风荷载规范和软件实现.docx

1 中国规范部分
1.1 风荷载计算方法
我国在结构的风振计算中，认为第一振型起主要作用，采用风振系数，综合考虑结构在风荷载作用的动力响应，其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。按照《建筑结构荷载规范》规定，对于主要承重结构，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值计算公式为：

式中 —风荷载标准值()；
—高度z处的风振系数；
—风荷载体型系数；
—风压高度变化系数；
—基本风压()。
1.2 各参数说明
1.2.1 基本风压
观测场地周围的地形为空旷平坦；能反应本地区较大范围内的气象特点，避免局部地形和环境的影响；应取自自记式风速仪的记录资料，非自记式的资料应通过适当修正；风速仪高度应为标准高度10m；在风速观测资料的基础上通过统计计算，得到平均50年一遇的风速为基本风速，按确定基本风压。
基本风压不得小于0.3。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。
1.2.2 风压高度变化系数
当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。在梯度风高度以上区域，认为风速不再受地面粗糙度影响。我国规范把地面粗糙度分为A、B、C、D四类，相应的风压高度变化系数如下：

1.2.3 风荷载体形系数
风荷载体型系数是指风作用在建筑表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，主要与建筑物的体型和尺度有关，与周围环境和地面粗糙度有关。对于规范上列出的体型，可按规范给出的体型系数取用；找不到所对应的体型时可参考相关资料；没有对应体型也无参考资料时，宜由风洞试验确定；对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。
1.2.4 风振系数
对于规范上列出的体型，可按规范给出的体型系数取用；找不到所对应的体型时可参考相关资料；没有对应体型也无参考资料时，宜由风洞试验确定；对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。

式中 —脉动增大系数；
—脉动影响系数；
—振型系数；
—风压高度变化系数。
脉动增大系数由下式得到：

其中
—结构阻尼比；
—考虑当地地面粗糙度后的基本风压；
—结构的基本自振周期。
脉动影响系数，对于无限自由度体系，可按下述公式确定：

对有限自由度体系，可按下述公式确定：

式中考虑风压脉动空间相关性的折算系数，需通过计算机计算确定。
因此，的取值可以采用规范中表7.4.4-3中相应数值。当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，要乘以修正系数和。
对于振型系数，理应在结构动力分析时确定，为了简化，在确定风荷载时，采用近似公式。对高耸构筑物可按弯曲型考虑：

对高层建筑，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑，采用下述近似公式：

或按附录F取相应值。附录F给出的前四个振型系数，是假设框架和剪力墙均起主要作用时的情况。
1.2.5 阵风系数和横风向风振
计算维护结构时，由于刚性较大，可仅在平均风压的基础上，近似考虑脉动风压瞬间的增大因素，原则上可通过局部风压体形系数和阵风系数来计算其风荷载。
对于直接承受风压的幕墙构件（包括门窗）我国规范中阵风系数是参考国外规范的取值水平，按下述公式确定：

式中：
—脉动系数，， 对应于A、B、C、D四类地貌分别取0.12、0.16、0.22、0.30。
—地面粗糙度调整系数，对应于A、B、C、D四类地貌分别取0.92、0.89、0.85、0.80。
对于其他屋面、墙面构件，阵风系数取1.0。
对于横风向风振，尤其对于非圆截面柱体和建筑物，规律更加复杂，我国规范仍建议对重要柔性结构，应在风洞试验的基础上进行设计。所以SATWE软件中并未给出相应的分析计算部分。
1.3 软件实现流程
中国规范中对于风荷载的计算参数的简化比较多，程序在执行过程中按照顺序依次根据表格或者附录公式得到各参数的值，最后由基本风压，体形系数，风压高度变化系数，风振系数相乘得到风荷载标准值。
用户风荷载信息输入界面如下：

修正后的基本风压值应该包含地形因素的修正和其他一些资料特定的要求。

2 欧洲规范部分
2.1 风荷载计算方法
《Eurocode 1: Actions on structures - General actions - Part 1-4:Wind actions》适用于200m以内的建筑和结构工程，以及跨度200m以内的桥梁。对于核心筒等扭转振动明显的结构，需要考虑多阶振型等等结构不在此部分规范讨论范围之内。
此规范中，确定风荷载值有两种途径：使用力系数或者外表面压（吸）力、内表面压（吸）力和风摩擦力求和。其中在外围护构件多孔的情况下才考虑内表面风压。当平行于风向的结构表面面积大于或等于垂直与风向的结构表面面积的4倍及以上时，才考虑风摩擦力的影响。两种途径计算风荷载的计算公式分别为：

其中：
—结构性因子
—结构或结构性构件的力系数
—特征高度处的峰值风速压力
—特征面积
外表面压力：

内表面压力：

摩擦力：

其中：
—结构性因子
—特征高度在某表面处的外表面压力
—特征高度在某表面处的内表面压力
—特征面积
—摩擦系数
—平行与风向的外表面面积
2.2 各参数说明
2.2.1 峰值风速压力
基本风速的基础值，是在开阔平坦的地方10m高度处，统计与风向和时间无关的10分钟以内的平均风速。基本风速由下式即可得到：

其中：
—基本风速
—基本风速的基础值
—方向因子
—季节因子
方向因子和季节因子推荐值为1.0，也可以从国家附录中查找。
任意高度处的平均风速由下式确定：

其中：
—粗糙度因子
—山形因子
粗糙度因子取决于所指高度，和结构迎风向的地面粗糙度，由下式可以确定：
for
for
其中：
—粗糙度长度
—取决于粗糙度长度的地形因子

其中：
=0.05m
—最小高度
—取200m或者从国家附录查找
粗糙度长度和最小高度依赖于地形种类，从规范所给的表中可以找到相应的数值。
计算某高度处的峰值速度压力时，同时考虑了平均值和短期的波动。由下式确定：

其中：
—基本风速压力，
—暴露因子，
是指高度z处的扰动密度，定义为扰动的标准差和平均风速的比值，可以由下式确定：
for
for
其中：
—扰动因子，推荐=1.0，或从国家附录中查找。
其余参数前面均已说明。
2.2.2 山形因子
如果建筑结构位于丘陵中，山脊或峭壁上，平均风速会有所增长，如果认为在平坦区域此高度的平均风速为，此处实际平均风速为，山形因子就定义为二者的比值，即。同时，山形因子可由下式计算得到：
for
for
for
其中：
s—山形位置因子
—迎风向坡度
—迎风向斜坡有效长度
—迎风向斜坡实际长度
—背风向斜坡实际长度
—对象有效高度
—到顶部的水平距离
—到场地的垂直距离
山形位置因子s可以根据不同山形用相应的方法求得数值，这里不再赘述。
2.2.3 结构性因子
结构性因子是欧洲风荷载规范中一个重要的参数，其实可以分为尺寸因子和动力因子两部分。它考虑了作用在结构表面的峰值风速压非同时发生和由于气流扰动而产生的振动的影响。结构性因子的值可由下式得到：

其中：
—特征高度，对于一般建筑结构
—峰值因子，波动因子的最大值和它的标准差的比值
—扰动密度
—背景因子，代表结构表面压力非完全相关
—共振响应因子，代表共振模态的扰动
除了前面已述的扰动密度的确定方法，还有背景因子、共振响应因子和峰值因子三个参数尚需确定。
背景因子由下式确定：

其中：
,—分别为结构的宽和高
—特征高度处的扰动长度尺寸
共振响应因子由下式确定：

其中：
—总的对数阻尼耗散
—非空间性能量谱密度函数
，—空气动力导纳函数
基础模态的空气动力导纳函数可用下式表达：

同时：

非空间性能量密度函数：

其中：
—片面变异谱
—非空间性频率，
令=，即结构的自振频率。
扰动长度尺寸代表了自然风中平均阵风的大小，可由下式确定：
for
for
其中：
—特征高度，取=200m
—特征长度尺寸，取=300m
—
前面定义了峰值因子为响应波动部分的最大值和它的标准差的比值，由下式可以确定：
且
其中：
—，，且，对应于
T—平均风平均时间，T=600s
对于单层结构和高度大于50m的多层结构来说，固有频率可用下式估算：

基础模态的对数阻尼耗散由三部分组成：

其中：
—对数结构性阻尼耗散
—基础模态的对数空气动力学阻尼耗散
—特殊设备提供的阻尼耗散
对数结构性阻尼耗散可以通过查表得到，基础模态的对数空气动力学阻尼耗散可以就算得到，特殊设备提供的阻尼耗散则需要适当的理论和试验求得。
2.2.4 压力系数和力系数
对于不同的结构和建筑形式，次规范第七章给出了相应的压力系数或力系数值。
2.3 软件实现流程
欧洲规范风荷载计算的过程在规范中由右图给出：
计算过程中用到的参数在上一节参数说明中基本均给出了确定的方法。规范中最后计算风荷载的时候列出了两种途径，分别为力系数和压力系数法。压力系数法中，结构内部荷载作用和摩擦力作用通常不用考虑，如果特定情况需要考虑时，用户需自行把这三种系数综合成为力系数以适应程序计算。

除了上述处理步骤中的主要子过程，还有一个计算粗糙系数的子过程，在其他子过程中使用。
用户风荷载信息输入界面如下：