6.2 风荷载计算风压随风速、风向的紊乱变化而不断地改变。

从风速记录来看，各次记录值是不重现的，每次出现的波形是随机的，风力可看作为各态历经的平稳随机过程输入。

在风的顺风向风速曲线(见图6-2所示的风速记录)中，包括两部分：三、时距取值计算基本风压的风速，称为标准风速。

关于风速的标准值，各个国家规定的时距不尽相同，我国现行的荷载规范规定为：当地比较空旷平坦地面上离地10m高，统计所得的50年一遇10min平均最大风速v（m/s）。

由于大气边界层的风速随高度及地面粗糙度变化，所以我国规范统一选10m高处空旷平坦地面作为标准，至于不同高度和不同地貌的影响，则通过其他系数的调整来修正。

时距太短，则易突出风速时距曲线中峰值的影响，把脉动风的成分包括在平均风中；时距太长，则把候风带的变化也包括进来，这将使风速的变化转为平滑，不能反映强风作用的影响。

根据大量风速实测记录的统计分析，10min到1h时距内，平均风速基本上可以认为是稳定值。

平均风速的数值与统计时时距的取值有很大关系。

我国规范规定以10min平均最大风速为取值标准。

首先是考虑到一般建筑物质量比较大，且有阻尼，风压对建筑物产生最大动力影响需要较长时间，因此不能取较短时距甚至极大风速作为标准。

其次，一般建筑物总有一定的侧向长度，最大瞬时风速不可能同时作用于全部长度上，由此也可见采用瞬时风速是不合理的。

而10min平均风速基本上是稳定值，且不受时间稍微移动的影响。

若实际结构设计时所取的重现期与50年不同，则基本风压就要修正。

以往规范将基本风压的重现期定为30年，2001新规范改为50年，这样，在标准上与国外大部分国家取得一致。

经修改后，各地的基本风压值总体上提高了10%，但有些地区则是根据新的风速观测数据，进行分析后重新确定的。

为了能适应不同的设计条件，风荷载也可采用与基本风压不同的重现期，规范给出了全国各台站重现期为10年、50年和100年的风压值，其他重现期R的相应值可按下式确定：（6-6）)110ln /)(ln (1010010−−+=R x x x x R对于对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，以及自重较轻的钢木主体结构，其基本风压值可由各结构设计规范，根据结构的自身特点，考虑适当提高其重现期。

对于围护结构，其重要性比主体结构要低，故可仍取50年。

五、地貌的规定地表愈粗糙，能量消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈低。

由于地表的不同，影响着风速的取值，因此有必要为平均风速或风压规定一个共同的标准。

目前风速仪大都安装在气象台，它一般离开城市中心一段距离，且一般周围空旷平坦地区居多，因而规范规定标准风速或风压是针对一般空旷平坦地面的，海洋或城市中心等不同地貌除了实测统计外，也可通过空旷地区的值换算求得。

式中v h 为风速仪在高度处h 的风速；z 0为风速等于零的高度，其与地面的粗糙度有关，z 0一般略大于地面有效障碍物高度的1/10。

由于气象台常处于空旷地区，z 0较小，有文献建议取0.03米。

应该注意的是，这里所指风速仪高度是指其感应部分的有效高度，如周围有高大树木等障碍物，则有效高度应为风速仪实际高度减去周围障碍物的高度。

虽然实际上，由于不同的地貌，地面粗糙度z 0是一变值，但实用上常取为常数。

七、风压高度变化系数平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度，也称为风剖面，它是风的重要特性之一。

由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面高度的减小而降低。

只有离地300～500米以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气压梯度的作用下自由流动，从而达到所谓梯度风速，出现这种速度的高度叫梯度风高度。

梯度风高度以下的近地面层也称为摩擦层。

地面粗糙度不同，近地面层风速变化的快慢也不同。

开阔场地的风速比在城市中心更快地达到梯度风速，对于同一高度处的风速，在城市中心处远较开阔场地为小。

为了求出任意地貌下的风压，必须求得该地区10米高处的风压，该值可根据该地区风的实测资料，按概率统计方法求得。

但是由于目前我国除了空旷地区设置气象台站，并有较多的风测资料外，其它地貌下风的实测资料甚少，因而一般只能通过该地区附近的气象台站的风速资料换算求得。

设基本风压换算系数为，即，因为梯度风高度以上的风速不受地貌影响，因而可根据梯度风高度来确定。

荷载规范（GB50009-2001）建议取0.16，梯度风高度取350米。

设其它地貌地区的梯度风高度为，因为在同一大气环流下，不同地区上空，在其梯度风高度处的风速（风压）应相同，按（6-11）、（6-12）两式得：a w a w 00w µ000w w w a ⋅=µ0w µαT H关于山区风荷载考虑地形影响的问题，较可靠的方法是直接在建设场地进行与临近气象站的风速对比观测。

国外的规范对山区风荷载的规定一般有两种形式：一种是规定建筑物地面的起算点，建筑物上的风荷载直接按规定的风压高度变化系数计算；另一种是按地形条件，对风荷载给出地形系数，或对风压高度变化系数给出修正系数。

我国新规范采用后一种形式，并参考加拿大、澳大利亚和英国的相应规范，以及欧洲钢结构协会ECCS的规定（房屋与结构的风效应计算建议），对山峰和山坡上的建筑物，给出风压高度变化系数的修正系数。

八、风载体型系数不同的建筑物体型，在同样的风速条件下，平均风压在建筑物上的分布是不同的。

图6-5、6-6表示长方形体型建筑表面风压分布系数，从中可以看到：图6-5 模型上的表面风压分布（风洞试验）图6-6 建筑物表面风压分布（现场实测）（1）在正风面风力作用下，迎风面一般均受正压力。

此正压力在迎风面的中间偏上为最大，两边及底部最小。

（2）建筑物的背风面全部承受负压力（吸力），一般两边略大、中间小，整个背面的负压力分布比较均匀。

（3）当风平行于建筑物侧面时，两侧一般也承受吸力，一般近侧大，远侧小。

分布也极不均匀，前后差别较大。

（4）由于风向风速的随机性，因而迎风面正压、背风面负压以及两侧负压也是随机变化的。

风压除了与建筑物体型直接有关外，它还与建筑物的高度与宽度有关，一些资料指出，随着高宽比的增大，也增大。

各种体型的体型系数见荷载规范，其中迎风面的体型系数常为0.8，背风面的体型系数常为-0.5。

应注意到，风荷载体型系数表示了风荷载在建筑物上的分布，主要与建筑物的体型有关，并非空气的动力作用。

对于外型较复杂的特殊建筑物必要时应进行风洞模型试验s µsµ九、风振系数在随机脉动风压作用下，结构产生随机振动。

结构除了顺风向风振响应外，还有横风向风振响应。

对于非圆截面，顺风向风振响应占主要地位。

我国荷载规范规定：对于基本自振周期T大于0.25s的工程结构，如房屋、屋盖及1各种高耸结构，如塔架、桅杆、烟囱等，以及高度大于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。

对于单层和多层结构，其在风荷载作用下的振动方程为：)}({}]{[}]{[}]{[t P y K y C y M =++&&&（6-21）式中：----为质量矩阵----为阻尼矩阵----为水平风力列向量][M ][C )}({t P对于高层和高耸结构，沿高度每隔一定高度就有一层楼板或其它加劲构件，计算时通常假定其在平面刚度为无限大。

通常结构设计都尽可能使结构的刚度中心、重心和风合力作用点重合，以避免结构发生扭转。

这样结构在同一楼板或其它加劲构件高度处的水平位移是相同的。

考虑到上下楼板或其它加劲构件间的间距比楼房的总高要小得多，故可进一步假定结构在同一高度处的水平位移是相同的。

这样，对高层、高耸结构可化为连续化杆件处理，属无限自由度体系。

当然，也可以将质量集中在楼层处，看成多自由度结构体系。

由于无限自由度体系方程具有一般性质，又具有简洁的形式，能明确反映各项因素的影响，又便于制成表格，故现从无限自由度体系简单说明风振系数的推导过程。

对于主要承重结构，风荷载标准值的表达可由两种形式，其一为平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压；另一种为平均风压乘以风振系数。

由于在结构的风振计算中，一般往往是第一振型起主要作用，因而我国与大多数国家相同，采用后一种表达方式，即采用风振系数，即z β0w w z s z k µµβ=（6-32）式中----风荷载标准值（kN/m2）；----高度z处的风振系数k w z β它综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应，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。

对于结构迎风面宽度远小于其高度的情况（如高耸结构等），若外型、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可按表6－10确定。

对于高耸构筑物的截面沿高度有变化的，应注意如下问题：对于结构进深尺寸比较均匀的构筑物，即使迎风面宽度沿高度有变化，计算结果表明，与按等截面计算的结果十分接近，故对这种情况仍可用公式（6-34）计算风振系数；对于进深尺寸和宽度沿高度按线性或近似线性变化，而重量沿高度按连续规律变化的构筑物，例如截面为正方形或三角形的高耸塔架及圆形截面的烟囱，计算结果表明，必须考虑外形的影响。

此时，除在公式（5-34）中按变截面取结构的振型系数外，上表中的脉动影响系数应再乘以修正系数和。

应为构筑物迎风面在z 高度处的宽度B Z 与底部宽度B 0的比值；可按表6－11确定。

νBθv θB θvθ。