全套土木工程结构抗风设计.pptx

全套土木工程结构抗风设计全套土木工程结构抗风设计第一章第一章 绪论绪论 11 土木工程结构土木工程结构风灾风灾 国国内内外外统统计计资资料料表表明明，在在所所有有自自然然灾灾害害中中，国国内内外外统统计计资资料料表表明明，在在所所有有自自然然灾灾害害中中，风风灾灾造造成成的的损损失失为为各各种种灾灾害害之之首首。例例如如风风灾灾造造成成的的损损失失为为各各种种灾灾害害之之首首。例例如如19991999年年，全全球球发发土土严严重重自自然然灾灾害害共共造造成成年年，全全球球发发土土严严重重自自然然灾灾害害共共造造成成800800亿亿美美元元亿亿美美元元的的经经济济损损失失，其其中中，在在被被保保险险的的损损失失中中，的的经经济济损损失失，其其中中，在在被被保保险险的的损损失失中中，飓风造成的损失占飓风造成的损失占飓风造成的损失占飓风造成的损失占7070。第1页/共240页20032003年年0808月月0303日雷暴雨中突如其来的旋风，把上海大剧日雷暴雨中突如其来的旋风，把上海大剧院的屋顶掀去了一大块院的屋顶掀去了一大块 第2页/共240页广告牌轰然倒地广告牌轰然倒地 第3页/共240页加油站屋盖破坏加油站屋盖破坏加油站屋盖破坏加油站屋盖破坏第4页/共240页体台场主看台屋盖覆面结构损坏体台场主看台屋盖覆面结构损坏 第5页/共240页塔科马悬索桥的扭转振动塔科马悬索桥的扭转振动塔科马悬索桥的扭转振动塔科马悬索桥的扭转振动 第6页/共240页1.2 1.2 1.2 1.2 风的特性风的特性风的特性风的特性 风可以有风可以有风可以有风可以有定的倾角，它相对于水平定的倾角，它相对于水平定的倾角，它相对于水平定的倾角，它相对于水平般可般可般可般可在在在在+10+10到到到到-10-10内变化。内变化。内变化。内变化。不同的季节和时日，可以有不同的风向不同的季节和时日，可以有不同的风向不同的季节和时日，可以有不同的风向不同的季节和时日，可以有不同的风向随机性随机性随机性随机性 风与结构的耦合风与结构的耦合风与结构的耦合风与结构的耦合实测风速时程曲线实测风速时程曲线第7页/共240页风强度的表示方法风强度的表示方法风强度的表示方法风强度的表示方法(1)(1)蒲福风速表蒲福风速表蒲福风速表蒲福风速表 英国人蒲福英国人蒲福英国人蒲福英国人蒲福(F(FBeaufort)Beaufort)于于于于 l 805l 805年拟定了风级，根据风对地面年拟定了风级，根据风对地面年拟定了风级，根据风对地面年拟定了风级，根据风对地面(或海面或海面或海面或海面)物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。物体影响程度而定出的，称为蒲氏风级。自自自自0 0至至至至1717共分共分共分共分1818个等级个等级个等级个等级 台风台风台风台风热带气旋热带气旋热带气旋热带气旋最大平均风力最大平均风力最大平均风力最大平均风力1212级或以上级或以上级或以上级或以上 第8页/共240页(2)福基达龙卷风风力等级表福基达龙卷风风力等级表 龙卷风龙卷风范围小而时间短的范围小而时间短的强烈旋风，切向速度达强烈旋风，切向速度达100m/s。美国芝加哥大学福基达美国芝加哥大学福基达(TTFujita)教授曾于教授曾于1970年提出年提出龙卷风按最大风速划分为龙卷风按最大风速划分为7个等个等级级.规范中未考虑。规范中未考虑。第9页/共240页风速风压关系风速风压关系 对工程结构设计计算来说，风力作用的大小直接以风压来表示。对工程结构设计计算来说，风力作用的大小直接以风压来表示。对工程结构设计计算来说，风力作用的大小直接以风压来表示。对工程结构设计计算来说，风力作用的大小直接以风压来表示。第10页/共240页 1.3 风对结构物的作用风对结构物的作用 一、风作用的类型一、风作用的类型 (1)(1)(1)(1)顺风向力顺风向力顺风向力顺风向力由与风向一致的风力作用由与风向一致的风力作用由与风向一致的风力作用由与风向一致的风力作用 (2)(2)(2)(2)横风向力横风向力横风向力横风向力结构物背后的旋涡引起结构物的横风向结构物背后的旋涡引起结构物的横风向结构物背后的旋涡引起结构物的横风向结构物背后的旋涡引起结构物的横风向(与风向垂直与风向垂直与风向垂直与风向垂直)力力力力 (3)(3)(3)(3)风力扭矩风力扭矩风力扭矩风力扭矩由横风向力、顺风向力引起由横风向力、顺风向力引起由横风向力、顺风向力引起由横风向力、顺风向力引起第11页/共240页二、风作用效应二、风作用效应二、风作用效应二、风作用效应(1)(1)(1)(1)使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；(2)(2)(2)(2)使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外装修材料的损坏；外装修材料的损坏；外装修材料的损坏；外装修材料的损坏；(3)(3)(3)(3)由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；(4)(4)(4)(4)气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力；动力；动力；动力；(5)(5)(5)(5)由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。不舒适感。不舒适感。不舒适感。第12页/共240页三、效应分析方法三、效应分析方法顺风向平均风顺风向平均风静力计算静力计算顺风向脉动风顺风向脉动风随机振动理论计算随机振动理论计算横风向周期性风横风向周期性风按确定性荷载进行动按确定性荷载进行动力计算力计算第13页/共240页四、抗风设计要求四、抗风设计要求四、抗风设计要求四、抗风设计要求强度设计要求强度设计要求强度设计要求强度设计要求刚度设计要求刚度设计要求刚度设计要求刚度设计要求舒适度设计要求舒适度设计要求舒适度设计要求舒适度设计要求局部构件的合理设计局部构件的合理设计局部构件的合理设计局部构件的合理设计外墙、玻璃、女儿墙等外墙、玻璃、女儿墙等外墙、玻璃、女儿墙等外墙、玻璃、女儿墙等疲劳设计要求疲劳设计要求疲劳设计要求疲劳设计要求高周疲劳高周疲劳高周疲劳高周疲劳第14页/共240页表表1-1 高层建筑顶部水平位移与结构高之比高层建筑顶部水平位移与结构高之比/H/H结构类型钢筋混凝土结构钢结构框架轻质隔墙1/5001/4001/800砌体填充墙1/650框架剪力墙一般装修标准1/800较高装修标准1/900筒体及筒中筒一般装修标准1/900较高装修标准1/1000剪力墙一般装修标准1/1000较高装修标准1/1200框架轻质隔墙1/4501/4001/600砌体填充墙1/500框架剪力墙一般装修标准1/700较高装修标准1/800筒体及筒中筒一般装修标准1/800较高装修标准1/900剪力墙一般装修标准1/900较高装修标准1/1100第15页/共240页表表表表1-2 1-2 1-2 1-2 人体振动舒适度控制界限人体振动舒适度控制界限人体振动舒适度控制界限人体振动舒适度控制界限程度使人烦恼非常烦恼无法忍受界限a15gal50gal150gal注：其中 1gal=1/100m/s2第16页/共240页第二章第二章 结构上的结构上的静力风静力风在一定的时间间隔内，各位置上风速的平均值在一定的时间间隔内，各位置上风速的平均值在一定的时间间隔内，各位置上风速的平均值在一定的时间间隔内，各位置上风速的平均值几乎是不变的，但随高度增加而增大，这就是几乎是不变的，但随高度增加而增大，这就是几乎是不变的，但随高度增加而增大，这就是几乎是不变的，但随高度增加而增大，这就是平均风，又被称为稳定风，其周期大小约在平均风，又被称为稳定风，其周期大小约在平均风，又被称为稳定风，其周期大小约在平均风，又被称为稳定风，其周期大小约在10101010分钟以上，远离一般结构物的自振周期，分钟以上，远离一般结构物的自振周期，分钟以上，远离一般结构物的自振周期，分钟以上，远离一般结构物的自振周期，第17页/共240页第18页/共240页2.1 基本风速和基本风压基本风速和基本风压 对于某一规定高度处，并在一定条件下记录的数据进行统计分析进而得到的对于某一规定高度处，并在一定条件下记录的数据进行统计分析进而得到的对于某一规定高度处，并在一定条件下记录的数据进行统计分析进而得到的对于某一规定高度处，并在一定条件下记录的数据进行统计分析进而得到的该地最大平均风速，这就是基本风速。该地最大平均风速，这就是基本风速。该地最大平均风速，这就是基本风速。该地最大平均风速，这就是基本风速。标准条件标准条件标准条件标准条件 标准高度标准高度标准高度标准高度1010米高米高 标准的地面粗糙度类别标准的地面粗糙度类别标准的地面粗糙度类别标准的地面粗糙度类别空旷平坦地面，空旷平坦地面，空旷平坦地面，空旷平坦地面，重现期重现期重现期重现期 平均风概率分布类型平均风概率分布类型平均风概率分布类型平均风概率分布类型 平均风时距平均风时距平均风时距平均风时距 .第19页/共240页重现期重现期 在长期的气象观察中发现，大于该值的极大风速并不是经常出现，而需间隔一定的时期后再出现，这个间隔时期，称为重现期。重现期不同，设计风速也不同。因而重现期是在概率意义上体现了结构的安全度，在长期的气象观察中发现，大于该值的极大风速并不是经常出现，而需间隔一定的时期后再出现，这个间隔时期，称为重现期。重现期不同，设计风速也不同。因而重现期是在概率意义上体现了结构的安全度，重现期为重现期为T0的基本风速，则在任一年中只超越该风速一次的概率为的基本风速，则在任一年中只超越该风速一次的概率为1/T0，不超过设计最大风速的概率或保证率应为：，不超过设计最大风速的概率或保证率应为：第20页/共240页平均风概率分布类型平均风概率分布类型 我国荷载规范也规定：基本我国荷载规范也规定：基本风速采用极值风速采用极值型的概率分布型的概率分布函数。函数。根据概率论 由风速资料 可求得参数 和 第21页/共240页对应于极值对应于极值I I型分布的设计最大风速，即基本风速型分布的设计最大风速，即基本风速 另外对应于极值另外对应于极值I I型分布的设计最大风速也可表示为型分布的设计最大风速也可表示为从而，保证率和保证系数的关系式如下：第22页/共240页平均风时距标准平均风时距标准平均风时距标准平均风时距标准一般而言，时距越长，平均风速也越小一般而言，时距越长，平均风速也越小。我国规范就规定以我国规范就规定以10分钟为取值标准。分钟为取值标准。第23页/共240页原因：原因：原因：原因：对于整体建筑物而言，一般质量比较大，因而它的阻对于整体建筑物而言，一般质量比较大，因而它的阻对于整体建筑物而言，一般质量比较大，因而它的阻对于整体建筑物而言，一般质量比较大，因而它的阻力也较大，故风压对于建筑物产生不利的影响，历时力也较大，故风压对于建筑物产生不利的影响，历时力也较大，故风压对于建筑物产生不利的影响，历时力也较大，故风压对于建筑物产生不利的影响，历时就需要长些，才能反映出动力性能，因此不能取较短就需要长些，才能反映出动力性能，因此不能取较短就需要长些，才能反映出动力性能，因此不能取较短就需要长些，才能反映出动力性能，因此不能取较短时距甚至于瞬时极大风速作为标准。时距甚至于瞬时极大风速作为标准。时距甚至于瞬时极大风速作为标准。时距甚至于瞬时极大风速作为标准。一般建筑物总有一定的侧向长度，而最大瞬时风速不一般建筑物总有一定的侧向长度，而最大瞬时风速不一般建筑物总有一定的侧向长度，而最大瞬时风速不一般建筑物总有一定的侧向长度，而最大瞬时风速不可能同时作用在全部长度上。可能同时作用在全部长度上。可能同时作用在全部长度上。可能同时作用在全部长度上。1010分钟至分钟至分钟至分钟至1 1小时的平均风速基本上是一个稳定值，太小时的平均风速基本上是一个稳定值，太小时的平均风速基本上是一个稳定值，太小时的平均风速基本上是一个稳定值，太短了，则易突出峰值的作用，包括了脉动的最大部分，短了，则易突出峰值的作用，包括了脉动的最大部分，短了，则易突出峰值的作用，包括了脉动的最大部分，短了，则易突出峰值的作用，包括了脉动的最大部分，风速值也不稳定，真实性较差；若取的过长，则风速风速值也不稳定，真实性较差；若取的过长，则风速风速值也不稳定，真实性较差；若取的过长，则风速风速值也不稳定，真实性较差；若取的过长，则风速的变化将大大平滑。的变化将大大平滑。的变化将大大平滑。的变化将大大平滑。第24页/共240页最大风速的样本最大风速的样本最大风速的样本最大风速的样本采用年最大风速作为统计样本原因采用年最大风速作为统计样本原因采用年最大风速作为统计样本原因采用年最大风速作为统计样本原因 ：（1 1）一年之中，只有一次风速是最大的，它应在统计场中占有重要地位。）一年之中，只有一次风速是最大的，它应在统计场中占有重要地位。）一年之中，只有一次风速是最大的，它应在统计场中占有重要地位。）一年之中，只有一次风速是最大的，它应在统计场中占有重要地位。（2 2）对于建筑物，应该承受任何日期、任何月份的极大风速，因此应该考虑年）对于建筑物，应该承受任何日期、任何月份的极大风速，因此应该考虑年）对于建筑物，应该承受任何日期、任何月份的极大风速，因此应该考虑年）对于建筑物，应该承受任何日期、任何月份的极大风速，因此应该考虑年最大风速。最大风速。最大风速。最大风速。（3 3）最大风速还有它的自然周期，每年重复一次。如果取几年中一个极值，就）最大风速还有它的自然周期，每年重复一次。如果取几年中一个极值，就）最大风速还有它的自然周期，每年重复一次。如果取几年中一个极值，就）最大风速还有它的自然周期，每年重复一次。如果取几年中一个极值，就不能反映这种最大风速的自然出现周期。不能反映这种最大风速的自然出现周期。不能反映这种最大风速的自然出现周期。不能反映这种最大风速的自然出现周期。第25页/共240页基本风压定义基本风压定义基本风压定义基本风压定义 当地空旷平坦地面上当地空旷平坦地面上当地空旷平坦地面上当地空旷平坦地面上10m10m高度处高度处高度处高度处10min10min平均的风速观察数据，经概平均的风速观察数据，经概平均的风速观察数据，经概平均的风速观察数据，经概率统计得出率统计得出率统计得出率统计得出5050年一遇最大值确定的风速，相应的风压。年一遇最大值确定的风速，相应的风压。年一遇最大值确定的风速，相应的风压。年一遇最大值确定的风速，相应的风压。当城市或建设地点的基本风压无法确定时，可根据当地年最大风速当城市或建设地点的基本风压无法确定时，可根据当地年最大风速当城市或建设地点的基本风压无法确定时，可根据当地年最大风速当城市或建设地点的基本风压无法确定时，可根据当地年最大风速资料，通过统计分析确定基本风压值。所选取的年最大风速数据，资料，通过统计分析确定基本风压值。所选取的年最大风速数据，资料，通过统计分析确定基本风压值。所选取的年最大风速数据，资料，通过统计分析确定基本风压值。所选取的年最大风速数据，一般应有一般应有一般应有一般应有3030年以上的资料。年以上的资料。年以上的资料。年以上的资料。第26页/共240页例例例例 根据某沿海城市根据某沿海城市根据某沿海城市根据某沿海城市1989198919981998年年年年1010年的记录，用年最年的记录，用年最年的记录，用年最年的记录，用年最大平均风速计算基本风压。大平均风速计算基本风压。大平均风速计算基本风压。大平均风速计算基本风压。1989198919981998年年最大年年最大年年最大年年最大平均风速数据见表平均风速数据见表平均风速数据见表平均风速数据见表.年份1989199019911992199319941995199619971998年最大风速（m/s）15.022.715.314.012.317.018.316.319.014.0解：解：平均值、根方差：平均值、根方差：第27页/共240页非标准情况的换算关系非标准情况的换算关系非标准情况的换算关系非标准情况的换算关系(1)(1)高度换算高度换算高度换算高度换算 l l平均风速梯度平均风速梯度平均风速梯度平均风速梯度(风剖面风剖面风剖面风剖面)平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也常称为风剖面常称为风剖面常称为风剖面常称为风剖面l l梯度风高度梯度风高度梯度风高度梯度风高度(大气边界层高度大气边界层高度大气边界层高度大气边界层高度)离地约离地约离地约离地约300300500500米以上的地方，可以忽略地面粗糙度的米以上的地方，可以忽略地面粗糙度的米以上的地方，可以忽略地面粗糙度的米以上的地方，可以忽略地面粗糙度的影响，气流能够以梯度风速自由流动，出现这种速度的影响，气流能够以梯度风速自由流动，出现这种速度的影响，气流能够以梯度风速自由流动，出现这种速度的影响，气流能够以梯度风速自由流动，出现这种速度的高度叫梯度风高度或大气边界层高度（边界层厚度）。高度叫梯度风高度或大气边界层高度（边界层厚度）。高度叫梯度风高度或大气边界层高度（边界层厚度）。高度叫梯度风高度或大气边界层高度（边界层厚度）。第28页/共240页指数函数来描述平均风速沿高度变化的规律指数函数来描述平均风速沿高度变化的规律指数函数来描述平均风速沿高度变化的规律指数函数来描述平均风速沿高度变化的规律 为地面的粗糙度系数。为地面的粗糙度系数。为地面的粗糙度系数。为地面的粗糙度系数。a米高风压：米高风压：第29页/共240页(2)(2)地貌换算地貌换算我国荷载规范将地貌分成四类我国荷载规范将地貌分成四类我国荷载规范将地貌分成四类我国荷载规范将地貌分成四类 粗糙度类别描 述A近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区300012B田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区350016C有密集建筑群的城市市区400022D有密集建筑群的且房屋较高的城市市区450030地貌的近似确定有下述原则：地貌的近似确定有下述原则：(1)以拟建房屋为中心，以拟建房屋为中心，2km为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密度来区分类别，风向可以该地区的主导风向为准。为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密度来区分类别，风向可以该地区的主导风向为准。(2)以半圆影响范围内建筑物平均高度来划分类别，当以半圆影响范围内建筑物平均高度来划分类别，当H9m为为B类，类，9mH18m 为为C类，类，H18m为为D类。类。第30页/共240页非标准地貌的换算非标准地貌的换算非标准地貌的换算非标准地貌的换算 不同的地貌，有不同的梯度风高度，在梯度风不同的地貌，有不同的梯度风高度，在梯度风不同的地貌，有不同的梯度风高度，在梯度风不同的地貌，有不同的梯度风高度，在梯度风高度以上，由于不受地表影响，不同地貌的高度以上，由于不受地表影响，不同地貌的高度以上，由于不受地表影响，不同地貌的高度以上，由于不受地表影响，不同地貌的梯度风速度均相等。梯度风速度均相等。梯度风速度均相等。梯度风速度均相等。10m 10m高风压换算值：高风压换算值：高风压换算值：高风压换算值：ZG梯度风高度梯度风高度第31页/共240页（3 3）时距换算）时距换算）时距换算）时距换算 根据国内外学者所得到的各种不同时距间平均风根据国内外学者所得到的各种不同时距间平均风根据国内外学者所得到的各种不同时距间平均风根据国内外学者所得到的各种不同时距间平均风速的比值，统计所得的比值如表速的比值，统计所得的比值如表速的比值，统计所得的比值如表速的比值，统计所得的比值如表 时距1h10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时比值0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50第32页/共240页（4 4）不同重现期的换算）不同重现期的换算）不同重现期的换算）不同重现期的换算 重现期不同，保证率也就不同重现期不同，保证率也就不同重现期不同，保证率也就不同重现期不同，保证率也就不同 日本以重现期为日本以重现期为日本以重现期为日本以重现期为100100年的风速为基准，换算表达年的风速为基准，换算表达年的风速为基准，换算表达年的风速为基准，换算表达式如下：式如下：式如下：式如下：欧洲钢结构协会规定的换算系数是以重现期为欧洲钢结构协会规定的换算系数是以重现期为50年的风速为基准，换算表达式如下：年的风速为基准，换算表达式如下：我国以重现期为我国以重现期为50年的风速为基准，换算表达式如下年的风速为基准，换算表达式如下：第33页/共240页2.2 结构上的静力风荷载结构上的静力风荷载 1 1、风荷载体型系数、风荷载体型系数、风荷载体型系数、风荷载体型系数 各测点获得的面上的各测点获得的面上的各测点获得的面上的各测点获得的面上的风压分布都不是均匀风压分布都不是均匀风压分布都不是均匀风压分布都不是均匀的。实际工程中，一的。实际工程中，一的。实际工程中，一的。实际工程中，一般采用面上的平均风般采用面上的平均风般采用面上的平均风般采用面上的平均风压系数压系数压系数压系数 。第34页/共240页第35页/共240页陆家嘴金融贸易区风洞试验陆家嘴金融贸易区风洞试验第36页/共240页2 2 2 2、风洞试验、风洞试验、风洞试验、风洞试验（1 1）风洞类别）风洞类别）风洞类别）风洞类别 按实验段气流的马赫数按实验段气流的马赫数按实验段气流的马赫数按实验段气流的马赫数Ma(Ma(风速风速风速风速v/v/音速音速音速音速a)a)l l低速风洞低速风洞低速风洞低速风洞Ma0.4Ma1,e1来区别不同的外型第118页/共240页第119页/共240页用等截面的 值来表示第120页/共240页第121页/共240页三、顺风向风力作用下的总弯曲响 应风振系数如果采用风振系数来计算，则第122页/共240页式中 在几何意义上，此值为高度z处迎风面宽度与底部宽度的比值第123页/共240页6.4 6.4 高耸结构横风向共振响应高耸结构横风向共振响应 由于高耸结构种类繁多，工程上只对一些简单且在实践中易受风破坏的结构进行分析并作计算上的简化。我国新订的高耸结构设计规范作了以下的筒化：（1）只针对圆形截面高耸结构，如烟囱等。（2）只验算跨临界范围，非跨临界范围不需验算，只通过构造措施解决。第124页/共240页（3）只考虑等截面圆柱结构，非等截面圆锥体结构当斜率在2%以下时取2/3高度外径为准而化为等截面圆柱结构处理。（4）共振风振理论上是从H1到H2有荷裁，考虑到H1以下振型很小，如改为0影响不大，而H2一般都超过H值，当小于H时，取H则偏于安全，因此将横向共振的风力分布改为全长分布，且不考虑临界风速沿高度的变化（5）对于悬臂型结构，只考虑第l振型的影响，多层拉绳桅杆，根据情况可考虑的振型数不大于4第125页/共240页由以上各项简化，临界风速变成第j振型的最大位移为：第126页/共240页所以，有 对于第l振型，上式积分部分积分值为1.56，如近似取1.6，则上式变成第127页/共240页最大风振力为：对于第l振型，上式变成高耸结构设计规范建议取第128页/共240页第七章第七章 大跨屋盖结构抗风设计大跨屋盖结构抗风设计 主要主要讨论大跨屋盖结构风荷讨论大跨屋盖结构风荷载的计算，包括水平风力和竖载的计算，包括水平风力和竖向风力的计算等。向风力的计算等。第129页/共240页7.1 7.1 概述概述 随着现代建筑材料和施工技术的发展，以及人们对使用空间要求的日益提高，大跨度屋盖结构不断涌现，并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心、展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻、柔度大、自振频率低、阻尼小等特点，因而风荷载成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域，再加上屋顶形状往往不规则，其绕流和空气动力作用十分复杂，所以这种大跨屋面结构对风荷载十分敏感，尤其是风的动态响应。第130页/共240页 1989年9月，美国加利福尼亚州遭受Hugo飓风袭击，实地调查结果表明，49的建筑物仅有屋面受损，损害的情形各异，有局部的屋面覆盖物或屋面桁架被吹走或破坏，甚至整个屋面结构被吹走。从破坏部位来看，大多数屋面风致破坏发生在屋面转角、边缘和屋脊等部位。河南省体育馆在9级风作用下，体育中心东罩棚中间位置最高处铝板和固定槽钢被风撕裂并吹落，三副30m2的大型采光窗被整体吹落，雨棚吊顶被吹坏。2003年8月2日下午，雷暴雨中突如其来的旋风，居然把上海大剧院的屋顶掀去了一大块。剧院东侧顶部中间的一大块钢板屋顶被卷起，移动了约20m左右，又砸在剧院顶部中间的高平台上。屋顶东侧中部已露出了一个约250m2的大“窟窿”。卷起的这一大块钢板屋顶，被旋风撕裂成两段，被揉成如同皱褶不堪的纸团，20多名工作人员合力都难以搬动；3cm宽的避雷钢带，被卷成了麻花形；顶楼平台上直径达10cm粗的不锈钢防护栏，也有10多米被旋风扭曲。第131页/共240页7.2 7.2 屋盖结构自振周期屋盖结构自振周期 随着现代建筑材料和施工技术的发展，以及人们对使用空间要求的日益提高，大跨度屋盖结构不断涌现，并广泛应用于候机厅、体育馆、会展中心、展览馆等公共建筑。大跨度屋盖结构具有质量轻、柔度大、自振频率低、阻尼小等特点，因而风荷载成为控制屋盖结构设计的主要荷载。而且这类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域，再加上屋顶形状往往不规则，其绕流和空气动力作用十分复杂，所以这种大跨屋面结构对风荷载十分敏感，尤其是风的动态响应。第132页/共240页在平面上规则布置的屋盖结构中，只有一些典型结构有准确解答。在此仅简单介绍矩形弹性薄板的计算。弹性薄板是厚度比平面尺寸小得多的弹性体。弹性薄板弯曲的Kirchhoff假设是：a.板振动时的挠度比其厚度要小的多，中面（平面与中面重合）为中性面，中面上无应变。b.垂直于中面的法线在板弯曲变形后仍然是一根直线，并垂直于挠曲后的中性面，即忽略剪切变形，称之为直法线假设。c.板弯曲变形时，板的厚度变化可忽略不计，即 。d.板的惯性主要由平动的质量提供，忽略由于弯曲而产生的转动惯量。一.解析法第133页/共240页 设板厚为 ，材料密度 ，弹性模量 ，泊松比 。在笛卡儿坐标下，等厚度各向同性弹性薄板振动基本方程为为直角坐标系中的二重Laplace 算子。为单位面积上的动力荷载；为板的抗弯刚度；第134页/共240页二.能量法 由于大跨屋盖结构往往比较复杂，用解析法其自振频率十分困难，只能通过近似方法来分析其振动特性和动响应。近似方法的理论基础是能量法。能量法以能量守恒定律为依据，任一时刻总能量为一常数。三.有限元法第135页/共240页7.3 7.3 屋盖结构的风振响应屋盖结构的风振响应 目前，屋盖结构的风荷载研究主要采用风洞实验、灾后调查、全尺寸实测以及计算机仿真数值模拟分析等手段。研究内容主要包括屋盖结构形式的改进、风荷载的影响因素以及计算理论和屋盖抗风减振措施等。第136页/共240页 对于高层结构风载设计中的风振系数，我国规范采用简便的近似计算方法，而在大跨度屋盖中由于结构形式的多样性和分析的复杂性，我国规范在这一方面还是空白，也是当前风工程的研究热点之一。通常对于大跨度屋盖结构风振响应分析和风振系数的求解方法有四种。（1）频域法。由通用的风速谱，通常是Davenport 谱基于准定常假设而推得风压谱、力谱，然后通过动力传递系数得到结构的动力反应谱，由随即理论可以通过反应谱的积分得到结构的动力响应。这种方法计算简单、方便。（2）修正频域法。由于准定常假设在大跨度屋盖结构中不成立，因此可以采用风洞试验中测得的风压时程通过傅立叶变换直接转化为风压谱，进而运用谱分析法计算屋盖响应分析。这种方法计算简单、方便，但是它对测点的布置有一定的要求且不能计算结构的非线性。第137页/共240页（3）时程分析法。即直接运用风洞试验测得的风压时程作用于屋盖结构而进行风振响应时程分析。首先建立屋盖结构的有限元模型，然后通过动力计算得到结构的动力响应，统计结构动力响应从而算得结构的风振系数。这种方法思路简单，计算复杂而且耗时较多，但精度高，可靠性好，适用性强，可以计算结构非线性。（4）模态力法。这种方法的优点是计算简便，缺点是不能考虑结构的非线性。第138页/共240页 风作用下，各种屋盖结构都受到了很大的吸力。在某些情况下屋盖出现压力，但大部分地区却出现的是吸力，而且吸力不论是范围或数值都比压力大，吸力占据主要的地位。与单独的悬臂型结构如烟囱等不同，屋盖结构上屋盖部分占据了大片面积，从而使得风引起的响应主要是垂直于屋盖表面的。如果屋盖坡度很平坦，则响应主要是竖向的。文献指出，没有一个屋盖结构的试验发生过空气动力失稳现象，因此空气动力失稳可以不予考虑。第139页/共240页 这里特别要指出的，风作用的方向可以是任意的。在阵风作用下，既有大量的水平分量的风力，也有小量竖向方向的风力。风水平分量远大于竖向分量。对于像高层建筑、高耸结构、桅杆等，水平分量起着决定作用，竖直分量的风只影响悬臂型结构的竖向轴力，对结构不起什么大的影响。对于像桥梁、架空管道、输电线等结构，横风向即坚向振动也不是主要的，且不会引起跨临界范围涡流脱落共振，因而也不是一个主要的作用成分。但是对于有广大屋盖面积的屋盖结构来说，情形就大不相同。即使在水平风力下，屋盖结构的响应也是垂直于屋盖，接近于竖向。因此在竖向风力作用下，将增大上述水平风力引起的响应，这样就不能不引起我们的注意。在风力作用下，既需考虑水平风力分量，又需考虑风力坚向分量，是屋盖结构抗风计算的特点，屋盖结构考虑风力作用时，必须把这两项作用的特性考虑在内。第140页/共240页一、水平风力一、水平风力 在水平风力作用下，屋顶结构大部分区域上为吸力，因而响应一般应是向上的。风力分为平均风和脉动风，其综合的风荷载在屋顶处为式中,第141页/共240页 脉动增大系数 与前面所述完全相同。振型系数 由于结构不再是一根直杆形式，因而可有法向位移分量和切向位移分量等。但是在大部分屋顶结构中，法向位移分量占据主要的地位。影响系数可视结构的不同而不同，应当注意的，在 中分子为脉动风对振型所作的功，由于风力是垂直于表面的，因而振型响应是法向位移分量。例如框架屋盖结构 第142页/共240页 上式与悬臂型高耸、高层结构不同的点是，上式分子 中 是振型函数在法向即脉动风作用方向的分位移。只有忽略各向位移的基础上，上式才与高耸、高层结构的形式相同。另一不同点是风压空间相关性要考虑三个方向，采用近似拆开法式中 高度方向风压空间相关性折算系数，由于 屋盖部分高度变化很小，取 ；、水平 方向和 方向风压空间相关性折 算系数。第143页/共240页二、竖向风力二、竖向风力工程上只考虑 之间风的竖向分力作用。（1）平均风力其大小可按水平风力乘以 而得到，即式中竖向风力下体型系数应由风洞试验给出，对较平坦屋盖可取1。第144页/共240页（2）脉动风下等效风力式中，竖向风力脉动增大系数，由于竖向风谱常采用H.A.Panofsky 实测统计风谱，其式为由上式可知，除了与水平脉动增大系数 一样与阻尼比 及 有关以外，还增加了与高度 的位置的关系。第145页/共240页三、水平和竖向风力的总响应水平和竖向风力的总响应 如果可以忽略切向位移而只考虑法向位移的影响，此时风振力的方向与垂直于表面积的风力相同，因而也可采用风振系数进行计算。水平平均风力乘以水平风振系数 就等于整个水平风的作用，竖向平均风力乘以竖向风振系数 就等同于整个竖向风力的作用。总响应为两者作用的叠加。亦即总风力为有了总风力，其内力计算按结构力学方法即可求得 第146页/共240页第八章第八章 桥梁抗风设计桥梁抗风设计 本章主要介绍桥梁动力特性、作用于桥梁上的风荷载的计算及桥梁动力失稳判断等内容。此处的桥梁动力特性主要涉及桥梁的自振周期及频率，本章介绍了如何用结构动力学方法和一些经验公式进行计算。风荷载计算在基准风压基础上考虑了重现期、结构体型、地形、地理条件等因素的影响。桥梁动力失稳包括颤振失稳和驰振失稳，本章介绍失稳机理及如何用运动方程和经验公式来判断桥梁是否可能发生动力失稳。第147页/共240页8.1 8.1 8.1 8.1 相关的基本概念相关的基本概念相关的基本概念相关的基本概念桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的一些术语介绍如下：基本风速基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年最大风速。设计风荷载设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载。跨度较小、刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的动力风荷载作用。第148页/共240页风的攻角风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高风速时的平均攻角约在3之间。阵风系数阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风荷载时应采用时距为13s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系数乘以设计基准风速求得。静力扭转发散静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现一种不稳定的扭转发散现象。静力横向屈曲静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。第149页/共240页颤振颤振：是一种危险性自激发散振动，当其达到临界风速时，振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量从而使振幅逐步增大直至最后使结构破坏。驰振驰振：对于非圆形的边长比在一定范围内的类似矩形断面的钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能够从风流中不断吸取能量，当达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻尼所消耗的能量，形成一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动。涡激共振涡激共振：风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构时都有可能发生旋涡的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当旋涡脱落频率接近或等于结构的自振频率时，将由此激发出结构的共振。抖振抖振：大气中的紊流成分所激起的强迫振动，也称为紊流风响应。抖振是一种限幅振动，由于它发生频度高，可能会引起结构的疲劳。过大的抖振振幅会引起人感不适，甚至危及桥上高速行车的安全。(8-2)第150页/共240页静力三分试验：静力三分试验：采用主梁或桥塔的刚性节段模型，在风洞中测定平均风绕流的静作用力的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩。无量纲的三分力系数和攻角的关系曲线反映出断面的基本气动性能，是分析桥梁各种风致振动和静力稳定的重要参数。节段模型试验：节段模型试验：将主梁的代表性做成刚性模型，用弹簧悬挂在支架上形成一个有竖向平动、转动（及侧向）自由度的振动模型，在风洞中测定风的动力作用。满足相似