《荷載和結(jié)構(gòu)計算方法》第三講.ppt

1、第四章 風(fēng)荷載,內(nèi)容提要 一、風(fēng)的有關(guān)知識 二、風(fēng)壓 三、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念 （自學(xué)） 四、順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng) 五、橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),第一節(jié) 風(fēng)的有關(guān)知識, 赤道和低緯度地區(qū)：受熱量較多，氣溫高，空氣密度小、氣壓小,且大氣因加熱膨脹，由表面向高空上升, 極地和高緯度地區(qū)：受熱量較少，氣溫低，空氣密度大、 氣壓大 ，且大氣因冷卻收縮由高空向地表下降,一、風(fēng)的形成 - 空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成 地表上存在氣壓差或壓力梯度,北極,赤道,大氣熱力學(xué)環(huán)流模型,二、兩類性質(zhì)的大風(fēng) 1、臺風(fēng) 赤道海洋面受日照影響，熱而濕的水汽上升，形成龐大的水汽柱，熱 低壓區(qū)和穩(wěn)定的高壓區(qū)之間將產(chǎn)生

2、空氣流動。 由平衡產(chǎn)生的相互補(bǔ)充的力使之成螺旋狀流動。 形成暖心（旋轉(zhuǎn)的結(jié)果使渦旋內(nèi)部空氣密度減小，下部海面氣壓下降） 大量空氣從高壓區(qū)傳來，如此循環(huán)不止。 臺風(fēng)(typoon),2、季風(fēng)(季節(jié)性的風(fēng)) 冬季:大陸溫度低、氣壓高；相鄰海洋溫度比大陸高、氣壓低 風(fēng)從大陸吹向海洋 夏季:大陸溫度高、氣壓低；相鄰海洋溫度比大陸低 、氣壓高 風(fēng)從海洋吹向大陸 三、風(fēng)級（根據(jù)風(fēng)對地面或海洋物體影響程度） 分為 13個等級（0級12級）（P46，表3-1） 0級 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級 10級 11級12級 靜風(fēng) 軟風(fēng) 輕風(fēng) 微風(fēng) 和風(fēng) 清勁風(fēng) 強(qiáng)風(fēng) 疾風(fēng) 大風(fēng) 烈風(fēng) 狂風(fēng)

3、暴風(fēng)颶風(fēng),第二節(jié) 風(fēng) 壓,1、風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系,建筑物,小股氣流,流向,高壓氣幕,壓力線,w=v2/2,dl,w1dA,(w1+dw1)dA,風(fēng)壓的形成,邊界條件：,2、基本風(fēng)壓w0 按規(guī)定的高度、地貌、時距等量測的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓 高度： 10米高為標(biāo)準(zhǔn)高度（橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)定為20米） 地貌（地面粗糙度):空曠平坦地貌 公稱風(fēng)速時距: =10min, 最大風(fēng)速的樣本時間 : 一年, 基本風(fēng)速的重現(xiàn)期T0 基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需要的時間,每年不超過基本風(fēng)壓的概率或保證率p0=1-1/T0（圖中影形面積）, GB50009-2001規(guī)定： 以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高統(tǒng)計所得的50年一遇10m

4、in內(nèi)最大風(fēng)速v0為標(biāo)準(zhǔn)，按w 0= v02/1600確定。,最大風(fēng)速 -隨機(jī)變量,年最大風(fēng)速,p,基本風(fēng)速,面積 p0=1-1/T0,年平均最大風(fēng)速,年最大風(fēng)速概率密度分布,第四節(jié) 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)計算,PL 截面 風(fēng)速 B PM PD 流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力, 結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力,順風(fēng)向力PD 、 橫風(fēng)向力 PL 、扭力矩 PM, 結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng), 由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)響應(yīng),一、結(jié)構(gòu)的風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng),二、風(fēng)荷載計算基本公式： 1、平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載 wz= s z(z) w0 s：風(fēng)荷載體型系數(shù) z(z)：風(fēng)壓高度變化系數(shù) W0：基本風(fēng)壓,1）風(fēng)載體型系數(shù)（s）

5、主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān) 描述建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律。,規(guī)范GB50009-2001表7.3.1給出了38項不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)體型及其體型系數(shù) 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時，可按表規(guī)定取用； 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時，可參考有關(guān)資料采用； 房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同且無參考資料可借鑒時，宜由風(fēng)洞試驗確定； 對重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定。,風(fēng)載體型系數(shù)s,【例1】 封閉式雙坡屋面,【例2】封閉式房屋和構(gòu)筑物(正多邊形),+0.8,-0.5,-0.5,s,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,注：

6、中間值按插入法計算,+0.8,-0.5,-0.7,-0.7,？ 當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會顯著增大，設(shè)計時應(yīng)予以考慮。 規(guī)范GB50009規(guī)定：將單獨建筑物的體型系數(shù)s 乘以相互干擾系數(shù)(可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出)以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。 ？ 風(fēng)力作用在高層建筑表面，其壓力分布很不均勻，在角隅、檐口、邊棱處和在附屬結(jié)構(gòu)的部位（陽臺、雨篷等外挑構(gòu)件），局部風(fēng)壓會超過按表所得的平均風(fēng)壓 規(guī)范GB50009規(guī)定：對負(fù)壓區(qū)可根據(jù)不同部位分別取體型系數(shù)為-1.0 -2.2 ？對封閉式建筑物，考慮到建筑物

7、內(nèi)實際存在的個別孔口和縫隙，以及機(jī)械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓。 規(guī)范GB50009規(guī)定：對封閉式建筑物的內(nèi)表面壓力系數(shù)，按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2,2）、風(fēng)壓高度變化系數(shù)z 地面的粗糙度 在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大 當(dāng)氣壓場隨高度不變時，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度，地面粗糙度等級低的地區(qū)，其梯度高度比等級高的地區(qū)為低。 GB50009-2001地面的粗糙度類別 A類近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū) B類田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn) 和城市郊區(qū) C類有密集建筑群的城市市區(qū) D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū), 地面粗糙度

8、類別 粗糙度指數(shù) 風(fēng)壓高度變化系數(shù)z A類 0.12 1.379(z/10)0.24 B類 0.16 1.000(z/10)0.32 C類 0.22 0.616(z/10)0.44 D類 0.30 0.318(z/10)0.60 風(fēng)壓高度變化系數(shù)z (z)=任意高度處的風(fēng)壓wa(z)/基本風(fēng)壓w0 根據(jù)離地面或海平面高度、地面粗糙度類別由GB500092001表7.2.1確定。 【思考題】規(guī)范GB50009對遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)z如何確定？ 見規(guī)范：P26 對于遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物,見規(guī)范：P26 對于遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物的建筑物和構(gòu)筑物，風(fēng)壓高

9、度變化系數(shù)可按A類粗糙度類別考慮，但應(yīng)乘以修正系數(shù), 地面粗糙度近似確定原則（無實測粗糙度指數(shù) ） 以擬建房2km為半徑的迎風(fēng)半圓范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風(fēng)向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向為準(zhǔn)，但也可取其主導(dǎo)風(fēng)； 以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h平均來劃分地面粗糙度類別，當(dāng)h平均18m，為D類，9m h平均18m為C類， h平均 9m，為B類。 影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者； 平均高度h平均取各面域面積為權(quán)數(shù)計算。,風(fēng)荷載計算實例,1、排架結(jié)構(gòu)組成：,1. 屋面板 2

10、. 天溝板 3. 天窗架 4. 屋架 5. 托架 6. 吊車梁 7.排架柱 8. 抗風(fēng)柱 9. 基 礎(chǔ) 10. 連系梁 11. 基礎(chǔ)梁 12. 天窗架垂直支撐 13. 屋架下弦橫向水平支撐 14.屋架端部垂直支撐 15. 柱間支撐,柱頂以下建筑物表面上的風(fēng)荷載沿高度取為均勻分布，其值分別為（迎風(fēng)面的風(fēng)壓力） q1和q2（背風(fēng)面的風(fēng)吸力），風(fēng)壓高度變化系數(shù)z按柱頂標(biāo)高取值，其中： 作用于柱頂以上的風(fēng)荷載，通過屋架以集中力Fw形式施加于排架柱頂，（其值為屋架高度范圍內(nèi)的外墻迎風(fēng)面、背風(fēng)面的風(fēng)荷載及坡屋面上風(fēng)荷載的水平分力的總和）。,排架風(fēng)荷載計算,作業(yè)：排架風(fēng)荷載計算,框架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算實例 基本

11、公式：,開間 層高,開間層高,答案,計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：,F2=5.2KN,F1=10.52KN,2、順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng) 脈動風(fēng)隨機(jī)動力作用按隨機(jī)振動理論進(jìn)行分析-自學(xué) 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)= 順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)+ 順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng) 計算主要承重結(jié)構(gòu)時： w(z)= z s z(z) w0 計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時： w(z)= gz s1 z(z) w0 z 高度z處的風(fēng)振系數(shù)，且z=1+z/ gz 高度z處的陣風(fēng)系數(shù),GB50009規(guī)定： 基本自振周期T10.25s的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)） 高度H 30m且高寬比H/B 1.5的高柔房屋 考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，否則按靜風(fēng)考慮,第五

12、節(jié) 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),一、橫風(fēng)向風(fēng)振（對細(xì)柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮） 橫風(fēng)向風(fēng)振 由不穩(wěn)定的空氣動力特性形成的，其中包括旋渦脫落、弛振、顫振、擾振等空氣動力現(xiàn)象。 與結(jié)構(gòu)截面形狀和雷諾數(shù)Re有關(guān),粘性力=粘性應(yīng)力 面積F =（粘性系數(shù) 速度梯度dv/dy）面積F,慣性力=單位面積上的壓力 v2/2 面積F, 橫向風(fēng)振的產(chǎn)生(圓截面柱體結(jié)構(gòu)),沿上風(fēng)面AB速度逐漸增大（v ），B點壓力達(dá)到最小值;,沿下風(fēng)面BC速度逐漸降低（ v ），壓力重新增大。,氣流在BC中間某點S處速度停滯（ v =0），生成旋渦，并在外流的影響下以一定周期脫落（脫落頻率fs）-Karman 渦街,當(dāng)氣流旋渦脫落頻率fs與結(jié)構(gòu)橫向自

13、振頻率接近時，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，即發(fā)生橫向風(fēng)振 。,二、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力和風(fēng)效應(yīng) 1、結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力 PL=L(v2/2)B L -橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān) 跨臨界范圍、亞臨界范圍的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向作用具有周期性，結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)作用力 PL(z,t)= (v2(z)/2)B(z) Lsinst 風(fēng)旋渦脫落圓頻率 s=2fs= 2St v(z)/B(z) P62 (4-68) St-斯脫羅哈數(shù)，對圓形截面結(jié)構(gòu)取0.2,2、結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng),對圓形截面的結(jié)構(gòu),應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同情況進(jìn)行橫向風(fēng)振(旋渦脫落)的校核。, 當(dāng)Re 3.0 105 時（亞臨界的微風(fēng)共振）,應(yīng)控制結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH不超過臨界風(fēng)速vcr，即vHvcr。,(4-70),f1結(jié)構(gòu)基本自振頻率； St斯