參考答案：

4．風力、風級與風壓風的強度常稱為風力，用風級表示。1805年英國人蒲福(F．Beaufort)擬定了風級，稱作蒲氏風級，系根據(jù)風對地面（或海面）物體的影響程度而定。以后逐漸采用風速大小劃分，目前分為18級。其中0～12級是在氣象預報中聽到的風級。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常將風速轉(zhuǎn)化為風壓來表示風力的大小。單位面積上的風壓力ω可用下式表示： 式中p-空氣的密度； υ-風速。標準條件下的風壓稱作基本風壓。所謂標準條件，是考慮下列5個條件： (1)高度。取為離地面10m的高度。 (2)地貌。氣象站風儀所在地為空曠平坦地區(qū)，故B類粗糙度作為標準地貌。 (3)時距。取10min的平均風速。 (4)樣本時間。取為1年。 (5)重現(xiàn)期。取50年�！逗奢d規(guī)范》7.1.2條條文說明指出，基本風壓可統(tǒng)一按照公式計算，式中，υ為按照標準條件確定的風速。 2．非標準情況下風速或風壓的換算 (1)非標準高度換算平均風速沿高度變化規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)描述，如下面公式： 式中z、-任意點高度和該點的平均風速； z、-標準高度(取為10m)和該處的平均風速； α-地面粗糙度系數(shù)。由于風壓與速度是二次方的關(guān)系，故高度為z處的基本風壓可寫成 (2)非標準地貌換算由于地表摩擦，風速隨離地面高度的減小而降低。只有達到一定高度，風才不受地表的影響在氣壓梯度的作用下自由流動，達到所謂梯度風速，該高度稱作梯度風高度，以H表示�？谠叫〉牡孛�，越快達到梯度風速。各種地貌的α及H值，見表3-4-1，表中的A、B、C、D為規(guī)范中的地面粗糙度分類。 同一大氣環(huán)境中各類地貌梯度風速均相等，以此得到 式中，角標α表示不同地貌。若再表示成風壓形式，就是 ] 在陸地上，如無表3-4-1參數(shù)的實測或試驗資料，可按下列原則近似確定： ①以擬建房屋為中心，2km為半徑的迎風半圓影響范圍內(nèi)的房屋高度和密度來區(qū)分類別，風向原則上應(yīng)以該地區(qū)最大風的風向為準，但也可取其主導風向。 ②以半圓影響范圍內(nèi)建筑平均高度來劃分類別，當h<9m為B類，9m≤≤18m為C類，>18m為D類。 ③影響范圍內(nèi)不同高度建筑物的影響區(qū)域按下列原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度，在此面域內(nèi)均為該高度。當不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者。 ④平均高度取各面域的面積為權(quán)數(shù)計算。以上原則見于《荷載規(guī)范》的7.2.1條的條文說明。 (3)同時考慮地貌與高度的換算若同時考慮地貌與高度，并將非標準情況下的這種風壓除以標準風壓，得到的系數(shù)記作μ，則有 將α=0.16，H=350m，z=10m代入式(3-4-6)，并考慮表3-4-1中的α及H，將得到《荷載規(guī)范》161頁的公式7.2.1，即A、B、C、D類粗糙度的風壓高度變化系數(shù)，為 (4)不同重現(xiàn)期的換算一年為一個自然周期，我國取一年中最大平均風速(時距10min)作為統(tǒng)計樣本。從概率角度看，每隔一定時間，會出現(xiàn)大于某一風速的年最大平均風速，這個間隔就是重現(xiàn)期。規(guī)范規(guī)定基本風速的重現(xiàn)期為50年。重現(xiàn)期為T的基本風速，一年中超越該風速一次的概率為，因此，不超過該基本風速的概率（或保證率）為 據(jù)此可知，重現(xiàn)期為50年時保證率為98％。張相庭《結(jié)構(gòu)風工程理論?規(guī)范?實踐》（中國建筑工業(yè)出版社，2006）一書中給出了不同重現(xiàn)期風壓的比值μ，為 μ=0.36310gT+0.463(3-4-9) 若以重現(xiàn)期50年為基準(即μ50取為1.00)，則重現(xiàn)期為100年時 《高規(guī)》中，重現(xiàn)期為100年的風壓標準值取為重現(xiàn)期為50年時的1.1倍，來源就是這里。 (5)相鄰建筑的影響建筑不是孤立的，總是位于密集建筑群之中，只不過，當鄰近的建筑矮得多時，則即使距離很近也不會有多大影響。當鄰近建筑大于所討論建筑高度一半時，則應(yīng)考慮這種影響。張相庭《結(jié)構(gòu)風工程理論?規(guī)范?實踐》（中國建筑工業(yè)出版社，2006年）一書中指出，試驗表明，兩相鄰建筑距離達到d/B≤3.5或d/H≤0.7時影響最大（編者注：原書中將d/B寫作d/b，應(yīng)是印刷錯誤），而該距離二倍以上的地方影響可降到很小。由于尾流作用，兩相鄰建筑物軸線與風向的夾角θ在30°～45°時影響最大，如圖3-4-1所示。群體建筑這種相互干擾的影響，可通過群體體型系數(shù)代替單體的體型系數(shù)來表示。 3．《荷載規(guī)范》中風荷載的計算方法在水平風的作用下，結(jié)構(gòu)可在各個方向產(chǎn)生振動，通常考慮兩個主軸進行計算。主軸方向與風向一致的，稱順風向，與風向垂直的稱作橫風向。 (1)順風向的風荷載標準值風荷載對結(jié)構(gòu)物的作用，按照垂直于結(jié)構(gòu)物表面考慮，風荷載標準值記作ω，以壓為正拉為負。ω的大小，按照《荷載規(guī)范》7.1.1條規(guī)定處理，如下：當計算主要承重結(jié)構(gòu)時，風荷載標準值按照下式計算 當計算圍護結(jié)構(gòu)時，風荷載標準值按照下式計算 以上式中ω-基本風壓，單位為kN／m； μ-風壓高度變化系數(shù)； μ-風荷載體型系數(shù)； β-高度z處的風振系數(shù)； μ-局部風壓體型系數(shù)； β-高度z處的陣風系數(shù)。以下對公式(3-4-10)、公式(3-4-11)中的符號逐一解釋。 ①風壓高度變化系數(shù)μ 風速大小與高度有關(guān)，一般近地面處風速小，隨高度增大風速逐漸增大。風速的變化還與地貌以及周圍環(huán)境有關(guān)，是故地面粗糙度分為A、B、C、D四類。其原理前面已經(jīng)闡述�！逗奢d規(guī)范》的7.2節(jié)規(guī)定了風壓高度變化系數(shù)μ的取值。μ取值亦可見于《高規(guī)》的3.2.3條、3.2.4條。 ②風荷載體型系數(shù)μ 風荷載體型系數(shù)是指平均實際風壓與基本風壓的比值。風流經(jīng)建筑物對建筑物的作用，迎風面為壓力，側(cè)風面及背風面為吸力，通常以壓為正拉為負。風在各面上產(chǎn)生的風壓分布并不均勻，如圖3-4-2所示。在計算風荷載對建筑物的整體作用時，應(yīng)按各個表面的平均風壓計算，這個表面的平均風壓系數(shù)稱為風荷載體型系數(shù)，記作μ。 《荷載規(guī)范》7.3.1條規(guī)定了風荷載體型系數(shù)μ的取值�！陡咭�(guī)》3.2.5條、3.2.9條對風荷載體型系數(shù)μ的規(guī)定，是一種簡化后的近似值�！陡咭�(guī)》的附錄A對μ的規(guī)定較詳細。 ③高度z處的風振系數(shù)β 實際風壓總是在平均風壓上下波動，因此可分解為平均風和脈動風。平均風使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而脈動風使建筑物在該側(cè)移附近左右搖晃，即引起結(jié)構(gòu)物的振動。當脈動風的周期（一般為20s左右）與結(jié)構(gòu)的自振周期愈接近，風振的影響就愈顯著。電視塔、煙囪、輸電線塔等的自振周期在20～1s之間，風振影響最為顯著；高層建筑結(jié)構(gòu)的周期一般在10～0.5s之間，影響次之。對于一般建筑，風振的影響十分微小。因此，《荷載規(guī)范》7.4.1條規(guī)定，對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期T大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度房屋結(jié)構(gòu)，均應(yīng)考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風向風振的影響。設(shè)計時，用風振系數(shù)β加大風荷載，然后仍然按照靜力作用計算風荷載效應(yīng)�！逗奢d規(guī)范》7.4.2條規(guī)定，對于一般懸臂型結(jié)構(gòu)，例如構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及高度大于30m，高寬比大于1.5且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，均可僅考慮第一振型的影響，結(jié)構(gòu)的風荷載可按公式(7.1.1-1)通過風振系數(shù)來計算，結(jié)構(gòu)在z高度處的風振系數(shù)β可按下式計算： 下面對該式中的符號進行解釋。 a．振型系數(shù)φ 振型系數(shù)φ依據(jù)《荷載規(guī)范》附錄F的規(guī)定取值，比較繁瑣�！陡咭�(guī)》的3.2.6條指出，"對于質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的彎剪型結(jié)構(gòu)，也可近似采用振型計算點距室外地面高度z與房屋高度H的比值"。筆者經(jīng)過計算對比，發(fā)現(xiàn)這兩種做法所得結(jié)果基本相同。可見，多數(shù)情況可簡化為φ=z/H。 b．脈動增大系數(shù)ξ 《荷載規(guī)范》的表7.4.3給出了B類地區(qū)各種具體結(jié)構(gòu)ξ的取值，利用表下的注解，也可以計算出A、C、D類地區(qū)的ξ值；《高規(guī)》的表3.2.6-1則需要依據(jù)具體的值查表得到ξ值。 c．脈動影響系數(shù)u 《荷載規(guī)范》7.4.4條考慮全面，區(qū)分兩種情況：迎風面寬度遠小于高度（例如高聳結(jié)構(gòu)）和迎風面寬度較大�！陡咭�(guī)》中規(guī)定依據(jù)表3.2.6-2采用，與《荷載規(guī)范》中的表7.4.4-3相同，據(jù)此可知，《高規(guī)》表3.2.6-2中的H為總高度，B為迎風面寬度。由以上規(guī)定可見，對于高度小于30m的房屋結(jié)構(gòu)，距室外地面高度z處計算點的β=1．0。 ④基本風壓ω 《荷載規(guī)范》7.1.4條規(guī)定基本風壓ω按附表D．4給出的50年一遇風壓采用，但不得小于0.3kN/m。需要注意的是，盡管表格的題目為"全國各城市的50年一遇雪壓和風壓"，但是，表中"n=10"一列卻是10年一遇值，"n=100"一列是100年一遇值�！陡咭�(guī)》3.2.2條規(guī)定，"對于特別重要或?qū)︼L荷載比較敏感的高層建筑，其基本風壓應(yīng)按100年重現(xiàn)期的風壓值采用"。該條的條文說明指出，"一般情況下，房屋高度大于60m的高層建筑可按100年一遇的風壓值采用"。 ⑤高度z處的陣風系數(shù)β 陣風系數(shù)應(yīng)按照《荷載規(guī)范》7.5.1條采用。即"計算直接承受風壓的幕墻構(gòu)件（包括門窗）風荷載時，陣風系數(shù)應(yīng)按表7.5.1確定。對其他屋面、墻面構(gòu)件陣風系數(shù)取1．0"。 ⑥局部風壓體型系數(shù)μ 局部風壓體型系數(shù)應(yīng)按照《荷載規(guī)范》7.3.3條采用。對于內(nèi)表面的情況，對封閉式建筑物，按外表面風壓的正負情況取-0.2或0.2。 2006年版《荷載規(guī)范》增加了注：上述的局部風壓體型系數(shù)μ(1)是適用于圍護構(gòu)件的從屬面積A小于或等于1m的情況，當圍護構(gòu)件的從屬面積大于或等于10m時，局部風壓體型系數(shù)μ(10)可乘以折減系數(shù)0.8，當構(gòu)件的從屬面積小于10m而大于1m時，局部風壓體型系數(shù)μ(A)可按面積的對數(shù)線性插值，即 μ(A)=μ(1)+[μ(10)-μ(1)]logA(3-4-13) (2)順風向的總風荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計時，使用總風荷載計算風荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移。總風荷載為建筑物各個表面承受風力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載�？傦L荷載標準值W可按照下式計算： 式中n-建筑物外圍表面積數(shù)（每一個平面作為一個表面積）； μ-第i個表面的平均風荷載體型系數(shù)； B-第i個表面的寬度； α-第i個表面的法線與風作用方向的夾角。 (3)橫風向的計算 ①雷諾數(shù)空氣流動中，對流體質(zhì)點起主要作用的是兩種力：慣性力和黏性力。慣性力與黏性力之比稱作雷諾數(shù)，記作Re。只要雷諾數(shù)相同，動力學特征就相似。雷諾數(shù)還是衡量從層流向湍流轉(zhuǎn)變的尺度。慣性力的量綱為ρυι，黏性力的量綱為黏性應(yīng)力μυ／ι（式中μ稱作黏性）乘以面積ι，故雷諾數(shù)為 式中稱作動黏性，其值為0.145×10m／s。將該值代入上式，并用垂直于流速方向的物體截面最大尺度B代替上式中的ι，則上式變成Re=69000υB(3-4-16) 由于通常是對圓形截面考慮橫風向風振，故《荷載規(guī)范》中7.6.1條用結(jié)構(gòu)截面的直徑D代替上式中的B。從雷諾數(shù)的定義為慣性力與黏性力之比可以看出，如果雷諾數(shù)很小，例如小于1/1000，則慣性力與黏性力相比可以忽略，即意味著高黏性的行為；相反，如果雷諾數(shù)相當大，例如大于1000，則意味著黏性力影響很小，空氣流動中的結(jié)構(gòu)常常是這種情況，慣性力起主要作用。雷諾數(shù)不同，空氣流經(jīng)圓柱體后具有不同的流動特征�？煞譃�3個范圍：Re<3×10時，漩渦形成是有規(guī)則的，并做周期性脫落，稱作亞臨界范圍；3×10≤Re<3×10時，漩渦形成脫落極不規(guī)則，稱作超臨界范圍；Re>3×10時，漩渦又逐步有規(guī)則起來，稱作跨臨界范圍。這三個范圍中，跨臨界范圍的驗算是工程上最注意的范圍，因為，當漩渦周期脫落的頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率一致時，將產(chǎn)生共振。當結(jié)構(gòu)處于亞臨界范圍時，雖然也可發(fā)生共振，但由于風速較小，通常只需要采用構(gòu)造方法處理。超臨界范圍由于不能產(chǎn)生共振，工程上常不做進一步處理。 ②斯托羅哈數(shù)斯托羅哈數(shù)是一個無量綱數(shù)，其定義為： 式中B-垂直于流速方向的物體截面最大尺度；ｎ、T-漩渦脫落頻率與漩渦脫落周期，二者互為倒數(shù)； υ-風速。當漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)頻率一致時，將發(fā)生共振。試驗還發(fā)現(xiàn)，當與風速有關(guān)的漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)某一自振頻率一致后，即使增大風速，漩渦脫落頻率亦不改變，因而存在一個風速范圍，在此區(qū)域內(nèi)都處于共振狀態(tài)，此區(qū)域稱作"鎖住區(qū)域"。 ③橫風向風力圖結(jié)構(gòu)物的橫風向最多包含三個臨界范圍，而在跨臨界范圍內(nèi)，又最多分為三個區(qū)域，如圖3-4-3(b)所示。由于非共振區(qū)域與共振區(qū)域（即鎖住區(qū)域）相比影響較小，因而可只考慮跨臨界范圍共振區(qū)域的風力，如圖3-4-3(c)所示。一般而言，H常超出建筑物高度，為簡化，將其取為結(jié)構(gòu)高度H，并將凸形曲線共振荷載用常數(shù)共振荷載表示，且以臨界風速為準，如圖3-4-3(d)所示，必要時可取略大的等效值進行計算。 ④《荷載規(guī)范》規(guī)定的計算方法下面對規(guī)范7.6節(jié)的規(guī)定做一簡單解釋。 a.漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)某一自振頻率一致時發(fā)生共振，此時對應(yīng)的風速稱臨界風速，記作υ。υ可由斯托羅哈數(shù)的定義式即本書式(3-4-17)變形得到，只不過式中取Ts為結(jié)構(gòu)的自振周期，要考慮不同的振型。結(jié)構(gòu)頂部風速實際上來源于，只不過由于考慮高度變化，公式中出現(xiàn)了μ。由于ω的單位為kN／m，因而ω需要乘以1000以將單位變?yōu)镹/m。 b．臨界風速對應(yīng)于高度H，根據(jù)前述的風速與高度的關(guān)系可知，有下式成立： 由此可得到 考慮到安全因素，規(guī)范將頂部風速擴大1.2倍，這樣就形成了規(guī)范的式(7.6.2-2)。 c．跨臨界強風共振引起的等效風荷載應(yīng)考慮不同振型，簡化之后為： 由于規(guī)范中該公式?jīng)]有寫成分數(shù)形式，需要注意ζ應(yīng)處于分母位置。

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