防灾减灾工程学 教学 江见鲸 　工程结构的抗风设计.pptx

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1、第第15章工程结构的抗风设计章工程结构的抗风设计15.1风对结构的作用15.2结构上的静力风荷载(基本风压的标准值)15.3顺风向风振及风振系数15.4横风向风振15.5常用结构频率、周期和振型计算15.6高层建筑和高耸结构的抗风设计要求第1页/共54页15.1风对结构的作用风对结构的作用图15-1平均风速v和脉动风速第2页/共54页15.2结构上的静力风荷载结构上的静力风荷载(基本风压的标准值基本风压的标准值)1.风速与风压的关系2.基本风压的确定3.风载标准值第3页/共54页1.风速与风压的关系图15-2风压的产生第4页/共54页1.风速与风压的关系求得风压w与风速v的关系，设气流每点的物

2、理量不变，略去微小的位势差影响，取流线中任一小段dl，如图15-2b所示，设w1为作用于小段左端的压力，则作用于小段右端近压力气幕的压力为w1+dw1。此方程的解为第5页/共54页2.基本风压的确定根据风速，可以求出风压。根据风速，可以求出风压。由于风压在地面附近受到地面物体的阻碍(或称摩擦)，造成风速随离地面高度不同而变化，离地面越近，风速越小。第6页/共54页2.基本风压的确定根据风速，可以求出风压。第7页/共54页2.基本风压的确定根据风速，可以求出风压。第8页/共54页3.风载标准值建筑物所处高度不可能恰好为10m，周围的地形也不一定空旷平坦，因而必须对基本风压进行修正。当计算垂直于建

3、筑物表面上的风荷载标准值时，可按式(15-10)计算(15-10)第9页/共54页3.风载标准值(1)高度修正系数。(2)(2)体型系数(3)风振系数z。第10页/共54页(1)高度修正系数。(1)根据实测结果分析，平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即（15-11）第11页/共54页(1)高度修正系数。表15-1风压高度变化系数第12页/共54页(1)高度修正系数。表15-1风压高度变化系数第13页/共54页(2)体型系数。图15-4坡顶屋面房屋体型系数a)封闭式双坡屋面b)封闭式双跨双坡屋面第14页/共54页(2)体型系数。第15页/共54页(2)体型系数。图15-6圆截面构筑物(

4、包括烟囱、塔桅等)按整体计算时的体型系数第16页/共54页(3)风振系数z。表15-2阵风系数第17页/共54页(3)风振系数z。表15-2阵风系数第18页/共54页15.3顺风向风振及风振系数顺风向风振及风振系数随机振动理论比较复杂，一般由专业计算程序进行。对于一般的悬臂型竖向结构，如框架、塔架、烟囱等，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑，可只考虑第1振型的影响。这时可用风振系数来表达。（15-12）第19页/共54页15.3顺风向风振及风振系数顺风向风振及风振系数1.脉动增大系数这实质上是风的动力作用产生的增大系数，它与风的脉动规律与结构的振动特性有关。2.脉动

5、影响系数这一系数考虑了脉动风压及其相关性的影响，其值按随机振动理论，通过计算机计算确定。3.振型系数结构振型系数应按实际工程由结构动力学计算得出。4.风振振型影响系数z式(15-14)中的z为结构的振型影响系数，理应在结构动力分析时确定，为了简化，在确定风荷载时，可采用近似公式。第20页/共54页1.脉动增大系数这实质上是风的动力作用产生的增大系数，它与风的脉动规律与结构的振动特性有关。如取Davenport建议的风谱密度经验公式，并把响应近似取静态分量及窄带白噪声共振响应分量之和，则可得（15-13）第21页/共54页1.脉动增大系数表15-3脉动增大系数第22页/共54页2.脉动影响系数这

6、一系数考虑了脉动风压及其相关性的影响，其值按随机振动理论，通过计算机计算确定。对于一般常见结构形式，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(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15-4中数值来确定。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律变化时，表15-4中的脉动影响系数应再乘以修正系数B和v。B为构筑物迎风面在z高度处的宽度Bz与底部宽度B0的比值；可按表15-5中数值确定。(2)结构迎风面宽度较大时(如高层建筑等)，应考虑宽度方向风压空间相关性的情况；若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系

7、数可根据总高度H及其与迎风面宽度B的比值。第23页/共54页表15-4脉动影响系数(一)2.脉动影响系数第24页/共54页表15-5修正系数2.脉动影响系数第25页/共54页3.振型系数结构振型系数应按实际工程由结构动力学计算得出。这里仅给出截面沿高度不变的两类结构第1第4的振型系数和截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数的近似值。在一般情况下，对顺风向响应可仅考虑第1振型的影响，对横风向的共振响应，应验算第1第4振型的频率，因此列出相应的前4个振型系数。(1)迎风面宽度远小于其高度的高耸结构，其振型系数见表15-7。(2)迎风面宽度较大的高层建筑，当剪力墙和框架均起主要作用时，其振型系数见

8、表15-8。(3)对截面沿高度规律变化的高耸结构，其第1振型系数可见表15-9。第26页/共54页表15-7高耸结构的振型系数3.振型系数第27页/共54页表15-8高层建筑的振型系数3.振型系数第28页/共54页表15-9高耸结构的第1振型系数3.振型系数第29页/共54页4.风振振型影响系数z式(15-14)中的z为结构的振型影响系数，理应在结构动力分析时确定，为了简化，在确定风荷载时，可采用近似公式。（15-14)对高层建筑，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑，采用下式计算 (15-15)第30页/共54页15.4横风向风振横风向风振(1)雷诺数和斯脱罗哈数。(2)当风速在亚临界或超

9、临界范围内时，即Re3105时，应控制结构顶部风速vH不超过临界风速vcr。(3)当Re3.5106且结构顶部风速大于vcr时，应计算跨临界强风共振引起的风载。第31页/共54页(1)雷诺数和斯脱罗哈数。图15-7旋涡的产生与脱落第32页/共54页(1)雷诺数和斯脱罗哈数。图15-8圆形平面结构与Re的关系第33页/共54页(1)雷诺数和斯脱罗哈数。雷诺通过大量实验，首先给出了惯性力与粘性力之比为参数的动力相似定律，该参数以后被命名为雷诺数(Rey nolds number)。只要雷诺数相同，流体便动力相似，后来发现，雷诺数也是衡量平滑流动的层流(laminar flow)，向混乱无规则的湍流

10、(turbulence)转换的尺度。雷诺数Re的定义为（15-16）第34页/共54页当风速在亚临界或超临界范围内时，即Re3105时，应控制结构顶部风速vH不超过临界风速vcr。雷诺数Re可按下列公式确定（15-21）(2)当风速在亚临界或超临界范围内时第35页/共54页(3)当Re3.5106且结构顶部风速大于vcr时跨临界强风共振引起在z高处振型j的等效风荷载可由下式确定（15-22）表15-10中的H1为临界风速起始点高度，可按下式确定（15-23）核横风向风振时，风的荷载总效应可将横风向风荷载效应SC与顺风向风荷载效应SA按下式组合后确定（15-24）第36页/共54页(3)当Re3

11、.5106且结构顶部风速大于vcr时表15-10计算用表第37页/共54页(3)当Re3.5106且结构顶部风速大于vcr时表15-10计算用表第38页/共54页15.5常用结构频率、周期和振型计算常用结构频率、周期和振型计算1.计算周期的较精确方法分为有限元法和能量法两种。2.实用公式按上面的理论，或根据实测统计，可列出一些常用的结构的实用公式。第39页/共54页1.计算周期的较精确方法(1)有限元法计算。(2)能量法计算。第40页/共54页(1)有限元法计算。第41页/共54页(2)能量法计算。能量法是一个准确的计算方法，但由于计算时需要假定振型，因而实际应用中是近似的方法。但是只要选择假

12、定的振型曲线满足该振型的形状和所有边界条件(一般可取第1振型，其振型可以将质量作为力引起的变形曲线而近似得到)，就可得到很高的精确度。第42页/共54页2.实用公式(1)等截面等惯性矩的立杆，在不同高度处承受n个质量为m1,m2，mi,，mn的重物时(如图15-9所示)，其基本自振周期T1(s)为(2)立杆为k阶阶型截面，承受n个质量为m1，m2，mi，mn的集中重物(如图15-11所示)，其基本自振周期为第43页/共54页图15-92.实用公式第44页/共54页图15-10水箱塔架2.实用公式第45页/共54页(3)烟囱的基本自振周期。图15-11阶形截面杆第46页/共54页2.实用公式(3

13、)烟囱的基本自振周期。第47页/共54页(4)石油化工塔架(如图15-12所示)的基本自振周期4)当若干塔由平台连成一排时，垂直于排列方向的各塔基本自振周期T1可采用主塔(即周期最长的塔)的基本自振周期值；平行于排列方向的各塔基本自振周期T1可采用主塔基本自振周期乘以折减系数0.9。2.实用公式第48页/共54页2)框架基础塔(塔壁厚不大于30mm)：图15-12设备塔架的基础型式a)圆柱基础塔b)圆筒基础塔c)方形(板式)框架基础塔d)环形框架基础塔第49页/共54页(5)高层建筑的基本自振周期2.实用公式第50页/共54页15.6高层建筑和高耸结构的抗风设计要求高层建筑和高耸结构的抗风设计要求表15-11高层建筑结构水平位移限值第51页/共54页15.6高层建筑和高耸结构的抗风设计要求高层建筑和高耸结构的抗风设计要求表15-12高耸结构的水平位移限值第52页/共54页15.6高层建筑和高耸结构的抗风设计要求高层建筑和高耸结构的抗风设计要求表15-13人体振动舒适度控制界限第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页