0.615w0
415
§6.1 风荷载
3.不同时距的换算
由于脉动风的影 响，时距越短， 公称风速值越大
各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值
风速 1h 10 5 2 1 0.5 20 10 5 瞬时
时距
min min min min min s s s
统计比值 0.94 1 1.07 1.16 1.20 1.26 1.28 1.35 1.39 1.50
Cs，Ks ，Fs(t) 分别为广义质量，广义阻尼，广义刚度 和广义荷载。
26
§6.1 风荷载
将广义位移和广义荷载进行傅里叶变换，
Qs ()
s
(t
)ei
2
ft
dt
F%s ()
Fs
(t
)ei
2
ft
dt
Qs () Hs ()F%s ()
其中
Hs
()
Ks[1
i
2s
(
1 / s
)
(
/
s
)2
]
３ 微风 0.6 1.0 渔船渐觉簸动，随风 移行每小时5~6km
４ 和风 1.0 1.5 渔船满帆时倾于一方
陆地地面物征象
距地10m高处相当风速
km/h
静、烟直上
<1
烟能表示方向，但风 1~5 向标不能转动
人面感觉有风，树叶 有微响，风向标能转 动
6~11
树叶及微枝摇动不息， 12~19 旌旗展开
第六章 结构风振响应分析
（Wind Response Analysis of Structure)
1
主要内容
§6.1风荷载 §6.2顺风向结构风效应 §6.3横风向结构风效应 §6.4桥梁风荷载动力响应 §6.5大跨径桥梁风洞试验
2
§6.1 风荷载
3
§6.1 风荷载
一、风的形成 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。
30
顺风向结构风效应
顺风向效应 = 平均风效应 + 脉动风效应 一、顺风向平均风效应 1.风载体型系数
而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：
p0
1 2
v02
p
1 2
v2
w
p
p0
1
v2 v02
v02
2
s w0
风载体型系数
m* x&k 1 p* (tk 1 )
其中: m* m t c t2k
2
p*(tk1) p(tk1) c(x&k 0.5&x&kt) k[xk x&kt (0.5 )&x&kt2]
29
§6.1 风荷载
m* x&k 1 p* (tk 1 )
m* m t c t2k
2
p*(tk1) p(tk1) c(x&k 0.5&x&kt) k[xk x&kt (0.5 )&x&kt2]
5
大损毁
12 飓风 14 — 海浪滔天
陆上绝少，其捣毁力极 118~133 64~71 32.7~36.9 大
4-7
§6.1 风荷载
风压： 当风 以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生 压力，即风压。
风压的产生
4-8
§6.1 风荷载
一、 风压与风速的关系
dw1
dA
dl
dA
dv dt
dw1 vdv
三、顺风向总风效应
w( z )
w( z )
wd
(z)
w( z )
Pd (z) lx (z)
或 w(z) (z) s (z) z (z)w0
34
w(z) (z) s (z) z (z)w0
其中风振系数：
令
得
(z) 1 1(z) z (z)
35
脉动增大系数
36
37
对于低层建筑结构(剪切型结构)
风洞试验 31
图：气流通过拱形 屋顶房屋示意图
图 双坡屋顶房屋风载体型系数
32
2.风压高度变化系数 3.平均风下结构的静力风载
33
二、顺风向脉动风效应 假定：在脉动风作用下，结构主要按第一振型振动。
Pd (z) m(z)w12 y(z, t) m(z)w121(z)q1(t) ξμm(z)φ1(z)w0
年最大风速概率密度分布
11
§6.1 风荷载
三、非标准条件下的风速或风压的换算 1.非标准高度换算
实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即：
4-12
§6.1 风荷载
2.非标准地貌的换算 梯度风:不受地表影响,能够在气压梯度作用下自由流动的风。
梯度风高度HT与地面的粗糙程
度有关，一般为300~500m，
24
§6.1 风荷载
对于多自由度体系，其振动微分方程为
[M]&x&[C]x&[K]x F(t)
其中，[M], [C], [K]分别为结构的质量、阻尼和刚度矩
阵，x ，x& ，&x&分别为节点的位移、速度和加速度向量，
F(t)为脉动风荷载向量。 利用阵型叠加法，引入正则变换
n
x(t) ss (t) s 1
能吹起地面灰尘和纸 20~28 张，树的小枝摇动
n mile/h
<1 1~3
4~6
7~10
11~16
m/s 0~0.2 0.3~1.5 1.6~3.3
3.4~5.4 5.5~7.9
6
§6.1 风荷载
风力等级表（续）
5 清劲风 2.0 2.5 渔船缩帆（即收 有叶的小树摇摆，内陆 29~38 去返之一部） 的水面有小波
dl v dt 伯努利方程：
w1
1 2
v2
v
c
0时，w1 初始条件
wm
w 1 v2 1 v2
2
2g
气压为101.325kPa
常温150C
绝对干燥
纬度450海面
9
§6.1 风荷载
二、基本风压 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速称为基本风压。
基本风压应符合五个规定： （1）标准高度的规定：一般取为10m。 （2）地貌的规定：空旷平坦。 （3）公称风速的时距
地面越粗糙，HT越大。
地面越粗糙，风速变化越 慢（α越大），梯度风高度将 越高；反之，地面越平坦，风 速变化将越快（α越小）；梯 度风高度将越小。
不同粗糙度影响下的风剖面
13
§6.1 风荷载
不同地貌的α及HT值 地貌 海面 空旷平坦地面
α
0.1~0.13
0.13~0.18
HT(m) 275~325
流经任意截面物体所产生的力 风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应等。 418
§6.1 风荷载
二、顺风向平均风与脉动风 瞬时风可分解为 = 平均风 + 脉动风
平均风—静力风效应 脉动风—动力风效应
平均风速和脉动风速
引起结构顺风向振动
地面粗糙度的影响： 地面越粗糙，v越小， vf的幅值越大且频率 越高。
1
Eq.(4-5 6 a) Eq.(4-5 6 b) Eq.(4-5 6 c)
0.8
z/H
0.6
对于高层建筑结构(弯剪型结构)
0.4
对于高耸结构(弯曲型结构)
0.2
0
0.5
1
第1振型函数
x
38
39
40
横风向结构风效应
1、横风向风荷载
建筑物横截面不是流线型，多为钝体，当气流绕过建筑物 时，会脱落出旋转方向相反的两列旋涡，如图所示。这两 列旋涡最初分别保持自身的运动，随后相互干扰、相互吸 引，逐渐形成涡流。如果旋涡脱落呈对称稳定状态，就不 会产生横向力；如果旋涡脱落呈无规则状态，或呈周期性 不对称状态，就会在横向对建筑物产生干扰力，即横风向 风荷载。
式中 v0：公称风速； v(t)：瞬时风速； τ：时距。
10min~1h的平均风速基本稳定，我国取τ=10min
10
§6.1 风荷载
(4) 最大风速的样本时间
风有它的自然周期，每年季节性的重复一次。
一般取一年为统计最大风速的样本时间。
(5) 基本风速的重现期
τ=10min
1小时，6个样本 1天，144个样本
压力差
风
结构物 风压
大气热力学环流模型
理想模型
地球自转
三圈环流模型
大陆与海洋吸热差异
4
§6.1 风荷载
二、两类性质的大风
1.台风 弱的热带气旋→引入暖湿空气→在涡旋内部产生上升 和对流运动→加强涡旋→ ‥‥‥→台风
2.季风 冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆→海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋→大陆
其中 s为第s阶固有振动模态（主模态），即
s [1s2s L ns ]T
25
§6.1 风荷载
s (t)为第s个正则坐标。
M s&&s (t) Cs&s (t) Kss (t) Fs (t)
M s sT [M ]s Cs sT [C]s Ks sT [K ]s Fs (t) sT [F (t)]s
17~21 8.0~10.7
6 强风
3.0 4.0 渔船加倍缩帆， 大树枝摇动，电线呼呼 39~49 捕鱼须注意风险 有声，举伞困难
22~27 10.8~13.8
7 疾风
4.0 5.5 渔船停息港中， 全树摇动，迎风步行感 50~61
在海上下锚
觉不便