1、高層建筑結(jié)構(gòu),田礫 2011.10,簡要回顧 Review,圖1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移與高度的關(guān)系,H,,,,,,,,,,,H,N=f（H）,M=f（H2）,Δ=f（H4）,內(nèi)力或位移,,,高層結(jié)構(gòu)中水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移往往起控制作用，那么，主要的水平荷載有哪些呢？,這說明了什么問題？,風荷載 地震作用,Chp.3 高層建筑荷載,§3.1 風荷載（Wind loads） 本節(jié)重點（Emphases）基本風壓值概念，確

2、定方法風載標準值計算及系數(shù)含義橫風向風振:旋渦脫落，馳振, 顫振, 擾振等例題（結(jié)合工程實例）,Breeze，wind, storm,3.1.1引言－風災實例,春風和煦 夏風怡人 秋風颯颯…… 很美好！ 但事物的 另一面呢？,,古巴首都哈瓦那海濱大街2005.10.24颶風“威爾瑪”掀起滔天巨浪，越過堤岸，拍打著樓房,hurricane,2005.8.30 美國新奧爾良，颶風卡特里娜襲

3、擊, 80%的土地被淹，死亡上千人，410億美元的損失，2000億美元的重建費用。05年全美先后遭受13次颶風襲擊,颶風麗塔襲擊美國,風的威力！,2007 .8.18 臺風圣帕福建登陸,風災實例,1926年9月美國邁阿密市Meyer-Kiser大樓（17層鋼框架）颶風襲擊后發(fā)生塑性變形，頂部水平殘余位移竟達0.61m。,,2005.9.26，?？谑兴{天路凡達大廈樓頂?shù)拇箬F皮，因被風吹而懸掛在半空中，直接危及行人和路邊的高壓電線。,,風

4、對建筑物的損壞,收費站,廣告牌,新Tacoma橋,1938年開工建設(shè)，1940.7.1通車，1940.11.7塌毀，主跨長853.4m，全長1810.56m，橋?qū)?1.9m，梁高僅1.3m，中等風速－19m/s,新橋1950.10.14建成，懸索橋，加勁梁改為桁架式，比舊橋長12m。,Tacoma 橋,2007.2.28,2時05分，新疆吐魯番三十里風區(qū)5807次列車因瞬間大風（13級）造成11節(jié)車廂脫軌，3人當場死亡，34人輕傷。,,

5、,3.1.2 兩類性質(zhì)的大風,臺風，颶風，熱帶風暴季風：冬季西北風；夏季東南風。,,,臺風:大氣環(huán)流中的組成部分，風速達到 33m/s以上，出現(xiàn)在西北太平洋和 我國南海海域的熱帶低壓氣旋稱為 Typhoon。,颶風:同樣地，發(fā)生在大西洋、加勒比海和北太 平洋東部的則稱Hurricane，一天內(nèi)釋放的 能量相當于全美國半年的電力需求量。

6、 熱帶風暴：發(fā)生在印度洋附近的為tropic storm(龍卷風：伴隨臺風等產(chǎn)生，作用時間短。 cyclone, tornado ),（麻省理工學院、以色列希伯來大學的兩支團隊試圖改變颶風 方向以減小損失。2007-10-22 北京青年報 ）,,3.1.3 我國風氣候總況,大風區(qū) 東南沿海、青藏高原,次大風區(qū) 東北、華北和西北,最大風區(qū) 臺灣、海南和南海島嶼；,小風區(qū)

7、 長江中下游、黃河中下游,最小風區(qū) 云貴高原,新疆山口風瞬時最大可達64m/s！大約是12級風的風速的兩倍，相當于18級風和4級颶風,3.1.4基本概念 Conception,空氣從氣壓高的地方流動到氣壓低的地方就形成了風。風遇到建筑物時，在建筑物表面產(chǎn)生壓力和吸力，這種風力作用稱為風荷載。,由流體力學中的伯努利方程可知風壓與風速關(guān)系,,,,,,,,,,,,,,,風 速,風壓力,,2007.1.18，法國北部維姆勒，大風卷起巨浪

8、。,風壓與風速 關(guān)系密切,一場強烈暴風18日席卷西北歐多個國家，至少6人死亡。風速最高達140km/h (約40m/s)。賴斯對德國的訪問也因此提前結(jié)束。,那么，計算風壓時，該如何確定風速呢？,3.1.5基本風壓 Reference Wind Pressure,GB50009-2001,JGJ 3-2002,,基本風壓應按照現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定采用。對于特別重要或?qū)︼L荷載比較敏感的高層建筑，承載

9、力設(shè)計時應按100年重現(xiàn)期的風壓值采用?；撅L壓按離地10米高度，空曠平坦地面，50（100）年一遇，10分鐘平均最大風速計算。,但基本風壓不得小于 0.3kN/m2 對于特別重要或風敏感的高層建筑，100年高度大于200m， 平面不規(guī)則,立面復雜 立面開洞或連體 周圍地形環(huán)境復雜 宜通過風洞試驗判斷確定風荷 載，以補規(guī)范的不足。,,,“珠江帆影”高層建筑群風洞試驗,非標準

10、高度換算非標準地貌的換算不同時距的換算不同重現(xiàn)期的換算山區(qū)、遠海海面、海島應修正,3.1.6 換算與修正,3.1.7風荷載標準值 nominal value of wind load,計算主要承重結(jié)構(gòu)時計算維護結(jié)構(gòu)時,(kN/m2),,1)風振系數(shù)（順風向）,在風的順風向時程曲線中，會有兩種成分：長周期--持續(xù)10分鐘以上－平均風（穩(wěn)定風） 靜力作用短周期--只有幾秒鐘左右－ 脈動風

11、 動力作用,,T1≥0.25s的工程結(jié)構(gòu),以及H>30m且H/B>1.5的高柔房屋均應按隨機振動理論、結(jié)構(gòu)動力學方法考慮順風向風振的影響。,對于一般懸臂結(jié)構(gòu)，如塔架，煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及可忽略扭轉(zhuǎn)影響H>30m,H/B>1.5的高層建筑，可以只考慮第一振型作用，按下式考慮風振影響。,,脈動增大系數(shù)，按照w0T12查表確定，v 脈動影響系數(shù)，按照結(jié)構(gòu)總高度，高寬比，地面粗糙度類別查表確定

12、 振型系數(shù)，按照高聳結(jié)構(gòu)或高層結(jié)構(gòu)，根據(jù)振型號和相對高度查表確定,,可按下表查用：,脈動增大系數(shù) 由隨機振動理論導出，按達文波特Davenport建議的風譜密度經(jīng)驗公式簡化可得：,new,,脈動影響系數(shù)υ：反應了風壓脈動相關(guān)性對結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)構(gòu)迎風面寬度遠小于其高度的情況(如高聳結(jié)構(gòu)等)：若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動系數(shù)可按下表確定。,陣風系數(shù),對于圍護結(jié)構(gòu)，包括玻璃幕墻，由于脈動引起的振動很小，可以不考慮風振的影響，但

13、是應考慮脈動風壓的分布，即在平均風的基礎(chǔ)上乘以陣風系數(shù)?？砂凑盏孛娲植诙阮悇e和計算高度查表確定。,梯度風高度：風速由地面處為零沿高度按曲線逐漸增大，近地層氣流為湍流，受地面粗糙度影響，風速沿高度增加的梯度不同，達到大氣邊界層后風速受地面影響變小，大氣可以在氣壓梯度作用下自由流動（層流），此時風速稱為梯度風速，而此時的高度稱為梯度風高度。 梯度風高度處風壓相等。,風速隨高度的變化,2)風壓高度變化系數(shù),2)風壓高度變化系數(shù),按照地面

14、粗糙度類別和距地面高度查表地面粗糙度分類－A 近海海面、海島、海岸、湖岸、沙漠 －B 田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋稀少的鄉(xiāng) 鎮(zhèn)及城郊－C 有密集建筑群的城市市區(qū)－D 有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū),1 以擬建房2km為半徑的迎風半圓影響范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風向原則上應以該地區(qū)最大風的風向為準，但也可取其主導風；2 以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度來劃分地面粗糙度類別，D類:H≥18m，9m＜H≤1

15、8m，為C類， B類:H＜9m。,,,,,,3 影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定,即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者；4 平均高度 取各面域面積為權(quán)數(shù)計算。,地面粗糙度分類原則,2）風壓高度變化系數(shù),2）風壓高度變化系數(shù),3)風載體型系數(shù),風流經(jīng)建筑平面時的風壓分布系數(shù)(表面風壓/基本風壓),駐渦區(qū),迎風面 背風面風流經(jīng)

16、建筑立面時的風壓分布系數(shù),,,,,群集高層應考慮干擾效應－－ ×干擾增大系數(shù),7.3.1 房屋和構(gòu)筑物的風載體型系數(shù)，可按下列規(guī)定采用:1 房屋和構(gòu)筑物與表7.3.1 中的體型類同時， 可按該表的規(guī)定采用；2 不同時，可參考有關(guān)資料采用；3 不同且無參考資料可以借鑒時，宜由風洞 試驗確定；4 對于重要且體型復雜的房屋和構(gòu)筑物，應 由風洞試驗確定。（荷載規(guī)范）,風壓力與風吸力,圓形平面

17、風載體型系數(shù)最小 0.8建筑物角隅邊棱處、陽臺、檐口等突出處應考慮風壓分布不均勻性，即考慮局部風載體型系數(shù)： 外表面負壓區(qū)，墻面-1.0、墻角-1.8、屋面局部-2.2、檐口、雨蓬、遮陽板等-2.0、封閉建筑內(nèi)表面按外表面風壓正負取-0.2或+0.2,3.1.8總風載,（kN/m）,建筑物各個表面承受的風力的合力為總風載，是沿高度變化的分布荷載,總風載計算步驟,1.作用于建筑物第i個表面高度z處的風荷載集度為式中2.

18、整個建筑物高度Hi處風載集度是各表面風載之和,（kN/m）,總風載計算步驟,3.第i層樓處風荷載合力Pi為4.荷載簡化 風荷載可以按照底部總彎矩等效的原則轉(zhuǎn)化為倒三角形荷載,（kN),（kN/m）,3.1.9橫風向風振,通常，橫風向風力較順風向風力小得多超高層、煙囪、高聳塔架等由于氣流繞過截面時產(chǎn)生的旋渦又不斷脫落，可能會引起橫風向的共振。用雷諾數(shù)Re判斷結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生橫風共振 R

19、e＝69000vD v 風速 D 結(jié)構(gòu)直徑,3.0×102≤Re＜3.0×105 亞臨界范圍 微風共振 構(gòu)造抗振3.0×105 ≤Re＜ 3.0×106 超臨界范圍 Re ≥ 3.0×106 跨臨界范圍 強風共振 考

20、慮荷載效應 設(shè)計重點,圓筒式結(jié)構(gòu)臨界范圍的劃分,,3.2.8高層建筑風荷載應考慮橫風向風振的影響，橫風向風振的計算應符合現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的有關(guān)規(guī)定。3.2.9 考慮橫風向風振計算時，風荷載作用效應應按下列公式計算：,,式中：S—為考慮橫風向風振的風荷載效應； SA—為順風向風荷載效應； SC—為橫風向風荷載效應。,3.1.10馳振（gallopin

21、g）,通常，由于阻尼作用，結(jié)構(gòu)的振動是穩(wěn)定的某些情況，外界激勵產(chǎn)生的負阻尼大于結(jié)構(gòu)正阻尼時，振動不斷加劇，達到極值而破壞非圓截面才可能發(fā)生馳振也稱為橫風向彎曲單自由度振動,3.1.11顫振和抖振,風作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動－顫振彎曲和扭轉(zhuǎn)振動耦合－彎扭顫振 常出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中一結(jié)構(gòu)處于另一結(jié)構(gòu)的卡門渦道中，可能發(fā)生抖振 可能發(fā)生于密集高層建筑中,例題,某11層鋼砼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地處市郊，基本風壓0.5kN/m

22、2，結(jié)構(gòu)總高度33.2m，底層3.2m，其余層3m，試求結(jié)構(gòu)橫向總風載。已知結(jié)構(gòu)基本自振周期0.556s。平面如下圖，開間7500，進深6600mm，走廊2400mm，翼墻3000mm（從軸線算起），結(jié)構(gòu)軸線總長60m，總寬15.6m,,,本例題平面為矩形 ，迎風面背風面風載體型系數(shù)之和風壓作用方向與計算方向夾角α＝0所以沿建筑高度方向每米風載　由于本建筑高度超過30m，高寬比大于1.5，所以還應考慮風振系數(shù)的影響，同時還

23、應考慮風壓高度系數(shù)的影響,,按照B類地面，w0T12＝0.155查表得ξ＝1.26查表得v=0.48,則建筑物在高度Hi處風載集度 可查表獲得，則列表計算風荷載,（kN/m）,,,,,,,,,,,,作 業(yè),按照青島地區(qū)，查荷載規(guī)范，計算P72習題3.3，坐標方向如圖注意：每一個量的量綱 風載體型系數(shù)正負號的含義,,,思考題,基本風壓是如何確定的？影響風荷載