简答题4.风荷载风力、风级与风压风的强度常称为风力，用风级表示

参考答案：

4．风力、风级与风压风的强度常称为风力，用风级表示。1805年英国人蒲福(F．Beaufort)拟定了风级，称作蒲氏风级，系根据风对地面（或海面）物体的影响程度而定。以后逐渐采用风速大小划分，目前分为18级。其中0～12级是在气象预报中听到的风级。结构设计中，通常将风速转化为风压来表示风力的大小。单位面积上的风压力ω可用下式表示： 式中p-空气的密度； υ-风速。标准条件下的风压称作基本风压。所谓标准条件，是考虑下列5个条件： (1)高度。取为离地面10m的高度。 (2)地貌。气象站风仪所在地为空旷平坦地区，故B类粗糙度作为标准地貌。 (3)时距。取10min的平均风速。 (4)样本时间。取为1年。 (5)重现期。取50年。《荷载规范》7.1.2条条文说明指出，基本风压可统一按照公式计算，式中，υ为按照标准条件确定的风速。 2．非标准情况下风速或风压的换算 (1)非标准高度换算平均风速沿高度变化规律可用指数函数描述，如下面公式： 式中z、-任意点高度和该点的平均风速； z、-标准高度(取为10m)和该处的平均风速； α-地面粗糙度系数。由于风压与速度是二次方的关系，故高度为z处的基本风压可写成 (2)非标准地貌换算由于地表摩擦，风速随离地面高度的减小而降低。只有达到一定高度，风才不受地表的影响在气压梯度的作用下自由流动，达到所谓梯度风速，该高度称作梯度风高度，以H表示。口越小的地貌，越快达到梯度风速。各种地貌的α及H值，见表3-4-1，表中的A、B、C、D为规范中的地面粗糙度分类。 同一大气环境中各类地貌梯度风速均相等，以此得到 式中，角标α表示不同地貌。若再表示成风压形式，就是 ] 在陆地上，如无表3-4-1参数的实测或试验资料，可按下列原则近似确定： ①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，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风向。 ②以半圆影响范围内建筑平均高度来划分类别，当h<9m为B类，9m≤≤18m为C类，>18m为D类。 ③影响范围内不同高度建筑物的影响区域按下列原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度，在此面域内均为该高度。当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者。 ④平均高度取各面域的面积为权数计算。以上原则见于《荷载规范》的7.2.1条的条文说明。 (3)同时考虑地貌与高度的换算若同时考虑地貌与高度，并将非标准情况下的这种风压除以标准风压，得到的系数记作μ，则有 将α=0.16，H=350m，z=10m代入式(3-4-6)，并考虑表3-4-1中的α及H，将得到《荷载规范》161页的公式7.2.1，即A、B、C、D类粗糙度的风压高度变化系数，为 (4)不同重现期的换算一年为一个自然周期，我国取一年中最大平均风速(时距10min)作为统计样本。从概率角度看，每隔一定时间，会出现大于某一风速的年最大平均风速，这个间隔就是重现期。规范规定基本风速的重现期为50年。重现期为T的基本风速，一年中超越该风速一次的概率为，因此，不超过该基本风速的概率（或保证率）为 据此可知，重现期为50年时保证率为98％。张相庭《结构风工程理论?规范?实践》（中国建筑工业出版社，2006）一书中给出了不同重现期风压的比值μ，为 μ=0.36310gT+0.463(3-4-9) 若以重现期50年为基准(即μ50取为1.00)，则重现期为100年时 《高规》中，重现期为100年的风压标准值取为重现期为50年时的1.1倍，来源就是这里。 (5)相邻建筑的影响建筑不是孤立的，总是位于密集建筑群之中，只不过，当邻近的建筑矮得多时，则即使距离很近也不会有多大影响。当邻近建筑大于所讨论建筑高度一半时，则应考虑这种影响。张相庭《结构风工程理论?规范?实践》（中国建筑工业出版社，2006年）一书中指出，试验表明，两相邻建筑距离达到d/B≤3.5或d/H≤0.7时影响最大（编者注：原书中将d/B写作d/b，应是印刷错误），而该距离二倍以上的地方影响可降到很小。由于尾流作用，两相邻建筑物轴线与风向的夹角θ在30°～45°时影响最大，如图3-4-1所示。群体建筑这种相互干扰的影响，可通过群体体型系数代替单体的体型系数来表示。 3．《荷载规范》中风荷载的计算方法在水平风的作用下，结构可在各个方向产生振动，通常考虑两个主轴进行计算。主轴方向与风向一致的，称顺风向，与风向垂直的称作横风向。 (1)顺风向的风荷载标准值风荷载对结构物的作用，按照垂直于结构物表面考虑，风荷载标准值记作ω，以压为正拉为负。ω的大小，按照《荷载规范》7.1.1条规定处理，如下：当计算主要承重结构时，风荷载标准值按照下式计算 当计算围护结构时，风荷载标准值按照下式计算 以上式中ω-基本风压，单位为kN／m； μ-风压高度变化系数； μ-风荷载体型系数； β-高度z处的风振系数； μ-局部风压体型系数； β-高度z处的阵风系数。以下对公式(3-4-10)、公式(3-4-11)中的符号逐一解释。 ①风压高度变化系数μ 风速大小与高度有关，一般近地面处风速小，随高度增大风速逐渐增大。风速的变化还与地貌以及周围环境有关，是故地面粗糙度分为A、B、C、D四类。其原理前面已经阐述。《荷载规范》的7.2节规定了风压高度变化系数μ的取值。μ取值亦可见于《高规》的3.2.3条、3.2.4条。 ②风荷载体型系数μ 风荷载体型系数是指平均实际风压与基本风压的比值。风流经建筑物对建筑物的作用，迎风面为压力，侧风面及背风面为吸力，通常以压为正拉为负。风在各面上产生的风压分布并不均匀，如图3-4-2所示。在计算风荷载对建筑物的整体作用时，应按各个表面的平均风压计算，这个表面的平均风压系数称为风荷载体型系数，记作μ。 《荷载规范》7.3.1条规定了风荷载体型系数μ的取值。《高规》3.2.5条、3.2.9条对风荷载体型系数μ的规定，是一种简化后的近似值。《高规》的附录A对μ的规定较详细。 ③高度z处的风振系数β 实际风压总是在平均风压上下波动，因此可分解为平均风和脉动风。平均风使建筑物产生一定的侧移，而脉动风使建筑物在该侧移附近左右摇晃，即引起结构物的振动。当脉动风的周期（一般为20s左右）与结构的自振周期愈接近，风振的影响就愈显著。电视塔、烟囱、输电线塔等的自振周期在20～1s之间，风振影响最为显著；高层建筑结构的周期一般在10～0.5s之间，影响次之。对于一般建筑，风振的影响十分微小。因此，《荷载规范》7.4.1条规定，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期T大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度房屋结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。设计时，用风振系数β加大风荷载，然后仍然按照静力作用计算风荷载效应。《荷载规范》7.4.2条规定，对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构，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，均可仅考虑第一振型的影响，结构的风荷载可按公式(7.1.1-1)通过风振系数来计算，结构在z高度处的风振系数β可按下式计算： 下面对该式中的符号进行解释。 a．振型系数φ 振型系数φ依据《荷载规范》附录F的规定取值，比较繁琐。《高规》的3.2.6条指出，"对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点距室外地面高度z与房屋高度H的比值"。笔者经过计算对比，发现这两种做法所得结果基本相同。可见，多数情况可简化为φ=z/H。 b．脉动增大系数ξ 《荷载规范》的表7.4.3给出了B类地区各种具体结构ξ的取值，利用表下的注解，也可以计算出A、C、D类地区的ξ值；《高规》的表3.2.6-1则需要依据具体的值查表得到ξ值。 c．脉动影响系数u 《荷载规范》7.4.4条考虑全面，区分两种情况：迎风面宽度远小于高度（例如高耸结构）和迎风面宽度较大。《高规》中规定依据表3.2.6-2采用，与《荷载规范》中的表7.4.4-3相同，据此可知，《高规》表3.2.6-2中的H为总高度，B为迎风面宽度。由以上规定可见，对于高度小于30m的房屋结构，距室外地面高度z处计算点的β=1．0。 ④基本风压ω 《荷载规范》7.1.4条规定基本风压ω按附表D．4给出的50年一遇风压采用，但不得小于0.3kN/m。需要注意的是，尽管表格的题目为"全国各城市的50年一遇雪压和风压"，但是，表中"n=10"一列却是10年一遇值，"n=100"一列是100年一遇值。《高规》3.2.2条规定，"对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期的风压值采用"。该条的条文说明指出，"一般情况下，房屋高度大于60m的高层建筑可按100年一遇的风压值采用"。 ⑤高度z处的阵风系数β 阵风系数应按照《荷载规范》7.5.1条采用。即"计算直接承受风压的幕墙构件（包括门窗）风荷载时，阵风系数应按表7.5.1确定。对其他屋面、墙面构件阵风系数取1．0"。 ⑥局部风压体型系数μ 局部风压体型系数应按照《荷载规范》7.3.3条采用。对于内表面的情况，对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。 2006年版《荷载规范》增加了注：上述的局部风压体型系数μ(1)是适用于围护构件的从属面积A小于或等于1m的情况，当围护构件的从属面积大于或等于10m时，局部风压体型系数μ(10)可乘以折减系数0.8，当构件的从属面积小于10m而大于1m时，局部风压体型系数μ(A)可按面积的对数线性插值，即 μ(A)=μ(1)+[μ(10)-μ(1)]logA(3-4-13) (2)顺风向的总风荷载结构设计时，使用总风荷载计算风荷载作用下的结构内力及位移。总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。总风荷载标准值W可按照下式计算： 式中n-建筑物外围表面积数（每一个平面作为一个表面积）； μ-第i个表面的平均风荷载体型系数； B-第i个表面的宽度； α-第i个表面的法线与风作用方向的夹角。 (3)横风向的计算 ①雷诺数空气流动中，对流体质点起主要作用的是两种力：惯性力和黏性力。惯性力与黏性力之比称作雷诺数，记作Re。只要雷诺数相同，动力学特征就相似。雷诺数还是衡量从层流向湍流转变的尺度。惯性力的量纲为ρυι，黏性力的量纲为黏性应力μυ／ι（式中μ称作黏性）乘以面积ι，故雷诺数为 式中称作动黏性，其值为0.145×10m／s。将该值代入上式，并用垂直于流速方向的物体截面最大尺度B代替上式中的ι，则上式变成Re=69000υB(3-4-16) 由于通常是对圆形截面考虑横风向风振，故《荷载规范》中7.6.1条用结构截面的直径D代替上式中的B。从雷诺数的定义为惯性力与黏性力之比可以看出，如果雷诺数很小，例如小于1/1000，则惯性力与黏性力相比可以忽略，即意味着高黏性的行为；相反，如果雷诺数相当大，例如大于1000，则意味着黏性力影响很小，空气流动中的结构常常是这种情况，惯性力起主要作用。雷诺数不同，空气流经圆柱体后具有不同的流动特征。可分为3个范围：Re<3×10时，漩涡形成是有规则的，并做周期性脱落，称作亚临界范围；3×10≤Re<3×10时，漩涡形成脱落极不规则，称作超临界范围；Re>3×10时，漩涡又逐步有规则起来，称作跨临界范围。这三个范围中，跨临界范围的验算是工程上最注意的范围，因为，当漩涡周期脱落的频率与结构自振频率一致时，将产生共振。当结构处于亚临界范围时，虽然也可发生共振，但由于风速较小，通常只需要采用构造方法处理。超临界范围由于不能产生共振，工程上常不做进一步处理。 ②斯托罗哈数斯托罗哈数是一个无量纲数，其定义为： 式中B-垂直于流速方向的物体截面最大尺度；ｎ、T-漩涡脱落频率与漩涡脱落周期，二者互为倒数； υ-风速。当漩涡脱落频率与结构频率一致时，将发生共振。试验还发现，当与风速有关的漩涡脱落频率与结构某一自振频率一致后，即使增大风速，漩涡脱落频率亦不改变，因而存在一个风速范围，在此区域内都处于共振状态，此区域称作"锁住区域"。 ③横风向风力图结构物的横风向最多包含三个临界范围，而在跨临界范围内，又最多分为三个区域，如图3-4-3(b)所示。由于非共振区域与共振区域（即锁住区域）相比影响较小，因而可只考虑跨临界范围共振区域的风力，如图3-4-3(c)所示。一般而言，H常超出建筑物高度，为简化，将其取为结构高度H，并将凸形曲线共振荷载用常数共振荷载表示，且以临界风速为准，如图3-4-3(d)所示，必要时可取略大的等效值进行计算。 ④《荷载规范》规定的计算方法下面对规范7.6节的规定做一简单解释。 a.漩涡脱落频率与结构某一自振频率一致时发生共振，此时对应的风速称临界风速，记作υ。υ可由斯托罗哈数的定义式即本书式(3-4-17)变形得到，只不过式中取Ts为结构的自振周期，要考虑不同的振型。结构顶部风速实际上来源于，只不过由于考虑高度变化，公式中出现了μ。由于ω的单位为kN／m，因而ω需要乘以1000以将单位变为N/m。 b．临界风速对应于高度H，根据前述的风速与高度的关系可知，有下式成立： 由此可得到 考虑到安全因素，规范将顶部风速扩大1.2倍，这样就形成了规范的式(7.6.2-2)。 c．跨临界强风共振引起的等效风荷载应考虑不同振型，简化之后为： 由于规范中该公式没有写成分数形式，需要注意ζ应处于分母位置。

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