风荷载介绍.docx

风荷载
风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载ш与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关。中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风，其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。
基本风压
中国规定的基本风压w0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准，按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年,特别重要的结构为100年),统计得最大风速v（即年最大风速分布的96.67%分位值，并按w0=ρv2/2确定。式中ρ为空气质量密度；v为风速）。根据统计，认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压，统计分布可按极值I型考虑。　基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，由台风造成。东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。其他内陆地区风压都较小。　风速 　风速随时间不断变化（图1）,在一定的时距Δt内将风速分解为两部分：一部分是平均风速的稳定部分；另一部分是指风速的脉动部分。为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压，一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。
平均时距
按风速记录为确定最大平均风速而规定的时间间隔（图1）。规定的时距愈短，所得的最大平均风速愈大，也即基本风压愈大。当前世界各国所采用的平均时距标准并不一致，例如，中国时距取10分钟,苏联取2分钟，英国根据建筑物或构件的尺寸不同，分别取3秒、5秒和15秒，日本取瞬时。美国以风程1609.3米（1英里）作为确定平均风速的标准，这相当于对不同风速取不同的平均时距。因而各国基本风压值的标准也有差别。
风压高度变化系数
从某一高度的已知风压（如高度为10米的基本风压），推算另一任意高度风压的系数。风压高度变化系数随离地面高度增加而增大，其变化规律与地面粗糙度及风速廓线直接有关。设计工程结构时应在不同高度处取用对应高度的风压值。
地面粗糙度
地面因障碍物形成影响风速的粗糙程度。风（气流）在接近地面运动时，受到树木、房屋等障碍物的摩擦影响，消耗了一部分动能，使风速逐渐降低。这种影响一般用地面粗糙度衡量。地面粗糙度愈大，同一高度处的风速减弱愈显著。一般地面粗糙度可由小而大列为水面、沙漠、空旷平原、灌木、村、镇、丘陵、森林、大城市等几类。
风载体型系数
也称空气动力系数，它是风在工程结构表面形成的压力（或吸力）与按来流风速算出的理论风压的比值。它反映出稳定风压在工程结构及建筑物表面上的分布，并随建筑物形状、尺度、围护和屏蔽状况以及气流方向等而异。对尺度很大的工程结构及建筑物，有可能并非全部迎风面同时承受最大风压。对一个建筑物而言，从风载体型系数得到的反映是：迎风面为压力；背风面及顺风向的侧面为吸力；顶面则随坡角大小可能为压力或吸力。
风振
风的脉动部分对高耸结构所引起的动态作用。一般结构对风力的动态作用并不敏感，可仅考虑静态作用。但对于高耸结构（如塔架、烟囱、水塔）和高层建筑，除考虑静态作用外，还需考虑动态作用。动态作用与结构自振周期、结构振型，结构阻尼和结构高度等因素有关，可将脉动风压假定为各态历经随机过程按随机振动理论的基本原理导出。为方便起见，动态作用常用等效静态放大系数，即风振系数的方式与静态作用一并考虑。
1. 8.4.1对于基本自振周期T1 大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发 生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。
注:近似的基本自振周期T1 可按附录E 计算。
1. 8.4.2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(8.1.1-1)通过风振系数来计算，结构在z 高度处的风振系数βz 可按下式计算:
式中ξ—脉动增大系数；
υ—脉动影响系数；
—振型系数；
μz—风压高度变化系数。
1. 8.4.3脉动增大系数，可按表8.4.3 确定。
注：计算 时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62 和0.32 后代入。
1. 8.4.4脉动影响系数，可按下列情况分别确定。
1 结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)：
1. 若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表8.4.4-1 确定。
2. 当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表8.4.4-1 中的脉动影响系数应再乘以修正系数θB 和θv。θB应为构筑物迎风面在z 高度处的宽度Bz 与底部宽度B0 的比值； θν可按表8.4.4-2 确定。
2 结构迎风面宽度较大时,应考虑宽度方向风压空间相关性的情况(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据总高度H 及其与迎风面宽度B 的比值，按表8.4.4-3 确定。
8.4.5振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度z/H 按附录F 确定。
8.5.1对矩形截面高层建筑当满足下列条件时，确定其横风向风振等效风荷载：[1] 
1 建筑的平面形状和质量在整个高度范围内基本相同;
　　2 高宽比HμBD在4~8 之间，深宽比D/B 在o. 5~2 之
　　间，其中B 为结构的迎风面宽度.D 为结构平面的进深(顺风向尺寸) ;间，其中B 为结构的迎风面宽度.D 为结构平面的进深(顺风向尺寸) ;
　　3 vHTu //西运10. Tu 为结构横风向第1 阶自振周期，均为结构顶部风速。
8.6.1对圆形截面的结构，应根据雷诺数Re 的不同情况按下述规定进行横风向风振(旋涡脱落)的校核：
1 当Re<3×10 时(亚临界的微风共振)，应按下式控制结构顶部风速υH 不超过临界风速υcr， υcr 和υH 可按下列公式确定：
式中T1—结构基本自振周期；
St—斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2；
γW—风荷载分项系数，取1.4；
μH—结构顶部风压高度变化系数；
ω0—基本风压(kN/m)；
ρ—空气密度(kg/m)。
当结构顶部风速超过υcr 时，可在构造上采取防振措施，或控制结构的临界风速υcr 不小于15m/s。
2 Re≥3.5×10且结构顶部风速大于υcr 时(跨临界的强风共振)，应按第8.6.2条考虑横风向风荷载引起的荷载效应。
3 雷诺数Re 可按下列公式确定：
Re=69000vD (8.6.1-3)
式中υ—计算高度处的风速(m/s)；
D—结构截面的直径(m)。
4 当结构沿高度截面缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3 结构高度处的风速和直径。
1. 8.6.2跨临界强风共振引起在z 高处振型j 的等效风荷载可由下列公式确定：
式中 —计算系数，按表8.6.2 确定；
—在z 高处结构的j 振型系数，由计算确定或参考附录F；
ζj—第j 振型的阻尼比；对第1 振型，钢结构取0.01，房屋钢结构取0.02，
混凝土结构取0.05；对高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第1 振型的值取用。
表8.6.2 中的H1 为临界风速起始点高度，可按下式确定：
式中α—地面粗糙度指数，对A、B、C 和D 四类分别取0.12、0.16、0.22 和0.30；
υH—结构顶部风速(m/s)。
注:校核横风向风振时所考虑的高振型序号不大于4，对一般悬臂型结构，可只取第1 或第2 个振型。
1. 8.6.3校核横风向风振时，风的荷载总效应可将横风向风荷载效应Sc 与顺风向风荷载效应SA 按下式组合后确定：
2. 8.6.4对非圆形截面的结构，横风向风振的等效风荷载宜通过空气弹性模型的风洞试验确定；也可参考有关资料确定。

荷载标准值
荷载标准值是指荷载的基本代表值，指结构在使用期间可能出现的最大荷载值。
荷载设计值：荷载代表值与荷载分项系数的乘积。
一般荷载规范查到的是【标准值】。实际设计计算通常用【设计值】
应力
物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。
在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。
正应力与剪应力
同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。
有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应力大小不变，称为静应力；还有一些材料，其所受的外力随时间呈周期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。
物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。
单位：Pa，Psi
拉应力与压应力
一个圆柱体两端受压，那么沿着它轴线方向的应力就是压应力。压应力就是指使物体有压缩趋势的应力。 不仅仅物体受力引起压应力，任何产生压缩变形的情况都会有，包括物体膨胀后。 另外，如果一根梁弯曲，不管是受力还是梁受热不均而引起弯曲，等等，弯曲内侧自然就受压应力，外侧就受拉应力[4] 。
其实，拉应力表示正值的正应力，压应力表示负值的正应力。
　　应力的单位为Pa。 
　　1 Pa=1 N/m2 
　　工程实际中应力数值较大，常用MPa或GPa作单位 
　　1 MPa=1e6Pa
　　1 GPa=1e9Pa
挠度
建筑的基础、上部结构或构件等在弯矩作用下因挠曲引起的垂直于轴线的线位移。
挠度（德语 Durchbiegung，法语la flèche）——弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用γ表示。简言之就是指梁、桁架等受弯构件在荷载作用下的最大变形，通常指竖向方向y轴的,就是构件的竖向变形。
挠曲线——如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条在梁的纵对称面内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。
挠度计算公式：Ymax=5q1^4/(384EI)
挠度与荷载大小、构件截面尺寸以及构件的材料物理性能有关。
挠度——弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用γ表示。
转角——弯曲变形时横截面相对其原来的位置转过的角度称为转角，用θ表示。
挠曲线方程——挠度和转角的值都是随截面位置而变的。在讨论弯曲变形问题时，通常选取坐标轴x向右为正，坐标轴y向上为正。选定坐标轴之后，梁各横截面处的挠度γ将是横截面位置坐标x的函数，其表达式称为梁的挠曲线方程，即γ= f(x) 。
显然，挠曲线方程在截面x处的值，即等于该截面处的挠度。(建筑工程)
根据微积分知识，挠曲线的斜率为
因工程实际中梁的转角θ之值十分微小，可近似认为
可见，挠曲线在截面位置坐标x处的斜率，或挠度γ对坐标x的一阶导数，等于该截面的转角。
关于挠度和转角正负符号的规定：在上图选定的坐标系中，向上的挠度为正，逆时针转向的转角为正。