常随离地面高度增大而增加。增加程度主要与地面粗糙度和温度梯度有关。达到一定高度后,地面的摩擦影响可忽略不计,该高度称为梯度风高度。梯度风高度随地面粗糙度而异,一般约为300~500 米。梯度风高度以内的风速廓线一般可用指数曲线表示。

折叠 风载体型系数

也称空气动力系数,它是风在工程结构表面形成的压力(或吸力)与按来流风速算出的理论风压的比值。它反映出稳定风压在工程结构及建筑物表面上的分布,并随建筑物形状、尺度、围风荷载风荷载护和屏蔽状况以及气流方向等而异。对尺度很大的工程结构及建筑物,有可能并非全部迎风面同时承受最大风压。对一个建筑物而言,从风载体型系数得到的反映是:迎风面为压力;背风面及顺风向的侧面为吸力;顶面则随坡角大小可能为压力或吸力。

1 房屋和构筑物与表8.3.1 中的体型类同时,可按该表的规定采用;

2 房屋和构筑物与表8.3.1 中的体型不同时,可参考有关资料采用;

3 房屋和构筑物与表8.3.1 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;

4 对于重要且体型复杂的房屋和构筑物,应由风洞试验确定。

1 正压区按表8.3.1 采用;

2 负压区

-对墙面,取-1.0;

-对墙角边,取-1.8;

-对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位),取-2.2;

-对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件,取-2.0。

注:对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的0.1 或房屋平均高度的0.4,取其小者,但不小于1.5m。

对封闭式建筑物,按外表面风压的正负情况取-0.2 或0.2。

折叠 风振

风的脉动部分对高耸结构所引起的动态作用。一般结构对风力的动态作用并不敏感,可仅考虑静态作用。但对于高耸结构(如塔架、烟囱水塔)和高层建筑,除考虑静态作用外,还需考虑动态作用。动态作用与结构自振周期、结构振型,结构阻尼和结构高度等因素有关,可将脉动风压假定为各态历经随机过程按随机振动理论的基本原理导出。为方便起见,动态作用常用等效静态放大系数,即风振系数的方式与静态作用一并考虑。

注:近似的基本自振周期T1 可按附录E 计算。

式中ξ-脉动增大系数;

υ-脉动影响系数;

-振型系数;

μz-风压高度变化系数。

注:计算 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、0.62 和0.32 后代入。

1 结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等):

2 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(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀,脉动影响系数可根据总高度H 及其与迎风面宽度B 的比值,按表8.4.4-3 确定。

8.4.5振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度z/H 按附录F 确定。

8.5.1对矩形截面高层建筑当满足下列条件时,确定其横风向风振等效风荷载:

1 建筑的平面形状和质量在整个高度范围内基本相同;

2 高宽比HμBD在4~8 之间,深宽比D/B 在o. 5~2 之

间,其中B 为结构的迎风面宽度.D 为结构平面的进深(顺风向尺寸) ;间,其中B 为结构的迎风面宽度.D 为结构平面的进深(顺风向尺寸) ;

3 vHTu //西运10. Tu 为结构横风向第1 阶自振周期,均为结构顶部风速。

8.6.1对圆形截面的结构,应根据雷诺数Re 的不同情况按下述规定进行横风向风振(旋涡脱落)的校核:

1 当Re<3×10 时(亚临界的微风共振),应按下式控制结构顶部风速υH 不超过临界风速υcr, υcr 和υH 可按下列公式确定:

式中T1-结构基本自振周期;

St-斯脱罗哈数,对圆截面结构取0.2;

γW-风荷载分项系数,取1.4;

μH-结构顶部风压高度变化系数;

ω0-基本风压(kN/m);

ρ-空气密度(kg/m)。

当结构顶部风速超过υcr 时,可在构造上采取防振措施,或控制结构的临界风速υcr 不小于15m/s。

2 Re≥3.5×10且结构顶部风速大于υcr 时(跨临界的强风共振),应按第8.6.2条考虑横风向风荷载引起的荷载效应。

3 雷诺数Re 可按下列公式确定:

Re=69000vD (8.6.1-3)

式中υ-计算高度处的风速(m/s);

D-结构截面的直径(m)。

4 当结构沿高度截面缩小时(倾斜度不大于0.02),可近似取2/3 结构高度处的风速和直径。

式中 -计算系数,按表8.6.2 确定;

-在z 高处结构的j 振型系数,由计算确定或参考附录F;

ζj-第j 振型的阻尼比;对第1 振型,钢结构取0.01,房屋钢结构取0.02,

混凝土结构取0.05;对高振型的阻尼比,若无实测资料,可近似按第1 振型的值取用。

表8.6.2 中的H1 为临界风速起始点高度,可按下式确定:

式中α-地面粗糙度指数,对A、B、C 和D 四类分别取0.12、0.16、0.22 和0.30;

υH-结构顶部风速(m/s)。

注:校核横风向风振时所考虑的高振型序号不大于4,对一般悬臂型结构,可只取第1 或第2 个振型。

风荷载是膜结构设计控制荷载之一,一般作为静荷载进行结构分析。组合值为0 6、频遇值为0 4、准永久值系数为O。

风振系数,指将lOmin平均风压系数转化为瞬时风压系数,同时考虑风荷载脉动与结构动力之间的谐振效应。风振系数不仅与建筑场地有关,且与结构自振特性有关,很难给出"准确值"c大型空间结构属柔性结构体系,自振频率小,振形密集,以至存在大量同频率振形,振形间模态相关性强。对动力效应起作用的频率多,且低阶振形并不一定为主振形,某些高阶振形动力效应反而大。因此,不能用低阶或某阶振形频率确定风振系数,需要综合评价结构整体动力特性,结合既往相似工程,选取合理值。

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