中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第四章风荷载.ppt
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1、中南大学工程结构可靠度设计原理课件第四章风荷载 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第四章风荷载 Breeze,wind,storm热带气旋龙卷风古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起巨浪,越过堤岸,拍打着楼房 美国新奥尔良飓风袭击美国新奥尔良飓风袭击80%的土地被淹,死亡上千人,的土地被淹,死亡上千人,2000亿美金的重建费用亿美金的重建费用飓风丽塔袭击美国飓风丽塔袭击美国4-9 飓风伊万在美国已造成45人死亡,其中16人在佛罗里
2、达。飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。4-10飓风伊万摧毁的房屋4-11 伊万过后,美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁 8月月18日台风圣帕日台风圣帕风荷载雷暴 强风暴云前部是上升气流,后部是下降气流强风暴云前部是上升气流,后部是下降气流强风暴云前部是上升气流,后部是下降气流强风暴云前部是上升气流,后部是下降气流 下降气流形成冷空气堆,称为下降气流形成冷空气堆,称为下降气流形成冷空气堆,称为下降气流形成冷空气堆,称为“雷暴高压雷暴高压雷暴高压雷暴高压”突发性强,持续时间短,风力大突发性强,持续时间短,风力大突发性强,持续时间短,风力大突发性强,持续时间短,风力大雷暴高
3、压风荷载沙尘暴风对建筑物的损坏风对建筑物的损坏u uMeyer-KiserMeyer-Kiser大楼大楼u u钢框架发生塑性变形钢框架发生塑性变形u u维护结构损坏严重维护结构损坏严重风对建筑物的损坏风对建筑物的损坏收费站收费站收费站收费站广告牌广告牌广告牌广告牌风起前后风起前后塔科马海峡大桥被风吹垮发生于美国塔科马海峡大桥被风吹垮发生于美国太平洋时太平洋时间间19401940年年1111月月7 7日上午日上午1111时,原因是气弹颤时,原因是气弹颤振振。4-194.1 风的有关知识4.2 风压4.3 结构抗风计算的几个重要概念4.4 顺风向结构风效应4.5 横风向结构风效应第第4章章 风荷荷
4、载4-24风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。压力差风结构物风压 大气热力学环流模型理想模型三圈环流模型地球自转大陆与海洋吸热差异4.1 风的有关知识4.1.1 风的形成4-25 大气热力学环流模型4.1 风的有关知识4.1.1 风的形成 赤道和低纬度地区:受热量较多,气温高,空气密度小、气压小赤道和低纬度地区:受热量较多,气温高,空气密度小、气压小,且大气因加热膨胀,且大气因加热膨胀,由表面向高空上升由表面向高空上升 极地和高纬度地区:受热量较少,气温低,空气密度大、极地和高纬度地区:受热量较少,气温低,空气密度大、气压大,气压大,且大气因冷却收缩,且大气因冷却收缩,由高空向地
5、表下沉由高空向地表下沉4-264.1 风的有关知识4.1.1 风的形成全球风环流全球风环流4-271.台风4.1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风弱的热带气旋性涡旋弱的热带气旋性涡旋复合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部复合气流将大量暖湿空气带到涡旋内部形成形成暖心暖心(涡旋内部空气密度减小,(涡旋内部空气密度减小,下部海面气压下降)下部海面气压下降)低涡增强低涡增强 复合加强复合加强 。(循环)。(循环)台风台风(typhoon)(typhoon)台风名字台风名字4-284.1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风1.台风294.1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风1.台风304.
6、1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风1.台风31冬季冬季:大陆温度低、气压高;大陆温度低、气压高;相邻海洋温度比大陆高、气压低相邻海洋温度比大陆高、气压低 风从大陆吹向海洋风从大陆吹向海洋夏季夏季:大陆温度高、气压低;大陆温度高、气压低;相邻海洋温度比大陆低相邻海洋温度比大陆低 、气压高、气压高 风从海洋吹向大陆风从海洋吹向大陆冬季:大陆冷,海洋暖,风:大陆海洋夏季:大陆热,海洋凉,风:海洋大陆4.1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风2.季风4-32风力风力 大大 台湾、海南、南海诸岛台湾、海南、南海诸岛东南沿海地区东南沿海地区东北、华北、西北地区东北、华北、西北地区青藏高原青藏高
7、原长江、黄河中下游地区长江、黄河中下游地区云贵高原云贵高原小小4.1 风的有关知识4.1.3 我国的风气候总况4-34 风力等级表风风力力等等级级名称名称海面状况海面状况海岸渔船征象海岸渔船征象陆地地面物征象陆地地面物征象距地距地10m高处相当风速高处相当风速浪高(浪高(m)一般一般最高最高km/h mile/hm/s静风静风静静静、烟直上静、烟直上1100.2软风软风0.1 0.1寻常渔船略觉晃动寻常渔船略觉晃动烟能表示方向,但风烟能表示方向,但风向标不能转动向标不能转动15130.31.5轻风轻风0.20.3渔船张帆时,可随风移渔船张帆时,可随风移行每小时行每小时23km人面感觉有风,树叶
8、人面感觉有风,树叶有微响,风向标能转有微响,风向标能转动动611461.63.3微风微风0.61.0渔船渐觉簸动,随风移渔船渐觉簸动,随风移行每小时行每小时56km树叶及微枝摇动不息,树叶及微枝摇动不息,旌旗展开旌旗展开12197103.45.4和风和风1.01.5渔船满帆时倾于一方渔船满帆时倾于一方能吹起地面灰尘和纸能吹起地面灰尘和纸张,树的小枝摇动张,树的小枝摇动202811165.57.94.1 风的有关知识4.1.4风级4-35 风力等级表(续)风力等级表(续)5清劲风清劲风2.02.5渔船缩帆(即收渔船缩帆(即收去返之一部)去返之一部)有叶的小树摇摆,内陆有叶的小树摇摆,内陆的水面有
9、小波的水面有小波293817218.010.76强风强风3.04.0渔船加倍缩帆,渔船加倍缩帆,捕鱼须注意风险捕鱼须注意风险大树枝摇动,电线呼呼大树枝摇动,电线呼呼有声,举伞困难有声,举伞困难3949222710.813.87疾风疾风4.05.5渔船停息港中,渔船停息港中,在海上下锚在海上下锚全树摇动,迎风步行感全树摇动,迎风步行感觉不便觉不便5061283313.917.18大风大风5.57.5近港渔船皆停留近港渔船皆停留不出不出微枝折毁,人向前行,微枝折毁,人向前行,感觉阻力甚大感觉阻力甚大6274304017.220.79烈风烈风7.010.0汽船航行困难汽船航行困难烟囱顶部及平瓦移动,
10、烟囱顶部及平瓦移动,小屋有损小屋有损7588414720.824.410狂风狂风9.012.5汽船返航颇危险汽船返航颇危险陆上少见,见时可使树陆上少见,见时可使树木拔起或建筑物吹毁木拔起或建筑物吹毁89102485524.528.411暴风暴风11.516.0汽船遇之极危险汽船遇之极危险陆上很少,有时必有重陆上很少,有时必有重大损毁大损毁103117566328.532.612飓风飓风14海浪滔天海浪滔天陆上绝少,其捣毁力极陆上绝少,其捣毁力极大大118133647132.736.94.1 风的有关知识4.1.4风级4-36从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214 km/h(59.4m/s
11、)4-37 风压定义:当风 以一定的速度向前运动遇到阻塞时,将对阻塞物产生压力,即风压。风压的产生4.2 风压建筑物建筑物小股气流小股气流流向流向高压气幕高压气幕压力线压力线w=v2/24-38伯努利方程:初始条件气压为101.325kPa常温150C绝对干燥纬度450海面4.2 风压4.2.1 风压与风速的关系dldlw1dA(w1+dw1)dA4-39 基本风压的定义:按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压所确定的风压称为基本风压。基本风压应符合五个规定:(1)标准高度的规定:一般取为10m。(2)地貌的规定:空旷平坦。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;B类指田野、乡村
12、、丛林、丘陵以及房屋 比较稀疏的中小城市郊区;C类指有密集建筑群的中等城市市区;D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。4.2 风压4.2.2 基本风压4-40(3)公称风速的时距 公称公称风速速 即一定即一定时间间隔内的平均隔内的平均风速速式中 v0:公称风速;v(t):瞬时风速;:时距。10min1h的平均风速基本稳定,我国取=10min4.2 风压4.2.2 基本风压4-41(4)最大风速的样本时间风有它的自然周期,每年季节性的重复一次。一般取一年为统计最大风速的样本时间。(5)基本风速的重现期基本风速出现一次所需要的时间基本风速出现一次所需要的时间 5050年年 =10min1小时,
13、6个样本1天,144个样本年最大风速概率密度分布4.2 风压4.2.2 基本风压每年不超过基本风压的概率或保证率每年不超过基本风压的概率或保证率p p0 0=1-1/=1-1/T T0 0(图中影形面积)(图中影形面积)GB50009-2001GB50009-2001规定:规定:以当地以当地比较空旷平坦地面比较空旷平坦地面上上离地离地10m10m高高统计所得的统计所得的5050年一遇年一遇10min10min内最大风速内最大风速v v0 0为为标准,按标准,按ww 0 0=v v0 02 2/1600/1600确定。确定。4-421.非标准高度换算 实测表明,风速沿高度呈指数函数变化,即:4.
14、2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算基本风压标准高度(基本风压标准高度(10m)与地貌或地面粗糙度有关的指数与地貌或地面粗糙度有关的指数4-431.非标准高度换算 4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算地区地区 上海近邻上海近邻南京南京广州广州圣路易斯圣路易斯蒙特利尔蒙特利尔上海上海哥本哈根哥本哈根 0.160.220.240.250.280.280.34地区地区东京东京基辅基辅伦敦伦敦莫斯科莫斯科列宁格勒列宁格勒纽约纽约巴黎巴黎 0.340.360.360.370.410.390.45国内外大城市中心及其邻近的实测国内外大城市中心及其邻近的实测值值 表表4-34-4
15、42.非标准地貌的换算v梯度风:不受地表影响,能够在气压梯度作用下自由流动的风。梯度风高度HT与地面的粗糙程度有关,一般为300500m,地面越粗糙,HT越大。右图:不同粗糙度影响下的风剖面 4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-45从图中可知,地面越粗糙,风速变化越慢(越大),梯度风高度将越高;反之,地面越平坦,风速变化将越快(越小);梯度风高度将越小。不同地貌的 及及HHT T值值地貌海面空旷平坦地面城市大城市中心0.10.130.130.180.180.280.280.44HT(m)275325325375375425425500A类B类C类D类4.2 风压4.2.3非
16、标准条件下的风速或风压的换算4-46 不同地貌在梯度风高处的风速应相同,不同地貌在梯度风高处的风速应相同,即:即:则则或或4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-47地貌A类B类C类D类0.120.1650.220.30HT(m)300350400450不同地貌的 及及H HT T值值A类:C类:D类:4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-483.风压高度变化系数4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算风风压压高高度度变变化化系系数数 z z 地地面面的的粗粗糙糙度度、温温度度垂垂直直梯梯度度即即任任意意粗粗糙糙度度任任意意高高度度处处的的风风压压
17、与与标标准准高高度度处处的的基基本本风风压压的比值的比值49 在大气边界层内,在大气边界层内,风速随离地面高度而增大风速随离地面高度而增大 当当气气压压场场随随高高度度不不变变时时,风风速速随随高高度度增增大大的的规规律律,主主要要取取决决于于地地面面粗粗糙度和温度垂直梯度糙度和温度垂直梯度 GB50009-2001GB50009-2001地面的粗糙度类别地面的粗糙度类别 A A类类近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B B类类田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区田野、乡村、丛林、丘陵、房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C C类类有密集建筑群的
18、城市市区有密集建筑群的城市市区 D D类类有密集建筑群且房屋较高的城市市区有密集建筑群且房屋较高的城市市区3.风压高度变化系数4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算50 地面粗糙度类别地面粗糙度类别 粗糙度指数粗糙度指数 梯度风高度梯度风高度HG 风压高度变化系数风压高度变化系数 z A类类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 风压高度变化系数风压高度变化系数 z z(z)=(z)=任意
19、高度处的风压任意高度处的风压wwa a(z)/(z)/基本风压基本风压ww0 0根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由根据离地面或海平面高度、地面粗糙度类别由GB50009GB5000920012001表表7.2.17.2.1确定。确定。3.风压高度变化系数4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算5152 地面粗糙度近似确定原则(无实测粗糙度指数地面粗糙度近似确定原则(无实测粗糙度指数 )以拟建房以拟建房2km2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别别,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
20、风;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;以半圆影响范围内建筑物的平均高度以半圆影响范围内建筑物的平均高度h h平均平均来划分地面粗糙度类别来划分地面粗糙度类别,当,当h h平均平均 18m18m,为,为D D类,类,9m9m h h平均平均 18m18m为为C C类,类,h h平均平均 9m9m,为,为B B类。类。影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定,即每座建筑物向外延伸距离影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定,即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度,当不同高度的面域相交时,交叠部分的高为其高度的面域内均为该高度,当不同高度的面域相交时,交叠部分的高度
21、取大者;度取大者;平均高度平均高度h h平均平均取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。3.风压高度变化系数4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-534.不同时距的换算由于脉动风的影响,时距越短,公称风速值越大。4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-54 各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值风速时距1h10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时统计比值0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50影响因素10min平均风速值天气变化4.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4.不同时距
22、的换算4-555.5.不同重现期的换算不同重现期的换算 不同重现期风压与50年重现期风压的比值重现期T0(年)100503020105310.5r1.1141.000.9160.8490.7340.6190.5350.3530.2394.2 风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算4-56风力:风速风压风力(三个分量)流经任意截面物体所产生的力风效应:由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。在结构物表面沿表面积分4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.1 结构的风力与风效应顺风向力顺风向力P PD D、横风向力横风向力 P PL L 、扭力矩、扭力矩 P PM M 4-574.3结构抗风
23、计算的几个重要概念4.3.2 顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线顺风向风速时程曲线 顺风向的风效应:平均风效应、脉动风效应顺风向的风效应:平均风效应、脉动风效应 脉动风速脉动风速v vf f 短周期成分,周期一般只有几秒钟短周期成分,周期一般只有几秒钟 vf v(t)t4-58风有两种成分构成=平均风+脉动风 图:平均风速和脉动风速地面粗糙度的影响:地面越粗糙,v越小,vf的幅值越大且频率越高。4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.2 顺风向平均风与脉动风 平均风平均风 忽略其对结构的动力影响忽略其对结构的动力影响 等效为静力作用等效为静力作用 (风的长周期风的长周期 结构的自振周期)
24、结构的自振周期)脉动风脉动风 引起结构动力响应引起结构动力响应 (风的短周期风的短周期接近接近结构自振周期)结构自振周期)引起结构顺风向振动4-59脉动风的特性:幅值特性为一随机过程 vf(t),tT 幅值服从正态分布,其概率密度函数为:v:脉动风速的均方差:vfi:vf的一条时程记录曲线4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.2 顺风向平均风与脉动风4-60频率特性可用功率谱密度描述功率谱密度的定义:脉动风振动的频率分布自相关函数:傅立叶变换4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.2 顺风向平均风与脉动风4-61Davenport水平脉动风速功率谱密度4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.
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