建筑工程与气象.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,第二章,建筑工程与气象,城市规划与气候,建筑环境与气候,气象与施工,结构风压,采暖通风和空调设计所用的气象参数,是指研究如何设计建筑物使其适应当地气候又能创造舒适的室内小气候环境，以及为建筑设计提供科学依据和研究建筑物对环境产生气象效应的一门边缘科学。,就是研究建筑的设计，结构和施工如何适应天气特征，创造舒适的室内小气候以及建筑物群体的气象效应学科。,建筑工程气象学：,建筑气候学：,建 筑 环 境 与 气 候,分区名称,分区指标,设计要求,主要指标,辅助指标,严寒地区,最冷月平均温度-10,日平均温度5的天效 145d,必须充分满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热,寒冷地区,最冷月平均温度0-10,日平均温度5的天数90145d,应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热,夏热冬冷地区,最冷月平均温度010,最热月平均温度2530,日平均温度5的天数090d日平均温度25的天数40110d,必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温,夏热冬暖地区,最冷月平均温度10,最热月平均温度2529,日平均温度25的天数100200d,必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温,温和地区,最冷月平均温度013,最热月平均温度1825,日平均温度5的天数090d,部分地区考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热,建筑热工设计分区及设计要求,蒙古包,北京的四合院,吊脚楼或竹楼,建筑物适应气候与调节小气候,全球各地的气候千差万别。即使在某一给定的地点，气候要素还具有日变化、季节变化和年季变化特征，建筑设计师应当按照人们生理卫生的要求和考虑多种气候要素变化的组合情况设计适宜人们居住的建筑物。,建筑适应气候的例子，在世界各地都能看见，在我国已经存留数千年，我国南北、东西气候差异显著，因而民间建筑各有特色，以适应当地的气候特点。,图1 我国民间建筑外形的分布,在室内，影响人们舒适感觉的气象要素主要有：,气温、空气湿度、风速,根据美国采暖、制冷和空调工程学会在堪萨斯州立大学所做的调查表明，当室内风速设定为0.35m/s时，人们反应舒适的空气水汽压和室温的范围大致分别为：,水汽压：5 14mmHg (1mmHg=1.3332hPa),气温：冬季：20 24,夏季：23 27,室内微气象学和人体工程学的研究指出：在稳定状态下，大多数人的冷热感觉，由4种环境气象因素：,空气温度、空气湿度、空气流速、辐射量,以及单位个人的活动量和衣着有关。,D.A.Mclutyre：,“没有不舒适就作为舒适”,ASHRAE（美国采暖、制冷和空气调节工程师学会）：,“令人满意的热感觉是一种自我感觉状态，它表现为对周围环境温度的满意感”，即人在心理状态上感到满意的热环境。,不同气候区的人们和不同健康状况的人群，甚至不同种族，对室内舒适程度的反应和要求是有差异的。,寻找专门的建筑气候指标,标准有效温度（SET）：,普遍应用于世界各地建筑工程界，可以对人体的生理反应和感觉反应进行综合评价。,该指标定义在某一,标准环境,中的温度。,标准环境是指室内均匀的环境条件，空气温度等于平均辐射温度（一般为黑体辐射源的温度，是辐射量的一种温度当量），相对湿度为50%，静风状态（因人体温度可产生的气流速度约0.125m/s）。在此标准环境中穿着标准热阻服装（0.6Clo）的人员，其活动量对应于新陈代谢率为58W/m,2,（相对于伏案工作），此时人体的皮肤温度、皮肤湿润度和热损失均与标准环境相同，该标准环境温度即为标准有效温度。,城 市 规 划 与 气 候,风与城市规划,日照与城市总体布局,城市建设对局地气候的影响,风与城市规划,大气污染物的扩散首先与风向、风速有密切关系，风向决定了污染物输送方向，风速大小决定了对污染物的稀释能力，根据一地的风向及其风速特点能进行正确的功能分区。A.Schmauss（1941）在1941年提出，工业区应布置在主导风向的下风方向，居住区在其上风方向的原则，以被世界很多国家所采用，我国过去也采用了这一原则。,近年来，发现这一原则在季风气候国家里不够恰当，因为冬季风和夏季风一般是风频相当风向相反的，在冬季是上风侧，夏季则变为下风侧。同时对全年有两个主导风向（如山谷风，海陆风影响的地区）和静风频率50%以上及各风向频率基本相当的地区，也都不适用。,根据我国600多台站的1，7月和年的各地风向频率玫瑰图，大致可以分为：,季节变化型（双主导风向型）,主导风向型,无主导风向型,准静止风型,南昌风向频率玫瑰图,图中每格频率为5%；,图中心为年静止风频率；,点线为1月频率；,断线为7月频率；,实线为年。,这一区域盛行风向随季节的变化而变化，根据高由禧的季风定义，,季风现象必须是风向或气压系统有明显的季节变化。我们将1，7月风向变化大于135，小于等于180者称为季节变化型。,大致分布在我国东部，从大兴安岭，经过内蒙古穿河套，绕四川盆地到云贵高原。,季节变化型,在季节变化型里，冬季风和夏季风一般是风频相当风向相反的，所以在城市规划时，应选择最小风向频率，因为从该方向吹来的风次数最少，污染机会最小。故我国工业企业设计卫生标准规定：“向大气排放有害物质的工业企业，应按当地最小频率的风向，位于居住区的上风侧”。,最小风频原则,主导风向型,即一年中基本吹一个方向的风，这种类型在我国分布在三个地区：,（1）黑龙江，内蒙古和新疆北部，常年在西北带控制下，风向偏西；,（2）云贵高原西部，常年吹西南风，这一区受西南季风的影响，冬季风（11-4月），夏季风（5-10月），风向均偏南；,（3）青藏高原，这里的风向很复杂，最低层为山谷风，山谷风之上为一冬季盛行偏西，夏季盛行偏东风的交替高原季风，在高原季风之上的为终年不变的西风层。城市都在地面层，所以只考虑山谷风。但这里的山谷风不像其它地区的山谷风那样昼夜转换，因为在高原的山风和谷风得不到充分的发展，所以是整天吹一个方向的风（一年主要吹偏南风）。,在城市规划时，将向大气排放有害物质的工业企业布置在常年主导风向的下风方向，居住区布置在常年主导风向的上风方向。,例：北方化工厂集中在西南方,那里最多风向是西北风，故对市区居民的影响最小；纺织厂放在城东，西郊是文化区。,主导风原则,无主导风向型,全年风向不定，没有一个较为突出的盛行方向的风，各风向频率相当，,分布在宁夏、甘肃的河西走廊和陇东以及内蒙古的阿拉善左旗,。这是着重考虑风速，一般风速愈大，大气污染浓度愈低。其污染浓度与风速成反比。为了将风向和风速的影响同时考虑，常用污染系数（烟污系数，卫生防护系数等）表示，即：,修订：,f为定向风频，V为全年平均风速，u平均为定向平均风速,城市规划时，应将向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系数最小方位或最大风速的下风方向，居住区在污染系数最大方位或最大风速的上风方向。,将年静止频率全年在50%以上，年平均风速在1.0m/s以下者称为准静止风。分布在两个地区：,（1）以四川为中心，包括陇南，陕西，鄂西，湘西和贵北等；,（2）在西双版纳地区。必须将向大气排放有害物质的工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。,准静止风型,可以参考十二类工业企业卫生防护距离规定,焦化厂、钢冶炼厂、氮肥厂（1.5*10,4,吨/年、1.5*10,4,吨/年）、黄磷厂、硫酸盐厂、聚氯乙烯树脂厂中小型和大型、铅蓄电池厂大中型和小型、氯丁橡胶厂、硫酸厂、普通过磷酸钙厂、钙镁磷肥厂,十二类工业企业,考虑年平均风速小于2m/s，24m/s，大于4m/s三种情况。,工业企业卫生防护距离,年平均风速（m/s）,标准卫生防护距离（m）,4,1400,4,800,日照与城市总体布局,太阳光是天然的光源，也是地球上最主要的能源。阳光里的紫外线有杀菌抗病的能力。例如那些威胁很大的白色葡萄球菌和甲型链球菌。它们都是引起人体上呼吸道感染的病毒菌。另外，阳光对结核杆菌，伤寒菌等都有杀菌的功能。阳光的照射还可以防止佝偻病的发生，给人类健康带来很大的好处，所以有“谁家阳光多，没有病人乐呵呵”的谚语。,建筑物被遮挡的阳光不仅与建筑物高度有关，还与建筑物的长度、方位以及朝向有关，,建筑日照环境中的日照时间不同于气象上的日照时数，它是指建筑物相互遮挡而不考虑天气状况，也不是一年，一月或一日的累计时间，而是在某地点要求可能得到的日照时间，必须确定一哪一天作为日照时间的标准日，并且日照时间最少要求多少小时。,建筑日照时间的标准日，是考察最不利的情况，即冬至左右，这时太阳高度角在一年中最低，只要这一天能达到建筑日照时间的要求，其它所有时间都能满足要求。但若以冬至为标准日，则要求建筑间距太大，而且使文化，卫生，商业等的服务半径增大，各国大都不以冬至日作为标准，如英国,70,年代初规定的标准日为每年的,3,月,1,日。,1986,年北京城市规划管理局进行大量的工作，认为北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日，日照,2,小时的间距系数为设计依据是合理的（对佝偻病降低有明显作用，起到促进机体免疫力的作用）。,北京日照时间和间距系数,冬至,大寒,雨水,春分,2小时,1.89,1.64,1.18,0.78,3小时,1.96,1.71,1.20,0.78,建筑间距系数：指遮挡阳光的建筑与被遮挡阳光的建筑的间距为遮挡阳光的建筑高度的倍数。,在建筑群体间安排缺口，不仅有利于内外交通联系，有利于小区内部通风，而且还可以大大的改善日照时间。有人研究得出，一南北平行布置的两幢住宅，若其间距系数较小，且建筑物长度又很大，则后排住宅层有些冬至前后会全天都见不到太阳光。,如图，若在中间打开一个缺口,15,米宽的缺口，则后排建筑物前正面,90,米面宽内的日照可得到改善。,建筑物布局形式对日照的影响,南北平行两幢住宅日照示意,两幢楼间日照轨迹,高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增加电梯服务户数，减少交通面等优点，而且充分保证采光日照条件下，可以大大缩小建筑物间距系数，以达到节约用地的目的。,如：北京20层60米高塔楼，南北楼间排列距离30米，其间距系数仅0.5，冬至日后排每日仍有5h的日照。,街道走向对日照的影响,偏东南或偏西南平行布置的居住建筑较正南北向布置的居住建筑有利于日照。,如北京正南北向的建筑，在冬至日后排见不到阳光，若将正南北朝向的建筑扭转30 时，可得到日照时间约5h。这样又造成夏季的东西日晒之弊，但在东半年却能适当改善日照条件。这适合高纬度地区，它可使冬季得到更多的日照。,城市建设对局地气候的影响,城市的动力效应,城市的热岛效应,建筑群对风力削弱效应,高层建筑物的动力效应,建筑群对风力削弱效应,大自然的风，由于受城市建筑的影响，使地面粗糙度增加，风速减弱。如图,例：,北京市区6个点，郊区10个气象站的资料对比分析得出，城区年平均风速为1.3m/s，郊区为2.2m/s，城区风速约比郊区小41%，冬季比夏季见效的更多。,上海市区比郊区年平均风速减少40%左右，广州37%，西安30%等。,另外，从城区风速与郊区风速相比，郊区大得多，所以也说明城市的削风作用。,一个城市的下垫面是不规则、不对称的，所以从各个方向上吹来的风受到削弱也不相同。如北京当吹西风或者东风时，城区风速比上风向郊区减少29%-40%，当吹南风或者北风时，城区风速比上风向郊区减少35%-50%。这主要是由于北京城区的街道是东西向，房屋主轴走向是南北，所有东西风减弱少，南北风减弱多。,城区风速日变化比郊区要小，如北京1月城区日较差1.5m/s，而郊区1.9m/s；7月城区0.8m/s，郊区1.1m/s。这是因为自然风白天大，城市对风速产生的摩擦作用强，使城区白天风速比郊区减弱的多，而夜间城、郊的风速都较小，差别不大，结果使城区日较差比郊区为小。,高层建筑物的动力效应,高层建筑物风效应,高层建筑物气流特征,高层建筑物造成的高风速,高层建筑物风效应,气流遇见高层建筑物会引起气流方向的改变，形成了几个性质不同的气流区域。有,稳定气流区（）、正压区（）、空气动力风影（）和尾流区（）,。,1-距建筑物高度5倍以外的地区,3-以稳定气流速度95%的等速曲线，其为尾流区边界,尾流的长度约为建筑物高度的17倍,高层建筑物气流特征,当风垂直吹向建筑物时，靠近建筑物的平均风速随着高度的增加而增大。迎风面速度场及湍流强度将影响气流流型和表面压力，如图,高层建筑物造成的高风速,高层建筑物往往会使附近的气流分流，这能造成近地层局部地区风速的增大，特别是高耸的板块形建筑物成为气流的巨大障碍，在它周围产生令人不安的强风，对行人带来困难，甚至危险。,如英国克洛顿市的圣乔治宫是一座南北走向大楼，高75m、宽70m、深18m。在它西侧的商业区与东侧的街道联接起来。1964年，当这座大楼建成后，在商业区以及通道出现了强风，似的行人走路困难，受到人们的抱怨。此外，曾发生在高层建筑物拐角处把人吹倒摔伤，还有在拐角处引起风灾的报道。这样的例子在国内外屡见不鲜。这种高大建筑物造成的强风，一般分布在建筑物的侧面，特别是在拐角处。同时在其迎风面的涡旋外围附近，即距离建筑物不远也可能出现强风，如图：,气候与城市相互作用的研究是很有价值的。除了给搞城市规划的专业人员提供气象数据和规划建议外，还要研究城市发展与气候相互影响。城市也许会相当大的影响临近的气候。为了估计气候如何被城市发展所改变，需要气候工作者的经验、技术和判断。同时，发展各种数值模式可以将气候学与城市建筑规划和设计结合起来，作出最优化的建筑设计，使城市和建筑物适合当地气候并创造出适合人类居住的城市生态环境。,采暖室外计算气象参数,通风室外计算气象参数,空气调节室外计算气象参数,采暖通风和空调设计所用的气象参数,我国气候复杂，寒冷地区冬季要保温采暖，炎热地区夏季隔热降温，还有一些地区冬要采暖，夏要降温。在工业厂房和公共及民用建筑的设计中，为了满足生产、操作和人民生活的需要，往往必须采用一系列措施，采暖通风和空调就是其中主要之一。一个地区采暖期的长短不但和气候条件有关，而且还涉及到经济状况。因此我国应根据自己的国情制定适合我国的采暖期的标准。,在确定采暖标准时，在气象方面，需要研究三个有关问题，即采暖划区的气象指标，我国集中采暖地区区划和采暖室外计算温度。,采暖区划的气象指标,根据国内外的观测分析，对处于安静状态的人来说，环境温度低于,18,，血流量较常温（,20-25,）减少,20%,，当环境温度低于,15,时，出现明显的冷感，血流量较常温减少,57%,，故常将,15,定为冷感的临界温度。人体产生冷的转折点的室温条件为,9.6-11.4,，据此室内采暖温度最好是,12,以上，,由于,房屋的围护结构，使室内的温度高于外界环境气温，一般高,4-8,，若室外温度在,5,时，室内不采暖，尚能维持人体最低要求，若室外温度在,8,时，室内不采暖，可保持人体冷感的界限温度在,12,，,所以我国把采暖室外界限温度定为,5,和,8,。,由于经济原因现在采暖通风规范仍按5作为标准计算采暖期，只有高级民用建筑和特殊需要的公共建筑，如宾馆、医院、疗养院、托儿所、幼儿园等才采用以8作为计算采暖期的标准。,采暖期仅以气温作为标准是不够的，应引进其它因素，如空气湿度、风速以及太阳辐射等，由于这方面研究不够，所以我国目前尚没有利用综合指标。,全 国 集 中 采 暖 区 划,设置集中采暖设备，不但利用效率较高，而且经济上也合算，所以我国集中采暖规定：,（,1,）累年日平均温度稳定低于或等于,5,日数为,90,天的为集中采暖地区；,（,2,）累年日平均温度,5,日数为,60-90,天和,累年日平均温度,5,的日数不足,60,天，但稳定低于或等于,8,的日数,75,天为采暖过渡地区,（,累年日平均温度5的日数在4560天，1月平均相对湿度75%和冬季平均日照百分率25%的区域，朱瑞兆等）,；,（,3,）在上述两个标准之外的地区为非集中采暖地区。,按这三个标准，计算了全国,1000,多个气象台站资料，将全国划分为集中采暖区、采暖过渡区和非集中采暖区三个区：,集中采暖区分布在淮河秦岭一线以北及四川和云贵高原一线以西，约占全国陆地面积,70%；,过渡区分布在集中采暖界限以南与由浙江北部穿江西、湖南北部、贵州南部到云南北部一线以北的中间的地带，其面积约占全国的,15%；,非集中采暖区主要位于浙江、江西、湖南、云南的南部以及福建、两广、台湾和海南。,采 暖 室 外 计 算 温 度,根据我国实践，采暖室外计算温度是采用,历年平均不保证5天的日平均温度,作为标准，而有的国家是以小时平均温度作为依据的。,每年不保证5天，是考虑到一般工业厂房及辅助建筑物的室内温度，允许有一定的时间低于设计值，而且在设计不保证情况下，绝大部分时间里，室内温度仍可维持厂房规定的室内温度最低的水平，当然有特殊的要求的建筑物如宾馆、高级住宅等不保证时间可以缩短些，一般取不保证1天，保证时间愈多，意味着设计标准愈高，设备费用也增加。,北京地区采暖温度按,5,计算，采暖起止日期为,11.83.17,共,129,天，若按,8,计算，采暖起止日期应为,11.13.29,共,149,天，目前北京采暖期一般规定为,11.153.15,。,例：,通风室外计算气象参数,将根据当地多年的气象观测资料，根据不同设计对象确定出设计计算用的数值，称为室外计算参数。,通风：,为改善生产和生活环境以造成安全、卫生等适宜条件，采用自然或机械方法，对某一空间进行换气的技术。,室外计算参数：,如冬季通风室外计算温度、夏季通风室外计算温度、冬季和夏季空调室外计算温度等。每一个室外计算气象参数都有确切的含义。,根据我国采暖通风规范规定，,以累年最热月,14,时平均温度及其对应的平均相对湿度作为夏季通风计算参数，为了简化，一般以,7,月代表最热月，,但用,14,时的平均气温代表平均最高气温，尚有疑问。,夏季通风室外计算温湿度是用来作为消除生产厂房内的余热，余温及特殊高温工作地点降温的室外气象条件。,北京时与地方平均时,存在一定时差,空气调节室外计算气象参数,夏季空调室外计算气象参数包括：,（,1,）,干球温度,-,采用历年平均不保证,50h,作为标准；,（,2,）,湿球温度,-,采用历年平均不保证,50h,作为标准，上述两项相配确定室外空气状态点，作为夏季围护结构传热计算应用的最高温湿状态；,（,3,）,夏季空调室外计算日平均温度,-采用历年平均不保证,5,天的日平均温度，可作为围护结构的传热计算数据，实际即对特别高温日不会保证。,从节能观点对若干民用和公共建筑提出如下一些参数：,夏季：,温度 24-28,RH 40-65%,风速,0.2-0.5 m/s,冬季：,温度：18-22,RH 35%（高级建筑）,风速,0.15-0.3 m/s,上述参数中对夏季高级建筑可取低值，一般建筑取高值，人员停留较长时间（3h）的建筑可取低值，停留时间短可取高值；冬季对一般建筑湿度不作规定。,2.4 气 象 与 施 工,外场施工的天气影响,气象信息，天气预报在建筑施工中的应用,降水、极端温度、大风,天气预报作用,最佳施工期选择,建筑天气预报服务的基本要求,外场施工的天气影响,迟缓进入场地和移运；妨碍挖掘；形成积水；改变混凝土浇注时的水灰比，延迟混凝土凝固；影响砌砖和所有室外涂刷，铺设工序；损坏新完成的表面，损毁未及时遮蔽的材料；增加人员体力消耗，引起身体不适。,雨,对高空作业和起重装吊作业会造成危险，近年来起重机数量增多，高度增加，风致振动现象愈来愈多，风毁事故时有发生，风力使钢架，结顶，护墙板，脚手架及类似的作业危险性增加。,高风速,陕西省给出室外施工的,临界降水线为0.5mm/h。,高空作业遇到超过6级的大风,停止作业。,低于,0,影响挖掘，未防护水管冻结，影响供水，使堆料冻结，影响材料供应；损害灰浆，无法砌砖，影响混凝土浇注和固化；,-20,以下结构工程中的钢筋，钢板易脆断，造成机械设备的延迟或失效，造成进场人员不适和增加危险性。,低温,高于,30,，砂浆易失水，影响粘结度，增加人员体力消耗，引起身体不适，甚至中署昏厥。,高温,气象信息，天气预报对建筑施工的应用,天气预报作用,在建筑投标阶段，为作出合适的估价和确定时辰，需获知,12,个月的,长期天气趋势展望，中期天气预报,在建筑施工生产调度中十分重要，只要其正确度超过气候预报和持续性天气预报，即可创造巨大的经济效益，,短期和短时预报,对有效的制定施工计划，逐日分配实施任务以及采取应急措施是非常有用的。对于塔吊,100-150m,，,在地面,4,级以上大风时，会发抖，吊臂失控，容易出现断绳，甚至可能发生塔吊出轨，翻倒，造成事故；,在,5,级大风以上时，塔吊就要停止作业。,最佳施工期选择,避开雨季-,雨季给地基土方挖掘带来困难，重型装置将会搁浅无法使用，在制定施工计划时应划分不同的工作时段，使天气敏感性工种与天气非敏感性工作协调，并把室内工程与室外工程适当配合。,风和日丽,最佳施工期选择,躲开高温施工-,气温升高,32,以上时，不但混凝土易变形断裂，而且对工人也不利，但这种高的温湿度一年中都发生在,7,月中、下旬，而且每天仅在下午,2-3,时，所以可以从气候上统计出易中暑时段。,冬季,以日平均气温,5,，,夏季,以日平均气温,23,为标准，日平均气温,5-23,之间可选作最佳施工期。,建筑天气预报服务的基本要求,首先，了解建筑施工所需的气象信息种类和时间要求，一般下午,2-3,时和上午,6-7,时建筑施工对气象信息需要量最为迫切，便于第二天作业计划的安排，包括设备的使用和材料的准备；,其次，预报项目和要求应适应施工作业的需要，具体详尽，针对性，着重,重要天气,发生时间，对重要天气进行跟踪监视，一旦有变化及时补充订正，为室外工作布置，设备维修，易损材料使用和保护，提供准确及时的预报。,2.5 结 构 风 压,风速与风压,基本风速和基本风压,非规定条件下风速和风压的换算,海上风压的推算,随机风振,风荷载,是建筑结构的重要设计荷载，特别对于高耸结构（如烟囱、塔架等）、高耸房屋和大跨度桥梁等，有时起决定性作用。,例：,1993,年,4,月,9,日，一场罕见大风袭击北京，当日中午城区一些地段，风力达,8-11,级，全市城区发生,170,余起供电线路故障，造成市区近,20,年来少有的停电事故，北京火车站广场一座巨幅广告牌被强风掀翻，砸死两人，砸伤,14,人，全市至少有百余座建筑物上的广告牌从高处坠落。,风速与风压,气流对建筑结构影响，主要表现在风压和风振上。（对结构设计来说，风的作用直接以风压来表示。）,风压是在与气流垂直的平面上所受到的风的压强，单位是KN,/,。,一个建筑物上所受到的风压大小和建筑物体型、高度等有关。,风压,建筑物上实际受到的风压称为风荷载,P,，即,其中：,P,0,为基本风压，是自然界中风的压力，,K,是风载体型系数（表示稳定风压在建筑物上的分布），指在风场中建筑物所受到的压力的实际效应与原来风速计算求得的理论风压（即风洞试验时计算风压）的比值，,Kz,为风压高度变化系数,，,“建筑结构荷载规范”（,GBJ-9-87,）中规定：对于高度大于,30m,且高宽比大于,1.5,的房屋结构，以及基本自振周期,T1,0.25s,的塔架，烟囱等高耸结构,基本风速和基本风压,风速随高度、平均时段和环境地貌而变化，为了比较，必须规定条件：,按规定条件测定的风速称为基本风速。,我国规定条件,：,我国气象台站风速仪安装高度为,10-12m,，,平均时段为,10,分钟，测站周围要求空旷平,坦。,基本风压除了以上三个条件外，还要求：,最大风速样本、最大风速重现期、最大风速线型,最大风速样本,最大风速样本取法不同，直接影响平均风速值，考虑风的自然周期并突出最大风速作用，取年最大风速作为一个样本比较合适，我国风荷载规范,采用年最大风速作为统计样本，,以与世界大多数国家一致。,不能取历年最大风速的平均值作为设计依据，而应取大于平均值很大范围的某个值来进行设计，此时大于该值的设计风速并不经常出现，而是间隔一段时期后再出现，该间隔时段称为,重现期,，,设重现期为,T0,，则不超过该设计最大风速的概率或保证率,P0,为,P0=1-1/T0,；重现期越大，保证率越高,。,我国风荷载规范规定，对一般结构重现期为,30,年，对高层建筑或高耸结构重现期取,50,年，对铁路工程桥洞等特别重要的结构，重现期为,100,年。,最大风速重现期,为了求设计最大风速，必须确定重现期或保证率，为此必须知道最大风速的概率密度函数或概率分布函数，,常把函数表达的分布曲线型式称为线型,。风荷载早期采用,person,型曲线，现已改用极值型分布曲线，,最大风速线型,式中,，,为待定系数，分别与标准位置和平均值有关，根据平均值定义,所以只要风速原始分布属指数型分布，则其最大风速分布接近极值型。,基于上述6个条件，我国建筑结构荷载规范对基本风压的概括为：,基本风压是以当地比较空旷平坦地面上离地,10m,高统计所得的,50,年一遇,10,分钟平均最大风速,V,0,（,m/s,）为标准，一般按,确定的风压值。这是由伯努利方程的来的。,公式推导,全国基本风压分布图(单位:KPa,),风压分布特征,（,1,）风压分布受大气环流的影响。,东南和华南沿海及其岛屿，因受台风的影响风压最大。我国瞬时极端风速都出现在这一地带;,三北地区的风压也较大，主要与强冷空气活动有关；,云贵高原和长江中下游风压较小，这一地区因受青藏高原的影响，在“死水区”风速较小，且冬季冷空气到此已变性，风力减弱，夏秋台风很难到达。,（,2,）海陆的影响。,气流流经海面由于摩擦力较小，风速较大。由沿海向内陆，动能很快消耗，风速减小，故等风压线由沿海向内陆减小，且平行于海岸。海岛则风速由海岸向中心减小，风压自成系统，如台湾、海南岛、西沙、澎湖列岛等。,（3）地形的影响。,气流在运行中遇到山脉屏障，不但改变大形势下的风速，还会改变方向。在大尺度地形影响下，气流有摩擦效应，也会绕爬运动，故等风压线在大小兴安岭、天山、祁连山、秦岭、阴山、太行山和横断山脉等地都是平行于山体。,在四周环山的盆地，气流受到阻滞，风速较小，如准噶尔、塔里木和四川盆地等，等风压线基本上是沿盆地的走向;,河谷两边的高山使气流受阻，以及地面的摩擦，动能损耗较大，所以风速较小，如雅鲁藏布江、澜沧江等。,非规定条件下风速和风压的换算,非规定高度换算,按,Prandtl,湍流半经验理论，在中性层结的近地面层中，可导出风速随高度变化的对数关系，即：,式中,Z,0,为地面粗糙度，,为规定高度,Zs,处的平均风速，在大风情况下，对几十米高度的风速垂直廓线描述也是适合的。,目前，国内外均倾向于统一使用指数律来描述风速随高度的变化关系，主要是适用高度范围较大，便于计算，应用更广泛。,为指数，反映近地层处风速随高度而递增的快慢，当风速仪在,Z,高度时基本风速应为,其中指数,可由上式两端取对数，由实测资料按最小二乘法拟和获得。,主要随地面粗糙度不同而变化，,值大表示风速随高度增加的慢或风速梯度小，所以同一高度上市区风速比开阔地区要小。根据我国几个高塔上，近地层梯度观测所得的资料来看，的各月值与年平均值差异不大，广州,=0.22，武汉,=0.19，上海,=0.33。,不同粗糙度下垫面的风廓线,我国荷载规范把地表粗糙度分为三类，,A,类指近海海面，海岛与海岸，湖岸与沙漠区；,B,类指田野，乡村，丛林，丘陵及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；,C,类指由密集建筑群的大城市市区。它们的,和梯度风高度不同。,表 我国荷载规范的地貌分类及相应的,，H,T,值,地貌分类,A,B,C,0.12,0.16,0.20,H,T,300,350,400,非规定地貌换算,同一大气环境中，各类地貌梯度风速应相等，由指数分布关系,任意地貌的基本风压：,代入有：,按我国的规范：基本风速相当于B类，所以取,海面和山区的基本风压和调整系数,离海岸距离（km）,地貌,40,40-60,60-100,山间盆地、谷地,与盛行风一致的山口、峡谷口,调整系数,1.0,1.0-1.1,1.1-1.2,0.75-0.85,1.2-1.5,相应基本风压,1.38Ps,（1.38-1.52）Ps,（1.52-1.66）Ps,（0.75-0.85）Ps,（1.2-1.5）Ps,不同平均时段换算,我国很多台站,1969,年以前，一日定时,4,次或,3,次观测,2,分钟平均风速，无,10,分钟自记风速资料，这就要求把定时最大风速换算成自记最大风速，这可通过一次换算相关公式进行，如广西省,4次：y=0.793x+4.71 相关系数：0.81,3,次：,y=0.821x+4.85 相关系数：0.75,不同时段与10分钟平均风速的平均比值,平均时段,1h,10min,5min,2min,1min,30s,20s,10s,5s,瞬时,统计比值,0.94,1.0,1.07,1.16,1.20,1.26,1.28,1.35,1.39,1.50,平均时段越短，比值越大。,实际上，有很多因素影响比值，比如平均风速、天气过程。瞬时风速与10分钟风速之比在陆地上约1.5，海上约1.3，寒潮大风约1.47，台风为1.51，雷暴大风为1.67。,不同重现期换算,不同重现期对风速影响有统计关系：,表 不同重现期的风压比值,重现期,（年）,100 50 30 20 10,1.08 1.00 0.90 0.84 0.75,1.09-1.11 1.00 0.88-0.96 0.83-0.86 0.74-0.78,100年上限适合东南、华南沿海，,不同线型比较,概率密度分布函数曲线不同，影响基本风速或基本风压，一般对资料在15年以下的台站，采用Pearson曲线，由三个估计参数：,线型选择：好坏主要根据适合度检验来确定，我国计安民对极值型分布曲线进行了改进，适合度提高了,6.407%,，更能反映我国风速实测资料。,海上风压的推算,由于海上实测资料缺乏，一般以离岸一定距离的海岛风速代替，通过与实测风资料的对比，确定风压比值，一般风速越大，海岛风速与陆上风速之比越小，只要已知沿海陆上风压，和相应离海岸不同距离的海上风压增大系数，即可求得海上风压。,海陆风压比和海上风压增大系数,沿海陆上风速（m/s）,30 35 40,海上风压增大系数,风,压,比,距,海,岸,30km,1.30 1.25 1.23,1.70 1.50 1.40,1.2-1.3,1.3-1.5,1.5-1.7,30-50km,50-100km,随机风振,脉动风作用下结构风响应的性质是动力的，又是随机的，因而应按随机振动理论进行分析，亦即在风速中存在着高频的脉动部分，对高层建筑物影响较大。,1975,年,10,月,5,傍晚，一个强台风经过日本八丈岛，最大阵风,67.8m/s,，房屋被狂风掀掉,700,多栋，许多房屋通风的框格式玻璃窗和高层建筑物的大型玻璃窗玻璃粉碎了，从被打碎玻璃的窗口和高层建筑物的大型玻璃窗刮进的强风直揭顶棚和屋顶。,在顺风向，风压常因平均风和脉动风而分成,平均风压,和,脉动风压,，平均风压的作用考虑到风的长变动周期远大于一般结构的自振周期，虽然本质是动力的，但实际作用仍相当于静力（采用静力计算方法），后者具有动力性作用，而引起结构振动。,脉动风功率谱,脉动风功率谱是应用随机振动理论进行计算的必备资料，它需要由强风观测得到的风记录求出，常有,两种途径,：,为了确定脉动风功率谱，可由强风观测资料经过相关分析，获得,风速的相关曲线,，建立相关曲线的数学表达式-相关函数，然后通过傅立叶变换求得功率谱的数学表达式。,还可把强风观测记录通过,超低频滤波器,直接测出风速的功率谱曲线，建立数学表达式。,脉动风荷载对结构的影响：,在风功率谱中，,卓越周期,一般在2060s；当结构物的自振频率越靠近风的卓越频率时，风振的影响越显著。一般风谱的卓越频率低于建筑物的自振频率。,随机振动过程中出现概率最多的周期,脉动风荷载对结构的影响：,电视塔、烟囱、输电线塔及大跨度的悬挂桥,等的周期在20-1s之间，风振影响最为显著；,高层建筑,等结构的周期一般在10-0.5s之间，风振影响次之；对于,一般建筑物,其周期大多在0.5-0.1s之间，风振动影响微弱。,我国荷载规范规定：,对于高度低于30m或高宽比小于1.5的房屋结构，以及自振周期小于0.25s的塔架、桅杆和烟囱等高耸结构可以不考虑脉动风振的影响。,目前的高层建筑越造越高，跨度越来越大，导致刚度越来越柔，风振影响几乎起到了控制作用。,思考1：基本风压计算公式的推导,广告牌上承受风压计算,若上海市遇到10 级大风（相当于 24.5-28.4m/s）时,其某街道20米高上空悬挂的10平方米的广告牌所受的风压值大小是多少？,此课件下载可自行编辑修改，供参考！,感谢您的支持，我们努力做得更好！,