第二章
作用于结构上的风荷载
由于自然风的湍流特性，风速可分成准定 常的时均风速和非定常的脉动风速，因此， 作用在建（构）筑物上的风荷载包括平均 风荷载和动态风荷载两部分。
平均风荷载
1）力和力矩 对于建（构）筑物来说，平均风荷载主要指作用在 建（构）筑物上的风力，包括顺风向力Fx（阻力）、 横风向力Fy（侧力）、竖风向力Fz（升力）、顺 风向弯矩My（倾覆力矩）、横风向弯矩Mx（横侧 力矩）和扭矩Mz。
（α=0.16,zba=10,zg=350m)；
——C 类指有密集建筑群的城市市区（α=0.22,zba=15,zg=400m)； ——D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区（α=0.30,zba=20,zg=450m) 。
4）风载体型系数 为了得到各种建（构）筑物表面风压的大小 和分布，目前，主要通过风洞试验测量模型 上各点的压力系数，即
5）平均风荷载计算
w( z) s ( z) z ( z) w0
平均风荷载的用途：进行静风作用下的结构内力和位移 分析。
动态风荷载
1. 顺风向风荷载 脉动风作用在建（构）筑物上的荷载除了平均风 荷载外，还有动态风荷载。动态风荷载一般分为 顺风向动态风荷载和横风向动态风荷载。 1）风振系数 在我国的建筑荷载规范中，采用等效静力荷载 来表示脉动风引起的顺风向动态风荷载，即用平 均风荷载乘以荷载风振系数（简称风振系数）z。
风荷载和动力响应的特点
1）不同冷却塔的平均压力分布不同，压力分布除了 取决于塔的几何形状、雷诺数和塔体表面粗糙度 外，还与近地风特性等有关。 2）在60 120范围内，表面粗糙的冷却塔比 表面光滑的冷却塔的脉动风压系数值要小。另外， 在不同雷诺数和不同高度处，冷却塔的脉动压力 系数也是不同的。
电视塔风荷载和结构响应特性有以 下的一些特点：
1)作用在电视塔上的风荷载主要是顺风向力和顺风 向弯矩，横风向力和横风向弯矩很小；雷诺数对由 圆柱体构件组成的电视塔的风荷载有一定的影响。 2)对于电视塔这类高耸构筑物结构，由于其柔度大， 阻尼小，在风的作用下，结构响应非常显著。一般， 横风向响应与顺风向响应值有相同的量级，有时， 横风向响应要大于顺风向响应。
第一章 结构风效应、结构抗风设计理论的发展
1.发展概述
茅屋为秋风所破歌 八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅。 茅飞渡江洒江郊， 高者挂罥长林梢，下者飘转沉塘坳。
• 1890年，澳大利亚W. C. Kernot建筑 物模型屋面上的风压分布。 • 1894年，丹麦J. O. Irminger也在风洞 中测量了建筑物模型表面上的风压分 布，并与实测结果进行了比较。 • 1889年，法国G. Eiffel在设计当时世界 最高（300m）的巴黎埃弗尔铁塔时， 计算了塔的挠度；铁塔建成后，他又 在地面用望远镜测量了塔顶移动的轨 迹呈椭圆形，平均挠度为7~8cm
冷却塔
冷却塔是火力发电厂或核电站的重要设施之一， 随着发电机组容量的增加，用来冷却循环水的大 型冷却塔的高度已超过150m，属于高耸结构。早 在1965年，英国渡桥电站的八座呈双排交错布置 的高114m的双曲型冷却塔在强风的作用下倒塌了 三座，倒塌的冷却塔为2A、1A和1B，如图所示， 经研究分析后认为倒塌的主要原因是设计时风荷 载取值偏低，另外，冷却塔群的平面布置也不尽 合理。在这以后，冷却塔倒塌事件仍时有发生， 因此，对冷却塔的风荷载和结构响应的研究，一 直是风工程领域中的一个重要内容。
2)动态风荷载计算 作用在建（构）筑物上的动态风荷载可表示为
w( z) z ( z) s ( z) z ( z)w0
2. 横风向风荷载
与顺风向风荷载相比，建（构）筑物在横风向的 动态风荷载的产生机理比较复杂，它主要是由来 流湍流，尾流旋涡以及建（构）筑物本身的振动 所产生。目前尚无通用的解析方法来计算建（构） 筑物的横风向荷载，一般依靠风洞试验来获得。
2）风压 当风以一定速度向前运动遇到阻碍时，将对阻 碍物产生压力。
伯努利方程
1 2
V P const
2
V=0，得到最大静压力P0。
在建（构）筑物结构设计时，可以将平均风荷载的 大小用风压来表示的。当速度为V的气流流经建 （构）筑物上时，作用在其单位面积上的风的动压 （又称风压，净压力）可表示为
2. 风对结构的作用
• 使结构或其构件受到过大的风力或不稳定 • 使结构或其构件产生过大的变形，引起外墙、 外装饰材料的破坏 • 由风振作用导致的结构或其构件的疲劳破坏 • 由于结构气动弹性失稳，加剧了结构在风中 运动产生的风荷载 • 过大的振动导致建筑物使用者的不舒适感 • 行人高度风环境的舒适性
基本风压的获取途径
1）可根据建筑结构荷载规范（GB 50009— 2001 )确定; 2）对于特定地区，可根据年最大风速（一般25年，至少 10年）通过统计方法确定50年一遇的最大风速； 3）大于50年重现期，应根据年最大风速通过统计方法确 定重现期内一遇的最大风速。
3）风压高度变化系数 基本风压是在标准地貌（当地比较空旷平坦 地面上）10m高度处的风压值。但是在建 （构）筑物结构设计时，需要知道任一地貌 和任一高度z处的风压wz与基本风压w0的关 系，因此，引入了风压高度变化系数z，即
按现行规范的定义
z 1 v z / z
式中ξ—脉动增大系数； υ—脉动影响系数； φ(z) —振型系数； μz—风压高度变化系数 严格地讲，风振系数只对简单形状的高层建筑或高 耸结构较适用。对于形状较复杂的结构，则存在平 均风荷载大，动态风荷载小，或刚好相反的情况， 这时，采用风振系数往往给出偏差较大的估计。另 外，它也不适用于大跨度屋面结构。位移风振系数 是另外一种可以采用的参数。
在脉动风作用下，结构的风振系数定义为总风力 的最大概率统计值与最大设计风速下的静风力之 比。即
ws ( z ) wd ( z ) wd ( z ) ( z ) 1 ws ( z ) ws ( z )
（1）对于高耸结构，第一振型对响应的贡献 起决定性作用；（2）结构的最大内力按各阶 振型的平方和开方计算，高阶振型对响应的影 响比第一振型小；（3）动力荷载在总荷载中 仅是其中一部分，高阶的贡献并不重要。
烟囱
单筒烟囱动态响应的特点：在高风速时，位移 响应主要来自横风向响应。研究结果还表明： ①在临界雷诺数下，有烟排放时对烟囱位移响 应的影响可以忽略；②在临界雷诺数下，烟囱 的结构响应和风向角无关；③烟囱的固有频率 对结构响应有明显的影响，当烟囱的结构阻尼 很大时，则负气动阻尼的影响可以忽略。
pi p C pi 1 V 2 2
在得到建（构）筑物表面各点的压力系数值后， 要对其进行加权平均，得到该表面的风载体型 系数s(z)，即
s
C
j 1
n
pj
A j
A
当测压点均匀布置时
s
C
j 1
n
pj
n
误差<2%
由于沿建（构）筑物高度方向各点的基本风 压不同，因此，实际计算时可沿高度分区域 进行，在每个区域内可认为其风载体型系数 和风压高度变化系数均为常值。 风载体型系数主要取决于建（构）筑物的体 型，在国内外建筑结构荷载规范中，给出了 各种典型的单体建（构）筑物的风载体型系 数，可供参考使用。当建（构）筑物的体型 变化较大时，或者位于密集的建筑群中时， 则应通过风洞试验来确定其风载体型系数， 以进行合理的结构设计。
1 2 w V 2
由于空气密度随地理位置的不同而不同，因此，又 提出了基本风压的概念。基本风压是以当地比较空 旷平坦地面上，离地10m高度处统计的50年一遇的 2 V 10min平均最大风速V0为标准，按 1 0 确定的风压 2 值，用w0表示。Fra bibliotek基本风压的特点
1）设定的重现期为50年 2）全国基本风压不小于0.3KN/m2； 3）东南沿海地区的风压比内陆地区大； 4）全国最大基本风压达0.9KN/m2。
wz z w0
10 z z ( z ) 3.12 z 10 g
2 2
地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类： ——A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区（α=0.12,zba=5,zg=300m)； ——B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区
建（构）筑物横风向响应远比顺风向 响应复杂，其激励机理与气动弹性联 系在一起。虽然已有不少学者对横风 向响应进行了研究，但至今还没有从 基本原理出发推导出计算建（构）筑 物横风向响应的解析公式。 在建（构）筑群中，各建（构）筑物 间的空气动力干扰一直是人们十分关 注的问题，自80年代后，许多学者对 此进行了研究。
Ferrybridge 热 电厂冷却塔群 H: 116m D: 93m
20世纪50年代后，人们开始研究建 （构）筑物的结构响应问题，美国 Liepmann首先研究了由大气湍流产生 的结构响应。但将Liepmann理论应用 到建（构）筑物时，需要发展近地脉 动风的模型。1961年，加拿大 Davenport提出了这种模型，并在此基 础上建立了计算建（构）筑物顺风向 响应的方法，并编入了建筑结构荷载 规范。
3）冷却塔刚性较强，因此结构响应很小。
群体干扰问题
英国度桥电站冷却塔倒塌的原因
喉部处平均压力分布
不同高度处平均压力分布
倒塌的三座冷却塔均处于前排冷却塔的尾 流区时，电站建筑物和群塔的布置对他们 的平均压力分布和脉动压力分布均产生明 显影响。特别是1A塔。由于压力分布的变 化，使背风区的冷却塔在其子午线方向上 的应力要比迎风区的冷却塔高出10%~20%。
第三章 建（构）筑物风荷载和结构响应特性
主要讨论高层建筑、冷却塔、电视塔、烟 囱、架空输电线路系统、低矮建筑等建 （构）筑物的风荷载和结构响应的基本特 性。
风作用下，矩形截面高层建筑的风荷载和结构响应特性有以 下的一些特点： （1）顺风向平均风荷载大于横风向平均风荷载；横风向动态风 荷载大于顺风向动态风荷载。 （2）地貌条件对动态风荷载有影响，在B类风场中（即平坦地 貌）顺风向动态风荷载要比D类风场中（即粗糙地貌）小，但 横风向动态风荷载则相反。 （3）在通常风速下，结构的横风向响应及顺风向响应都随风速 的增大而增大。当风速大到邻近结构涡振风速时，由于受涡激 力的作用，横风向响应将随风速急剧增大，在涡振风速时出现 峰值。但当风速超过结构涡振风速而继续增大时，横风向响应 往往要回落到一定值，然后再随风速的增大而增大。 （4）旋涡脱落所引起的涡激力对横风向响应和顺风向响应都有 贡献，但是，在横风向上其频率为旋涡脱落频率，而在顺风向 上其频率接近于两倍旋涡脱落频率，横风向响应大于顺风向响 应。 （5）随着风速的增大，结构响应受风向的影响也增大。通常， 当 = 90时，结构响应最大； = 45时，结构响应最小。 （6）通常，在D类风场中（即粗糙地貌）的结构响应最大，B类 风场中次之，均匀风场中最小。