女 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY owy 第三章.风荷载 §3-1风的相关知识 §3-2风压 §3-3风压高度变化系数 §3-4风荷载体型系数 §3-5结构抗风计算的几个重要概念 §3-6顺风向结构风效应 §3-7横风向结构风效应 §3-8结构总风效应
2 第三章.风荷载 §3-1 风的相关知识 §3-2 风压 §3-3 风压高度变化系数 §3-4 风荷载体型系数 §3-5 结构抗风计算的几个重要概念 §3-6 顺风向结构风效应 §3-7 横风向结构风效应 §3-8 结构总风效应
§3.1风的相关知识 一、风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升 温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地 方向气压小的地方流动就形成了风。 由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差 异，赤道和低纬度地区受热量较多，而极地和高纬度地区受热量较少。在 受热量较多的赤道附近地区，气温高，空气密度小，则气压小，大气因加 热膨胀由表面向高空上升。受热量较少的极地附近地区，气温低，空气密 度大，则气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉。因此，在低空受指 向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯 度指向高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图3.1所示 的全球性南北向环流。 北极 图3.1大气热力学环流模型 赤道
3 §3.1 风的相关知识 一、风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升 温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地 方向气压小的地方流动就形成了风。 由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差 异，赤道和低纬度地区受热量较多，而极地和高纬度地区受热量较少。在 受热量较多的赤道附近地区，气温高，空气密度小，则气压小，大气因加 热膨胀由表面向高空上升。受热量较少的极地附近地区，气温低，空气密 度大，则气压大，大气因冷却收缩由高空向地表下沉。因此，在低空受指 向低纬气压梯度力的作用，空气从高纬地区流向低纬地区；在高空气压梯 度指向高纬，空气则从低纬流向高纬地区，这样就形成了如图 3.1 所示 的全球性南北向环流。 图3.1 大气热力学环流模型
§3.1风的相关知识 二、两类性质的大风 1.台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空， 若有一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流 产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋 内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加 热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下 降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水 汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直 至增强为台风。 2.季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围 的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地 球表面性不同，热力反映有所差异引起的
4 §3.1 风的相关知识 二、两类性质的大风 1. 台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在一个高水温的暖热带洋面上空， 若有一个弱的热带气旋性系统产生或移来，在合适的环境下，因摩擦作用使气流 产生向弱涡旋内部流动的分量，把高温洋面上蒸发进入大气的大量水汽带到涡旋 内部，把高温高湿空气辐合到弱涡旋中心，产生上升和对流运动，释放潜热以加 热涡旋中心上空的气柱，形成暖心。由于涡旋中心变暖，空气变轻，中心气压下 降，低涡变强。当低涡变强，反过来又使低空暖湿空气向内辐合更强，更多的水 汽向中心集中，对流更旺盛，中心变得更暖，中心气压更为下降，如此循环，直 至增强为台风。 2. 季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围 的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地 球表面性质不同，热力反映有所差异引起的
§3.1风的相关知识 三、我国风气候总况 (1)台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是我 国最大的风区。 (2)东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿 海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在 离海岸100km处，风速约减小一半。 (3)东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与寒 潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。黑龙 江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里的风速 不大。 (4)青藏高原地势高，平均海拔在4~5km,属较大风区。 (5)长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒潮 风到此也是强弩之末。 (6)云高順处于东亚大气环流的死角，空气经常处于静止状态，加之地 形闭塞，形成了我国的 a区o
5 §3.1 风的相关知识 三、我国风气候总况 (1) 台湾、海南和南海诸岛由于地处海洋，常年受台风的直接影响，是我 国最大的风区。 (2) 东南沿海地区由于受台风影响，是我国大陆的大风区。风速梯度由沿 海指向内陆。台风登陆后，受地面摩擦的影响，风速削弱很快。统计表明，在 离海岸100km处，风速约减小一半。 (3) 东北、华北和西北地区是我国的次大风区，风速梯度由北向南，与寒 潮入侵路线一致。华北地区夏季受季风影响，风速有可能超过寒潮风速。黑龙 江西北部处于我国纬度最北地区，它不在蒙古高压的正前方，因此那里的风速 不大。 (4) 青藏高原地势高，平均海拔在4～5 km，属较大风区。 (5) 长江中下游、黄河中下游是小风区，一般台风到此已大为减弱，寒潮 风到此也是强弩之末。 (6) 云贵高原处于东亚大气环流的死角，空气经常处于静止状态，加之地 形闭塞，形成了我国的最小风区
§3.1风的相关知识 四、风级 为了区分风的大小，根据风对地面（或海面）物体的影响程度，常将风划为 13个等级。风速越大，风级越大。由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此 就按照风所引起的现象来划分等级。风的13个等级见表3-1。 表3-1蒲福风力等级表 海面状况浪高m 距地10m高处相当风速 风力 等级 名称 海岸渔船征象 陆地地面物征象 高 km/h mile/h m/s 0 静风 静、烟直上 疾风 4.0 5.5 鱼船停息港中，在海上下锚 全树摇动，迎风步行感觉不便 5061 28~33 13.917.1 大风 5.5 7.5 近港渔船皆停留不出 微枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 62-74 30~40 17.2-20.7 9 烈风 7.0 10.0 气船航行困难 烟囱顶部及平瓦移动，小屋有损 75~88 41~47 20.824.4 10 狂风 9.0 12.5 气船航行颇危险 陆上少见，有时可使树木拔起或将建筑物吹 89102 48~55 24.5-28.4 11 暴风 11.5 16.0 气船遇之极危险 陆上很少，有时必有重大损毁 103~117 5663 28.5~32.6 12 飓风 14 海浪滔天 陆上绝少，其捣毁力极大 118-133 64~71 32.7≈36.9
6 §3.1 风的相关知识 四、风级 为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度，常将风划为 13个等级。风速越大，风级越大。由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此 就按照风所引起的现象来划分等级。风的13个等级见表3-1。 表3-1 蒲福风力等级表 风力 等级 名称 海面状况浪高/m 海岸渔船征象 陆地地面物征象 距地10m高处相当风速 一 般 最 高 km/h mile/h m/s 0 静风 - - 静 静、烟直上 <1 <10 0～0.2 1 软风 0.1 0.1 普通渔船略觉摇动 烟能表示风向，但风向标不能转动 1～5 1～3 0.3～1.5 2 轻风 0.2 0.3 渔船张帆时，可随风移行每小时 2km～3km 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动 6～11 4～6 1.6～3.3 3 微风 0.6 1.0 渔船渐觉簸动，随风移行每小时5～ 6km 树叶及微枝摇动不息，旌旗展开 12～19 7～10 3.4～5.4 4 和风 1.0 1.5 渔船满帆时船身倾于一侧 能吹起地面的灰尘和纸张，树的小枝摇动 20～28 11～16 5.5～7.9 5 清劲风 2.0 2.5 渔船缩帆(即收去帆的一部分) 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 29～38 17～21 8.0～10.7 6 强风 3.0 4.0 渔船加倍缩帆，捕鱼须注意风险 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难 39～49 22～27 10.8～13.8 7 疾风 4.0 5.5 渔船停息港中，在海上下锚 全树摇动，迎风步行感觉不便 50～61 28～33 13.9～17.1 8 大风 5.5 7.5 近港渔船皆停留不出 微枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 62～74 30～40 17.2～20.7 9 烈风 7.0 10.0 汽船航行困难 烟囱顶部及平瓦移动，小屋有损 75～88 41～47 20.8～24.4 10 狂风 9.0 12.5 汽船航行颇危险 陆上少见，有时可使树木拔起或将建筑物吹 毁 89～102 48～55 24.5～28.4 11 暴风 11.5 16.0 汽船遇之极危险 陆上很少，有时必有重大损毁 103～117 56～63 28.5～32.6 12 飓风 14 - 海浪滔天 陆上绝少，其捣毁力极大 118～133 64～71 32.7～36.9
§3.2风压 一、风速与风压的关系 风的强度常用风速表示。当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑 物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍物产生压力，即风压。 风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，它不仅对结构物产生水平风压 作用，还会引起多种类型的振动效应。确定作用于工程结构上的风荷载时， 必须依据当地风速资料确定基本风压。风的流动速度随离地面高度不同而变 化，还与地貌环境等多种因素有关。 为了设计上的方便，可按规定的量测高度、地貌环境等标准条件确定风 速。对于非标准条件下的情况由此进行换算。在规定条件下确定的风速称为 基本风速，它是结构抗风设计必须具有的基本数据。 风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流 的风速产生的单位面积上的风压力为： (3-1) 2g 式中， W。一单位面积上的风压力(kN/m2); p一空气密度(kg/m3); 空气单位体积重力(kN/m3): g一重力加速度(m/s2): vo一风速(m/s)。 7
7 §3.2 风压 2 2 00 0 1 2 2 Wv v g γ = = ρ (3-1)
§3.2风压 在标准大气压情况下，Y=0.012018kN/m3,g=9.80m/s2,可得： 0.0120182 W (KN/m 2×9:80 1630 在不同的地理位置，大气条件是不同的，Y和g值也不相同。资料缺乏 时，空气密度可假设海拔高度为0m,取p=1.25(kg/m)；重力加速度g不仅 随高度变化，而且与纬度有关；空气重度Y是气压、气温和温度的函数，因 此，各地的g的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、 测量高度进行统一规定。 根据统一规定，《建筑结构荷载规范》(GB50009一2012)给出了全国各 城市50年一遇的风压值，见课本表2-1。当城市或建设地区的基本风压值在表 中未列出时，也可按《建筑结构荷载规范》(GB50009一2012)中全国基本风 压分布图（附图2）查得。在进行桥梁结构设计时，可按《公路桥涵设计通用规 范》6JTGD60-2004)中全国基本风压分布图查得基本风压值
8 §3.2 风压 在标准大气压情况下， γ=0.012018kN/m3 ，g =9.80m/s2，可得： 在不同的地理位置，大气条件是不同的， γ和 g值也不相同。资料缺乏 时，空气密度可假设海拔高度为0m，取 ρ=1.25(kg/m3)；重力加速度 g不仅 随高度变化，而且与纬度有关；空气重度 γ是气压、气温和温度的函数，因 此，各地的γ/g的值均不相同。为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、 测量高度进行统一规定。 根据统一规定，《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)给出了全国各 城市50年一遇的风压值，见课本表2-1。当城市或建设地区的基本风压值在表 中未列出时，也可按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中全国基本风 压分布图(附图2)查得。在进行桥梁结构设计时，可按《公路桥涵设计通用规 范》（ JTG D60-2004 ）中全国基本风压分布图查得基本风压值。 2 22 2 0 0 0 0 0.012018 ( /) 2 2 9.80 1630 v W v v KN m g γ = = = ×
§3.2风压 基本风压 按规定的地貌、高度、时距等测量的风速所确定的风压称为基本风压。 1.标准高度的影响：风速随高度而变化。离地表越近，由于地表摩擦耗 能越大，因而平均风速越小。 2.标准地貌的规定：同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关。地面粗糙 程度高，风能消耗多，风速则低。 3.公称风速的时距：公称的风速实际是一定时间间隔内（称为时距）的平 均风速。风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准 。风速记录表明，1O0min的平均风速已趋于稳定。时距太短，易突出风的脉动 峰值作用；时距太长，势必把较多的小风平均进去，致使最大风速值偏低。 4.最大风速的样本时间：由于气候的重复性，风有着它的自然周期，每年 季节性地重复一次。因此，年最大风速最有代表性。 5.基本风速的重现期：取年最大风速为样本，可获得各年的最大风速。每 年的最大风速值是不同的。工程设计时，一般应考虑结构在使用过程中几十年 时间范围内，可能遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一 段时间后再出现，这个间隔时间称为重现期。 9
9 §3.2 风压 二、 基本风压 按规定的地貌、高度、时距等测量的风速所确定的风压称为基本风压。 1. 标准高度的影响：风速随高度而变化。离地表越近，由于地表摩擦耗 能越大，因而平均风速越小。 2. 标准地貌的规定：同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关。地面粗糙 程度高，风能消耗多，风速则低。 3. 公称风速的时距：公称的风速实际是一定时间间隔内(称为时距)的平 均风速。风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准 。风速记录表明，10min的平均风速已趋于稳定。时距太短，易突出风的脉动 峰值作用；时距太长，势必把较多的小风平均进去，致使最大风速值偏低。 4. 最大风速的样本时间:由于气候的重复性，风有着它的自然周期，每年 季节性地重复一次。因此，年最大风速最有代表性。 5. 基本风速的重现期:取年最大风速为样本，可获得各年的最大风速。每 年的最大风速值是不同的。工程设计时，一般应考虑结构在使用过程中几十年 时间范围内，可能遭遇到的最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一 段时间后再出现，这个间隔时间称为重现期
§3.2风压 三、非标准条件 1.不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测风速高度不足10m 标准高度时，应由气象台站根据不同高度风速的对比观测资料，并考虑风 速大小的影响，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏 观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表3-2取值。 表3-2实测风速高度换算系数 实测风速高度/m 4 6 8 10 12 14 16 18 20 高度换算系数 1.158 1.085 1.036 1.000 0.971 0.948 0.928 0.910 0.895 10
10 §3.2 风压 三、非标准条件下的风速或风压的换算 1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测风速高度不足10m 标准高度时，应由气象台站根据不同高度风速的对比观测资料，并考虑风 速大小的影响，给出非标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏 观测资料时，实测风速高度换算系数也可按表3-2取值。 实测风速高度/m 4 6 8 10 12 14 16 18 20 高度换算系数 1.158 1.085 1.036 1.000 0.971 0.948 0.928 0.910 0.895 表3-2 实测风速高度换算系数
§3.2风压 2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧烈，气象合站 瞬时风速记录时距小于10min,因此在某些情况下需要进行不同时距之间的 平均风速换算。实测结果表明，各种不同时距间平均风速的比值受到多种 因素影响，具有很大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似 按表3-3取值。 表3-3不同时距与10min时距风速换算系数 实测风速时距 60min 10min 5min 2min Imin 0.5min 20s 10s 5s 瞬时 时距换算系数 0.940 1.00 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.35 1.39 1.50 应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比值，其中最重要的有： (1)平均风速值。实测表明，10min平均风速越小，该比值越大。 (2)天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风最大，台风次之 而寒潮大风（冷空气）则最小。 11
11 §3.2 风压 应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风最大，台风次之 ，而寒潮大风(冷空气)则最小。 2.不同时距换算 时距不同，所求得的平均风速也不同。有时天气变化剧烈，气象台站 瞬时风速记录时距小于10min，因此在某些情况下需要进行不同时距之间的 平均风速换算。实测结果表明，各种不同时距间平均风速的比值受到多种 因素影响，具有很大的变异性。不同时距与10min时距风速换算系数可近似 按表3-3取值。 实测风速时距 60min 10min 5min 2min 1min 0.5min 20s 10s 5s 瞬时 时距换算系数 0.940 1.00 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.35 1.39 1.50 表3-3 不同时距与10 min时距风速换算系数