Required Course for Undergraduate Students结构抗风设计原理Wind-resistant Design for Structures武岳孙瑛Harbin Institute of Technology第章§1 风工程概论第一章风工程概论1.11.1 风的成因与灾害风的成因与灾害1.21.2 风工程学科的发展与现状风工程学科的发展与现状1.31.3 本课程学习内容与方法本课程学习内容与方法你了解风吗你了解风吗？⏹为什么冬天常吹西北风？为什么山雨欲来风满楼⏹为什么“山雨欲来满楼”？⏹为什么哈尔滨没有台风？风力级别蒲氏风力等级表（1）蒲氏风力等级表（2）11风的成因类型与灾害1.1 风的成因、类型与灾害风的成因、类型与灾害1.1★风的成因风是空气相对于地表的运动，是由太阳对地球表面大气的加热不均匀引起的。
由于压差引起的大气流动赤道与北极间的大气环流影响大气流动的因素十分复杂，其中较为主要的有：热力学效应和科里奥利效应。
热力学效应：b1a热力环流模型(Humphreys 1929A B (Humphreys,1929)c 2地球自转偏转力效应：由于地球旋转产生的偏向力，使得在北半球移动的物体向右偏斜，而南半球移动的物体向左偏斜的现象。
大气环流60° 30°0°§1.1 风的成因、类型与灾害 极地东风带西风带 信风带12★ 风的类型§1.1 风的成因、类型与灾害 季风（ Monsoons） 热带气旋（Tropical Cyclones） 雷暴 （Thunderstorms） 龙卷风（Tornadoes） 温带气旋 （Extratropical Cyclone)14季风（Monsoons）§1.1 风的成因、类型与灾害由于热力作用产生的季节性大气环流，亚洲受季 风的影响非常显著。
15§1.1 风的成因、类型与灾害热带气旋 (Tropical Cyclones) 是一种强烈的空气漩涡。
按照漩涡中心附近的平均最大风力，可分为热带 低压、热带风暴、强热带风暴、台风（飓风）。
热带气旋的形成条件： 纬度5~20度之间的热带洋 面上； 洋面温度要保持27摄氏度 以上。
16世界范围内的台风分布§1.1 风的成因、类型与灾害18台风的结构§1.1 风的成因、类型与灾害 台风直径为100km~2000km，厚度约为10~12km。
其结构分为台风眼、涡旋风雨区、外围大风区 三部分，从中心向外呈同心圆状排列。
台风眼19台风风速记录§1.1 风的成因、类型与灾害Temporal Variation of Wind Speed(Hurricane Celia, 1970)Maximum Peak Gust19:0020:00 21:0022:00 23:0024:00 1:00 Cook, 198320热带气旋等级§1.1 风的成因、类型与灾害 热带低压(TD) : 10.8-17.1 米/秒，风力6-7 级 热带风暴(TS) : 17.2-24.4 米/秒，风力8-9 级 强热带风暴(STS): 24.5-32.6 米/秒，风力10-11 级 台风（TY）:32.7-41.4 米/秒，风力12-13 级 强台风（STY）: 41.5-50.9 米/秒，风力14-15 级 超强台风（Super TY）≥51.0 米/秒，风力16级或以上21萨菲尔-辛普森飓风等级§1.1 风的成因、类型与灾害22龙卷风（Tornadoes）§1.1 风的成因、类型与灾害一种漏斗状的大气涡旋，直径在300m左右。
切 向速度可达350km/h，是所有风中最强的。
23雷暴( Thunderstorms , microburst )是伴有雷击和闪电的局地强对流天气，发生的必要条件是暖湿空气的上升运动，当上升空气中所含的水蒸汽凝结就会产生大规模的降雨，并形成很强的下沉冷气流，气流在地面以壁急流形式扩散。
雷暴的形成雷暴环状涡流结构gRing Vortex(Chris Letchford, Texas Tech University)温带气旋（Extratropical Cyclone)出现在中高纬度地区的近似椭圆形的空气涡旋，1000km，持续时间，持续时间22-6天，是影响大范围天气直径平均1000km直径平均变化的重要天气系统之一。
温带气旋发生地区几种主要风类型的比较季风台风龙卷风下击暴流温带气旋m～空间尺度——几百km几百m 1020km 近千km <30m/s 30~50m/s可达100－200m/s 可达<30m/s 最大风速200m/s 60m/s 破坏力小较强最强强较小影响范围大较大直线～局部区域大12公里持续时间长几天<1h <1h <1h <1h 几天你了解风吗？⏹为什么冬天常吹西北风？为什么冬天常吹西北风⏹为什么“山雨欲来风满楼”？⏹为什么哈尔滨没有台风？美国由于灾害引起的财产损失（Rosenkranz, 2009）Rosenkranz, 2009广东风灾, 20112005新奥尔良飓风，2005我国是世界上受台风危害最严重的国家之一2020带中热带气旋导致中国出现大风的最大风速极值分布(1951-2000)40404020404020, 2006, §1.1 风的成因、类型与灾害桑美台风,,中国212第4号超强台风“古超”第5号强热带风暴“泰利”第9号强台风“苏拉”第10号台风“达维”台风第14号强台风“天秤”第15号超强台风“布拉万”第2号台风“珊瑚”2011年4月，美国南部地区7个州遭到龙卷风与强风暴袭击，300余人死亡强风致临时舞台倒塌事故2011年8月14日，美国印第安纳州博览会发生音乐会舞人丧生，人受伤。
台坍塌事故，造成5丧生，40受伤。
大风对列车的破坏2007年2月28日凌晨，从乌鲁木齐驶往阿克苏的列车遭遇13级大风袭击，11节车厢被推翻，造成3名旅客死亡，2名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被迫中断行车。
大风对施工现场的破坏⏹2000年3月27日，沙尘暴袭击北京，局部瞬时风力达到击北京局部瞬时风力达到８至９级。
正在一座两层楼楼顶施工的７名工人被大风楼顶施工的名工人被大风刮下，两人当场死亡。
⏹2006年6月19日，杭州湾某大桥建设工地的处施工立大桥建设工地的一处施工立柱被狂风刮倒。
七名工人坠入江中失踪入江中失踪。
大风对钢结构看台的破坏2007年8月3号，上海F1赛车场突遭强对流天气，一座可容纳1万名观众、重400吨的钢结构看台被大风掀飞。
根据观测数据，最大风速40.6m/s，达到13级标准。
大风对大跨屋盖结构的破坏2010年12月10日，北京遭遇大风天气，机场地区最大风力达10级，T3航站楼西侧局部金属板被强风掀开。
小结建筑风灾害可大致分为：⏹主体结构破坏（轻柔结构）轻钢结构、临时结构、塔架结构、膜结构⏹围护结构破坏（大型结构）高层幕墙、大跨屋盖、低矮房屋⏹人舒适度超高层建筑、街道风⏹施工阶段的风安全风工程学科的发展与现状1.2 风工程学科的发展与现状1.2风工程研究经历了四个时期443m风荷载研究为主的时期1.1.风荷载研究为主的时期世纪末期开始关注结构抗风设计•1919世纪末期开始关注结构抗风设计桥的风毁Tay桥的风毁18791879年，英国年，英国Tay年，法国埃菲尔铁塔的设计((高300m) 1889年，法国埃菲尔铁塔的设计1889年代开始建筑物风洞试验世纪3030年代开始建筑物风洞试验20世纪•20年，美国帝国大厦的建造1938年，美国帝国大厦的建造1938Tay bridge collapse 1879 y g p（13×75m, 死75人）Meteorological Instruments at Top of Eiffel Tower(Davenport 1975)(Davenport, 1975)300m2. 2. 重点转向风致振动研究的时期重点转向风致振动研究的时期•2020世纪世纪4040年代开始关注结构风致振动问题年代开始关注结构风致振动问题—19401940年年1111月月7日的美国日的美国Tacoma Tacoma悬索桥风毁悬索桥风毁—19501950年美国年美国F.B.Farquharson F.B.Farquharson教授对教授对Tacoma Tacoma桥桥进行了全桥模型风洞试验是现代结构风工程研究的开端和标志性事件。
英国Ferrybridge电厂冷却塔的风毁（1965）y g3. 进入紊流风对结构作用的研究时期(1960(1960--2000 )()❑加拿大加拿大A.G.Davenport A.G.Davenport提出抖振的随机振动分析方法提出抖振的随机振动分析方法❑大气边界层风洞诞生(加拿大西安大略大学，美国科罗拉多大学加拿大西安大略大学，美国科罗拉多大学))D tDavenport Cermak4. (2000(2000--研究风对人类活动的影响()❑对风环境作出预测和评估❑风能利用❑风灾害评估❑健康监测❑对灾害认识的转变抗“灾”→减“灾”→防“灾”❑对风作用机理的精细化研究❑大尺度模型试验和实测被重新重视❑数字仿真数字仿真(CFD)(CFD)技术、数据库技术、互联网技术正在技术、数据库技术、互联网技术正在发挥日益重要的作用1.3 本课程学习内容与方法13本课程学习内容与方法风程是门交叉学科涉及气象学钝体空风工程是一门交叉学科，涉及气象学、钝体空气动力学、统计学和结构动力学等学科。
建筑风工程桥梁风洞试验风工程现场实测车船风工程风环境理论分析数值模拟风工程学科的主要分支风工程研究方法11.结构风工程研究的目标●结构的安全性（破坏问题）●使用性使用性（（舒适问题舒适问题））●耐久性耐久性（（疲劳问题疲劳问题））1、防止结构受到过大的风力破坏2、防止结构产生过大的挠度和变形3、防止结构构件的疲劳破坏4、防止围护构件的破坏5、避免居住者产生不舒适感22.结构风工程的研究内容⏹大气边界层风特性⏹风对结构的作用⏹结构在风作用下的响应风风风风气候边界层压力响应规范The wind-load chain风荷载链。