全套土木工程结构抗风设计.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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
7、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
8、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
9、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
10、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/
11、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
12、/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
13、,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
14、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
15、,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
16、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,
17、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
18、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
19、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
20、。)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
21、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
22、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
23、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198919901991199219931994199519961997
24、1998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
25、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
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