第七讲：横风向结构风效应

横风向风效应研究摘要：目前，关于建筑物横风向荷载与响应的相关问题仍较为复杂，风荷载是高层或是超高层建筑物所承受的主要侧向荷载，与尾流、来流紊流和气动反馈密切相关。

此文主要从风效应、横风向气动力的确定方法、横风向气动阻尼的识别方法、横风向等效静力风荷载的计算方法和风效应相关模型几个方面对横风向风效应进行研究探讨。

关键词：横风效应高层建筑荷载1.风效应的定义风效应可分为顺风向结构风效应和横风向结构凤效应，是由于风力产生的结构位移，速度和加速度响应而产生。

对于高层建筑或超高层建筑，横风向风效应对建筑结构产生的影响更大。

2.横风向气动力的确定方法2.1 气动弹性响应反演法气动弹性响应反演法是用单自由度气动弹性模型风洞试验的中得到的动力特性参数从而反演出横风向气动力谱，并且这种方法略去了气动反馈作用。

这个方法的具体做法需要在忽略高阶模态影响的基础前结合模型的动力特性参数反演模态广义横向位移响应谱。

通过这个方法就可以了解紊速度、折算风速、高宽比、截面形状、涡旋共振、非线性及角沿修正对动力气谱的影响。

但是这个方法也有它的缺陷或是不足之处，他的适用范围受到限制，只适用于一定风速作用下具有一定刚度的建筑，这就是他的运用受到了很大的局限性，并且这个方法也存在较大的误差。

2.2 刚性模型表面风压积分法刚性模型表面风压积分法就是对刚性模型表面风压进行空间积分，得到高层建筑的横风向气动力谱。

我们通过同步测压试验分解横风向气动力谱的方法，第一，可以解释高层建筑横风向气动力谱的结构部分；第二，可以计算出结构基阶和高阶广义气动力谱。

当然，这种方法也有它的不足，就是操作过程繁复，也会存在一定的误差。

3.横风向气动阻尼的识别方法3.1 刚性模型与气动弹性模型试验比较法这种方法是通过横风向气动力谱与气动力阻尼相结合，从而能够计算得出与实际测量结构很吻合的横风向响应。

通过实验研究表明：在城市风场的条件之下，其中的方形建筑物横风向响应是启动稳定的；另外，由于质量阻尼系数，开阔地区的横风向响应则可分为气动稳定区、气动非稳定区和气动发散区三个区域。

第四节顺风向结构风效应顺风向风效应= 平均风效应一、顺风向平均风效应1. 风载体型系数结构表面风压与同一高度来流风速对应的风压的比值实际风到达工程结构物表面并不能理想地使气流停滞，而是让气流以不同方式在结构表面绕过。

但伯努利方程仍成立，即：风洞试验图：气流通过拱形屋顶房屋示意图复杂结构产生正负压风载体型系数：由于气流会以不同的方式在结构表面流过，故实际结构物所受的风压不能直接按照风速与风压的关系计算，而需要对其修正，其修正系数与结构物的体型有关，故称为风载体型系数封闭式双坡屋面的风荷载体型系数风荷载体型系数+0.8而不是+1.0？注意：侧风面-0.7，背风面-0.5Pressure from wind on windward surfacesWind directionPressureWind damage scenarioSuction on roof surfaces Wind directionSuction on side wallWind directionWind damage scenarioWind directionSuction on leeward wallWind damage scenario建筑结构荷载规范(GB50009-2012)有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）(GB50009-2012)建筑结构荷载规范4-10轻钢规范CECS2002目前风洞试验是确定复杂结构风荷载（尤其是脉动风荷载）的唯一可靠方法相同大气环境下（即同一地区）：不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即:任意地貌任意高度z a的风压（书：任意地貌基本风压）与标准地貌的基本风压的关系：2.风压高度变化系数为何引入此概念？或3.平均风下结构的静力风载:任意粗糙度任意高度的风压与标准粗糙度下标准高度处的基本风压的比值任意地貌10米高度(z a )的风压（书：任意地貌基本风压）与标准地貌的基本风压的关系：z a =z s =10 米zμ风压高度变化系数考虑到近地面风速的不确定性较高，规范还分别规定了四类地貌的风压高度变化系数截断高度，对应A 、B 、C 、D 类地貌分别取5m 、10m 、15m 和30m ，即风压高度变化系数取值分别不小于1.09、1.00、0.65和0.51。

《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题第一章荷载类型1.荷载：由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力称为荷载。

2.作用：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种因素总称为作用。

3.荷载与作用的区别与联系.区别：荷载不一定能产生效应，但作用一定能产生效应。

联系：荷载属于作用的范畴。

第二章重力1.土是由土颗粒、水和气体组成的三项非连续介质。

2.雪压：单位面积地面上积雪的自重。

3.基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

第三章侧压力1.根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。

三种土压力的受力特点：（1）静止土压力：挡土墙在土压力作用下，不产生任何方向的位移或转动而保持原有的位置，墙后土体处于弹性平衡状态。

（2）主动土压力：挡土墙在土压力的作用下，背离墙背方向移动或转动时，墙后土压力逐渐减小，当达到某一位移量值时，墙后土体开始下滑，作用在挡土墙上的土压力达到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态。

（3）被动土压力：挡土墙在外力作用下向墙背方向移动或转动时，墙体挤压土体，墙后土压力逐渐增大，当达到某一位移时，墙后土体开始上隆，作用在档土墙上的土压力达到最大值，滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态。

2.水对结构物的力学作用表现在对结构物表面产生静水压力和动水压力。

静水压力可能导致结构物的滑动或倾覆；动水压力，会对结构物产生切应力和正应力，同时还可能引起结构物的振动，甚至使结构物产生自激振动或共振。

3.（1）冻胀力：在封闭体系中，由于土体初始含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力。

（2）冻土：具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土，称为冻土。

（3）冻胀原理：水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，底层隆起。

第一章荷载类型1、荷载与作用在概念上有何不同？荷载：是由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力。

作用：能使结构产生效应的各种因素总称。

2、说明直接作用和间接作用的区别。

将作用在结构上的力的因素称为直接作用，将不是作用力但同样引起结构效应的因素称为间接作用，如温度改变，地震，不均匀沉降等。

只有直接作用才可称为荷载。

3、作用有哪些类型？请举例说明哪些是直接作用？哪些是间接作用？①随时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用②随空间位置变异分类：固定作用、可动作用③按结构的反应分类：静态作用、动态作用。

4、什么是效应？是不是只有直接作用才能产生效应？效应：作用在结构上的荷载会使结构产生内力、变形等。

不是。

第二章重力1、结构自重如何计算？将结构人为地划分为许多容易计算的基本构件，先计算基本构件的重量，然后叠加即得到结构总自重。

2、土的重度与有效重度有何区别？成层土的自重应力如何计算？土的天然重度即单位体积中土颗粒所受的重力。

如果土层位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，单位体积中，土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度。

3、何谓基本雪压？影响基本雪压的主要因素有哪些？基本雪压是指当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

主要因素：雪深、雪重度、海拔高度、基本雪压的统计。

4、说明影响屋面雪压的主要因素及原因。

主要因素：风的漂积作用、屋面坡度对积雪的影响（一般随坡度的增加而减小，原因是风的作用和雪滑移）、屋面温度（屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生）。

5、说明车列荷载与车道荷载的区别。

车列荷载考虑车的尺寸及车的排列方式，以集中荷载的形式作用于车轴位置；车道荷载则不考虑车的尺寸及车的排列，将车道荷载等效为均布荷载和一个可作用于任意位置的集中荷载形式。

第三章侧压力1.什么是土的侧压力？其大小与分布规律与哪些因素有关？土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。

结构风效应主要内容风对结构作用风洞试验方法桥梁抗风研究建筑结构抗风研究卢浦大桥抗风研究1、风对结构作用什么是风——风是空气相对于地球表面的流动为什么有风——地球自转；太阳对地球表面不均匀加温风是一种力——大小；方向风速随时间变化——平均风速；脉动风速（紊流强度）风速随空间变化——风速剖面（指数律）空气流动中的旋涡——紊流尺度、功率谱密度风对结构的作用是一种复杂力的作用1.1 自然风特性1、风对结构作用（续）静力作用（平均风）——结构强度、刚度、稳定性结构变形或破损外装饰（幕墙）、辅助设施破损、飞落强迫振动（脉动风）——顺风向抖振（疲劳）横风向涡激振动（含扭转振动）人感不适（起居、工作、行走） 1、风对结构作用（续）自激振动（风与结构相互作用）——自激性涡激共振单自由度自激发散振动弯曲颤振、扭转颤振、驰振耦合自激发散振动（弯扭耦合颤振）悬索桥、斜拉桥尾流驰振（尾索、输电线等）缆索雨振（斜拉索）1.2 风的作用现象（续）1、风对结构作用（续）环境影响——建筑物周围的风环境恶化（风干扰）局部地区的风环境恶化（质量迁移）污染物扩散（汽车尾气、有害工业气体）风噪声（阳台、窗框、桥栏杆等）室内通风换气不良1.3 风的作用现象（续）1、风对结构作用（续）科学研究——数理模型、实验室试验、现场实测理论分析——只有极少数问题有解析解计算流体动力学（CFD）方法风洞试验——目前和今后一段时间的主要方法现场实测一一最精确的方法，难于实时捕捉1.4研究方法2、风洞试验方法什么是风洞一一使空气按一定规律流动的管道风洞分类一一按用途、风速、尺寸、结构型式大气边界层风洞――模拟自然风特性――试验区良好的流场品质风洞中的自然风特性模拟――被动式方法（尖劈加粗糙元；格栅）——主动式方法（具有可控调节功能）2.1大气边界层风洞2.2结构模型风洞试验相似准则一一基本条件基于动力平衡方程结构：惯性力、弹性力、重力、阻尼力空气：惯性力、粘性力相似参数基本参数模型与实际结构间的相似关系2、风洞试验方法（续）2.2结构模型风洞试验（续）2.4结构风洞试验历史1904年：第一次结构风洞试验，早于航空风洞1940年：Tacoma海峡桥的风毁事故1950年：F.B. Farquharson教授的Tacoma桥风洞试验1960年：A.G. Davenport教授提出边界层风洞试验理论1965年：第一座大气边界层风洞诞生（加拿大西安大略大学）90年代：大型大气边界层风洞建设日本土木研究所（筑波）40m x 4m x 30m 中国同济大学15m x 2m x 14m---- 丹麦DMI （海洋研究所）13.6m x 1.7m x 15m3.1静力气动力测量目的：测定作用在桥梁上的静力气动力模型：刚体模型（主梁、塔柱、构件）要点：避免三维效应（端板，辅助模型）测量：应变式测力天平（三分力）3.2动力气动力测量目的：测定桥梁的振动响应及动力气动力模型：弹簧悬挂二元刚体节段模型要点：避免流场中的干扰因素（外支架）结构阻尼的模拟测量：竖向平动与扭转运动仪器：加速度计位移计应变计3.3三维全桥模型试验目的：测定架设全过程及成桥状态的三维振动响应模型：三维气动弹性模型要点：满足结构力学、空气弹性力学相似条件需要大试验尺寸的风洞自然风场的模拟测量：结构的振动响应形态：颤振、涡激共振、抖振3.4 桥梁抗风主要成就大跨度桥梁设计关键问题——抗风设计大跨度桥梁抗风研究里程碑1990 年：上海南浦大桥抗风研究（世界第三斜拉桥）1994 年：上海杨浦大桥抗风研究（世界第一斜拉桥）1998 年：江阴长江大桥抗风研究（世界第三斜拉桥）2003 年：上海卢浦大桥抗风研究（世界第一拱桥）大跨度桥梁抗风研究未来2008 年：苏通长江大桥抗风研究（世界第一斜拉桥）2008 年：舟山西堠门大桥抗风研究（世界第一悬索桥）4.1 表面风压测量目的：幕墙设计、结构风荷载（积分得到）模型：刚体模型周围地貌和环境的模拟测量：压力扫描阀电子式、机械式消除管路腔体谐振影响4.2 基底反力测量目的：建筑物整体或局部荷载模型：刚性模型脉动风力测量时，轻质刚性测量：六分力应变式天平脉动风力测量时，高频测力天平分段测量时的模型及天平安装4.3 振动响应测试目的：结构的动力稳定性舒适度等效风荷载模型：单自由度模型（顺＋横风向振动）二自由度模型（顺＋横风向振动）多质点系模型（考虑高阶振动）气动弹性模型（三维多振型耦合振动）测量：加速度、位移4.4 风作用其他问题高层建筑物间的风干扰（群体试验）建筑物的尾流效应（尾流测量）建筑物的风噪声（风噪声试验）质量迁移——堆积荷载（雪、沙）（地形试验）4.5 高耸结构抗风成就高耸结构设计关键问题——抗风和抗震高耸结构抗风研究里程碑1988 年：上海广播电视塔（青海路）抗风研究1995 年：上海东方明珠塔抗风研究（世界第三高塔）1999 年：上海金贸大厦抗风研究（世界第三高楼）高耸结构抗风研究未来2008 年：上海环球金融中心抗风研究（世界第一高楼）2008 年：北京奥运会主体育场抗风研究2010 年：上海世博会场馆抗风研究。

工程结构荷载与可靠度设计原理复习资料(doc 8页)《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题第一章荷载类型1.荷载：由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力称为荷载。

2.作用：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种因素总称为作用。

3.荷载与作用的区别与联系.区别：荷载不一定能产生效应，但作用一定能产生效应。

联系：荷载属于作用的范畴。

第二章重力1.土是由土颗粒、水和气体组成的三项非连续介质。

2.雪压：单位面积地面上积雪的自重。

3.基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

第三章侧压力1.根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力。

（2）冻土：具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土，称为冻土。

（3）冻胀原理：水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，底层隆起。

（4）影响冻土的因素：含水量、地下水位、比表面积和温差。

第四章风荷载1.基本风压：按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。

通常应符合以下五个规定：标准高度的规定（10m）、地貌的规定(空旷平坦)、公称风速的时距（10分钟）、最大风速的样本时间（1年）和基本风速重现期（30-50年）。

2.风效应可以分为顺风向结构风效应和横风向结构风效应两种。

3.速度为的风流经任意截面物体，都将产生三个力：物体单位长度上的顺风向力p D、横风向力P L以及扭力矩P M。

第五章地震作用1.地震按其产生的原因，可分为火山地震、陷落地震和构造地震。

2.（1）震源：即发震点，是指岩层断裂处。

（2）震中：震源正上方的地面地点。

（3）震源深度：震中至震源的距离。

（4）震中距：地面某处到震中的距离。

（5）震级：衡量一次地震规模大小的数量等级。

（6）地震能：一次地震所释放的能量。

1→2风是空气相对于地面的运敌,是风从气压高的地方向气压小的地方流动而形成的。

气流一遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。

风速愈大，风对结构产生的压力也愈大。

使结构产生变形和振动，从而使结构不能正常地工作．或者产生局部破坏。

甚至整体破坏。

由于气流的惯性和粘性，风流经非流线型的高层建筑时，会产生复杂的流同相瓦作用效应。

主要表现为气流的分离、再附着、涡的形成和脱落以及尾流的发展，同时产生气动力。

风荷载对高层建筑有明显的三维荷载效应．按照气动力的合力方向。

风荷载对建筑的作用主要分为顺风向荷载、横风向荷载、扭转风荷载。

在一维气流流动中，顺风向有平均风和脉动风的共同作用。

而在与平均风垂直的水平方向，即横风向以及竖直方向仅有脉动风作用。

因此，对于建筑结构，其风效应主要包括：顺风向效应、横风向效应、风致扭转效应及结构的自激振动反应。

2→33→44→55→66→77→8在强风作用下，高层建筑所产生的振动，使人不舒适，所以高楼的抗风设计，不仅要满足强度、变形和倾覆稳定方面的要求，而且还要使高楼在顺风向振动、横风向振动和扭转振动控制在不使居住者产生不适感的容许限度内。

8→99→1010→1111→12（可以简单说说，提问环节备用）SCSS和CQC法对于平面振动的多质点弹性体系，可以用SRSS法，它是基于假定输入地震为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立而推导得到的；对于考虑平-扭耦连的多质点弹性体系，采用CQC法，它与SRSS法的主要区别在于：平面振动时假定各振型相互独立，并且各振型的贡献随着频率的增高而降低；而平-扭耦连时各振型频率间距很小，相邻较高振型的频率可能非常接近这就要考虑不同振型间的相关性，还有扭转分量的影响并不一定随着频率增高而降低，有时较高振型的影响可能大于较低振型的影响，相比SRSS时就要考虑更多振型的影响。

CQC-complete quaddratic combination，即完全二次项组合方法，其不光考虑到各个主振型的平方项，而且还考虑到耦合项，对于比较复杂的结构比如考虑平扭耦连的结构使用完全二次项组合的结果比较精确。

第五节横风向风力及其风效应横风向风振对称结构可忽略?，但细长的高柔结构须考虑动力效应。

与结构（建筑）截面形状及雷诺数有关1. 雷诺数结构形状雷诺数相同，动力相似层流向湍流转换界限运动粘性式中：ρ：流体密度；μ：流体粘性系数l：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。

对于空气：R e =69000vl =69000vB如果R e <1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体；如果R e >1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。

雷诺数（无量纲）：有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）•气流沿上风面AB 速度逐渐增大，之后沿下风面BC 速度逐渐减小。

由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦，气流在BC 中间某点S 处停滞，生成旋涡，并以一定的周期（或频率f s ）脱落•Strouhal 数定义(无量纲)：D：圆柱直径2. Strouhal 数图：旋涡的产生与脱落Karman 涡街现象3.横风向共振实验表明：<3.0x105时（亚临界范围），S t≈0.2;当3.0x102≤ R当3.0x105≤ R e <3.5x106时（超临界范围），S t 的离散性大;当3.5x106≤ R e 时（跨临界范围R e=69000vl=69000vB），S t≈0.27~0.3;图：圆形截面物体与R e 的关系１—亚临界范围２—超临界范围３—跨临界范围当S t =常值时，f s =常值，则当结构的横向自振频率= f s 时，将产生共振。

工程设计时，亚临界范围：共振构造措施超临界范围：不共振跨临界范围：共振专门处理常见截面的Strouhal 数为何圆形截面的St 数与Re 有关系？以一定的周期（或频率f s ）的气流顺风向横风向•习惯上我们常把气动力分解到两个正交的方向上，可以取“风轴”。

也可以“体轴”，如图。

风力（三个分量：顺风向力、横风向力、扭力矩）μD ：顺风向风力系数，与为迎风面和背风面体型系数的总和；μL ：横风向风力系数，与结构截面形状和雷诺数有关。