工程荷載與可靠度設計原理第四章風荷載第四章風荷載

本章內容提要

風速與風壓的關系、基本風壓的定義和基本風壓取值原則;

地面粗糙度對風壓的影響、平均風壓沿高度變化的規律以及風壓高度變化系數的確定方法；風流經建筑物表面時的氣流分布狀況和建筑物體型對風壓分布影響；

結構順風向風振(和橫風向風振)產生的原因及結構抗風振設計方法；風對橋梁的靜力作用和動力作用以及對于大跨度橋梁結構必須考慮結構的風致振動的機理；橋梁靜力風荷載計算。

風是空氣相對于地面的運動。由于太陽對地球各處輻射程度和大氣升溫的不均衡性，在地球上的不同地區產生大氣壓力差，空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動就形成了風。當風以一定的速度向前運動遇到建筑物、構筑物、橋梁等阻礙物時，將對這些阻礙物產生壓力。

風荷載是工程結構的主要側向荷載之一，它不僅對結構物產生水平風壓作用，還會引起多種類型的振動效應。第四章風荷載

第一節風的基本知識一、風的形成第四章風荷載

第一節風的基本知識二、兩類性質的大風

1.臺風臺風是發生在熱帶海洋上空的一種氣旋。在暖熱帶洋面上空，在合適的環境下，氣流產生上升和對流運動。

2.季風由于大陸和海洋在一年之中增熱和冷卻程度不同，在大陸和海洋之間大范圍的、風向隨季節有規律改變的風。第四章風荷載

第一節風的基本知識三、風級

為了區分風的大小，根據風對地面(或海面)物體的影響程度將風劃為若干等級。風力等級（windscale）簡稱風級，是風強度的一種表示方法。

國際通用的風力等級是由英國人蒲福（Beaufort）于1805年擬定的，故又稱蒲福風力等級(Beaufortscale)。

由于早期人們還沒有儀器來測定風速，因此就按照風所引起的現象來劃分等級，最初是根據風對炊煙、沙塵、地物、漁船、漁浪等的影響大小，分為13個等級（0～12級）。

后來又在原分級的基礎上，增加了風速界限，將蒲福風力等級由12級臺風擴充到17級，增加為18個等級（0～17級）。表4.1蒲福風力等級表風力等級名稱海面狀況浪高/m海岸漁船征象陸地地面物征象距地10m高處相當風速一般最高km/hmile/hm/s0靜風——靜,煙直上平靜<1<10.0-0.21軟風0.10.1煙示風向微波峰無飛沫1-51-30.3-1.52輕風0.20.3感覺有風小波峰未破碎6-114-61.6-3.33微風0.61.0旌旗展開小波峰頂破裂12-197-103.4-5.44和風1.01.5吹起塵土小浪白沫波峰20-2811-165.5-7.95清勁風2.02.5小樹搖擺中浪折沫峰群29-3817-218.0-10.76強風3.04.0電線有聲大浪白沫離峰39-4922-2710.8-13.87疾風4.05.5步行困難破峰白沫成條50-6128-3313.9-17.18大風5.57.5折毀樹枝浪長高有浪花62-7434-4017.2-20.79烈風7.010.0小損房屋浪峰倒卷75-8841-4720.8-24.410狂風9.012.5拔起樹木海浪翻滾咆哮89-10248-5524.5-28.411暴風11.516.5損毀重大波峰全呈飛沫103-11756-6328.5-32.612颶風14.0—摧毀極大海浪滔天118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2四、風的破壞作用第四章風荷載

第一節風的基本知識

當風速和風力超過一定限度時，就會給人類社會帶來巨大災害。2005年8月23日，卡特里娜颶風在在美國新奧爾良以西地區登陸，登陸時風速達到225km/h（64.4m／s）。第四章風荷載

第一節風的基本知識

2007年8月2日13級強暴風雨突襲上海國際賽車場，鋼構架看臺倒塌。第四章風荷載

第一節風的基本知識第四章風荷載

第一節風的基本知識第四章風荷載

第一節風的基本知識第四章風荷載

第一節風的基本知識第四章風荷載

第一節風的基本知識臺風“海燕”造成的房屋破壞第四章風荷載

第一節風的基本知識

英國Ferrybridge電站有8座冷卻塔，每座高116m，直徑93m，其中3座在1965年11月1日由于塔群尾流相互干擾風毀。第四章風荷載

第一節風的基本知識

美國華盛頓州Tacoma大橋毀于風振，該橋為跨度853m懸索橋，1940年在建成后不到4個月，在風速19m/s的大風中，由于振顫而風力失穩。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓一、基本風速基本風速按以下規定的條件定義：(1)風速高度：風速隨高度而變化，離地表越近摩擦力越大，因而風速越小。《荷載規范》對房屋建筑取為距地面10m為標準高度；《公路橋規》對橋梁工程取為距地面20m為標準高度。(2)地形地貌:同一高度處的風速與地貌粗糙程度有關，地面粗糙程度高，風能消耗多、風速則低。測定風速處的地貌要求空曠平坦，應遠離城市，城市中心地區房屋密集對風的阻礙及摩擦均大。

風的強度常用風速表示，各氣象臺站記錄下的多為風速資料。確定作用于工程結構上的風荷載時，必須依據當地風速資料確定基本風壓。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓機械風速儀第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓機械風速儀第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓超聲波風速儀電子葉輪式風速儀第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓（3）測量時距

風速隨時間不斷變化，常取某一規定時間內的平均風速作為計算標準。風速記錄表明，10min的平均風速已趨于穩定。（4）風速樣本

由于氣候的重復性，風有著它的自然周期，我國和世界上絕大多數國家一樣，取年最大風速記錄值為統計樣本。

第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓（5）重現期:取年最大風速為樣本可獲得各年的最大風速，每年的最大風速值是不同的，為一隨機變量。工程設計時，一般應考慮結構在使用過程中幾十年時間范圍內可能遭遇到的最大的風速。該最大風速不是經常出現，而是間隔一段時間后再出現，這個間隔時間稱為重現期。

設重現期為T0年，則1/T0為超過設計最大風速的概率，因為不超過該設計最大風速的概率或保證率p0應為：

我國荷載規范規定：對一般結構，重現期取50年；對于特別重要和有特殊要求的高層建筑和高聳結構，重現期可取100年。橋梁工程結構重現期可取100年。重現期通常俗稱為T0年一遇。(4.1)第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓二、基本風壓式中w——單位面積上的風壓力（kN/m2）；r——空氣密度（t/m3）；g——空氣單位體積重力（kN/m3）；g——重力加速度（m/s2）；v——風速（m/s）。基本風壓：求出空曠平坦的地面、離地面10m高處、經統計所得的50年一遇的10min平均最大風速；再由風壓和風速的關系式，算出自由氣流的風速產生的風壓力：(4.2)第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓在標準大氣壓情況下：g=0.012018kN/m3,g=9.80m/s2,可得：《荷載規范》給出了全國各城市50年一遇的風壓值。

在不同的地理位置，大氣條件是不同的，g和g值也不相同。重力加速度g不僅隨高度變化，而且與緯度有關；空氣重度g是氣壓、氣溫和溫度的函數。因此，各地的g/2g的值均不相同，沿海地區的上海該值約為1/1740；內陸地區隨高度增加而減小，高原地區的拉薩該值約為1/2600。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓三、風速或風壓的換算

基本風壓是按照規定的標準條件得到的，在分析當地風速資料時，往往會遇到實測風速的高度、時距、重現期不符合標準條件的情況，因而必須將非標準條件下實測風速資料換算為標準條件下的風速資料，再進行分析。實測風速高度（m）468101214161820高度換算系數1.1581.0851.0361.0000.9710.9480.9280.9100.895（一）不同高度換算當實測風速高度不是10m標準高度時式中V——標準條件10m高度處時距為10分鐘的平均風速（m/s）；Vz——非標準條件z高度（m）處時距為10分鐘的平均風速（m/s）；a——換算系數，按下表取值。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓實測風速時距60min10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬時時距換算系數0.9401.001.071.161.201.261.281.351.391.50（二）不同時距換算當風速記錄時距不等于10min時式中V——時距10分鐘的平均風速（m/s）；Vt——時距為t的平均風速（m/s）；b——換算系數，按下表取值。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓重現期（年）1006050403020105重現期換算系數1.101.031.000.970.930.870.770.66（三）不同重現期換算重現期為T年時的基本風壓與重現期為50年的基本風壓的關系為：式中W0——重現期為50年的基本風壓（kN/m2）；WT——重現期為T年時的基本風壓（kN/m2）；g——換算系數，按下表取值。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓四、山區的基本風壓

山區地勢起伏多變，對風速影響較為顯著，山區基本風壓與鄰近平坦地區的基本風壓有所不同，山區風速有如下特點：

（1）山間盆地、谷地等閉塞地形，由于四周高山對風的屏障作用，一般比空曠平坦地面風速減小10～25%，相應風壓要減小20～40%。山間盆地、谷地等閉塞地形第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓

（2）谷口、山口等開敞地形，當風向與谷口或山口趨于一致時，氣流由開敞區流入兩邊為高山的狹窄區，流區壓縮，風速必然增大；風速比一般空曠平坦地面增大10～20%。

（3）山頂、山坡等尖孤地形，由于風速隨高度增加和氣流越過山峰時的抬升作用，山頂和山坡的風速比山麓要大。谷口、山口等開敞地形山頂、山坡等孤尖地形山區建筑物可根據不同地形條件給出風荷載地形修正系數，一般情況下山區的基本風壓可按相鄰平坦地區基本風壓乘以下列修正系數后采用：

（1）對于山峰和山坡，其頂部B處的修正系數按下述公式計算：

(4.3)式中——山峰或山坡在迎風面一側的坡度；當時，取；——系數，對山峰取3.2，對山坡取1.4；H——山頂或山坡全高（m）；z——建筑物計算位置離建筑物地面的高度（m）；當z>2.5H時，取z=2.5H。圖4.5山峰和山坡示意圖對于山坡和山峰的其他部位，可按下圖所示，取A、C處的修正系數、為1，AB間和BC間的修正系數按線性插值確定。第四章風荷載

第二節基本風速和基本風壓

風對海面的摩擦力小于對陸地的摩擦力，所以海上風速比陸地要大。沿海地帶存在一定的海陸溫差，促使空氣對流，使海邊風速增大。基于上述原因，遠海海面和海島的基本風壓值大于陸地平坦地區的基本風壓值，并隨海面或海島距海岸距離的增大而增大。可得不同出海距離下，對應的海陸風速比值，即遠海海面和海島基本風壓修正系數，見下表。

五、遠海海面和海島基本風壓

距海岸距離（km）<4040～6060～100修正系數1.01.0～1.11.1～1.2第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數地球表面通過地面的摩擦對空氣水平運動產生阻力，靠近地面的氣流速度減慢，該阻力對氣流的作用隨高度增加而減弱，只有在離地表300～500m以上的高度，風才不受地表粗糙層的影響能夠以梯度風速度流動，梯度風速度流動的起點高度稱為梯度風高度，又稱大氣邊界層高度，用HT表示。不同地表粗糙度有不同的梯度風高度，地面粗糙度小，風速變化快，梯度風高度比地面粗糙度大的地區低；反之，地面粗糙度越大，梯度風高度將越高。第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數圖4.6不同粗糙度下的平均風剖面第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數式中v——任一高度z處平均風速；

v0——標準高度處平均風速；

z——離地面任一高度（m）；

z0——離地面標準高度；

a——與地面粗糙度有關的指數，地面粗糙程度越大，該指數越大。

根據實測結果分析，大氣邊界層內平均風速沿高度變化的規律可用指數函數來描述，即：

(4.4)第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數整理式（4.5），并將標準高度z0=10m代入，得：由式（4.2）知風壓與風速的平方成正比，再將上式（4.4）代入得：式中wa(z)——任一地貌高度z處風壓；

w0a——任一地貌標準高度處風壓。(4.5)(4.6)第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數設標準地貌下梯度風高度為HT0，粗糙度指數為a0，基本風壓值為w0；任一地貌下梯度風高度為HTa。根據梯度風高度處風壓相等的條件，由(4.6)式可導出：(4.7)(4.8)將(4.8)代入(4.6)式，得任一地貌條件下，高度z處風壓：(4.9)上式中是任意地貌下風壓高度變化系數，應按地面粗糙度指數和假定的梯度風高度HT確定，并隨離地面高度z而變化。第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數A類：指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區我國規范將地貌分成A，B，C，D四類B類：指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮和大城市郊區——標準地貌第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數C類：指有密集建筑群的城市市區第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數D類：指有密集建筑群且房屋較高的城市市區第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數第四章風荷載

第三節風壓高度變化系數

將以上數據代入的表達式（4.9），可得A、B、C、D四類風壓高度變化系數：

根據上式可求出各類地面粗糙度下的風壓高度變化系數，如表4.6所示。表4.6風壓高度變化系數μz離地面或海平面高度/m地面粗糙度類別ABCD51.091.000.650.51101.281.000.650.51151.421.130.650.51201.521.230.740.51301.671.390.880.51401.791.521.000.60501.891.621.100.69601.971.711.200.77702.051.791.280.84802.121.871.360.91902.181.931.430.981002.232.001.501.04續表4.6風壓高度變化系數μz離地面或海平面高度/m地面粗糙度類別ABCD1002.232.001.501.041502.462.251.791.332002.642.462.031.582502.782.632.241.813002.912.772.432.023502.912.912.602.224002.912.913.762.404502.912.912.912.585002.912.912.912.74≥5502.912.912.912.91第四章風荷載

第四節風荷載體型系數一、風載體型系數問題提出：自由氣流并不能理想地停滯在建筑物表面，而是以不同途徑從建筑物表面繞過。結構物表面不同部位所受風壓不同，而且并不是由風速確定的風壓。在風的作用下，迎風面由于氣流正面受阻產生風壓力，側風面和背風面由于旋渦作用引起風吸力。迎風面的風壓力在房屋中部最大，側風面和背風面的風吸力在建筑物角部最大（上圖）。第四章風荷載

第四節風荷載體型系數一、風載體型系數處理方法：應以風荷載體型系數對基本風壓進行修正。風荷載體型系數——風作用在建筑物表面,將引起不同部位不同的風壓值，此值與來流風壓之比稱為風載體型系數，主要與建筑物的體型、尺寸有關。風荷載體型系數一般均通過風洞試驗方法確定。第四章風荷載

第四節風荷載體型系數風洞試驗設施直流式風洞

回流式風洞第四章風荷載

第四節風荷載體型系數風洞試驗第四章風荷載

第四節風荷載體型系數建筑物模型第四章風荷載

第四節風荷載體型系數橋梁模型第四章風荷載

第四節風荷載體型系數冷卻塔模型第四章風荷載

第四節風荷載體型系數建筑模型風洞試驗第四章風荷載

第四節風荷載體型系數示意：雙坡屋面建筑的風載體型系數。正值代表風對結構產生壓力；負值代表風對結構產生吸力。根據國內外風洞試驗資料，《荷載規范》列出了不同類型的建筑物和構筑物風荷載體型系數（老書p201，新書未給出），當結構物與表中列出的體型類同時可參考取用，若結構物的體型與表中不符，一般應由風洞試驗確定。第四章風荷載

第四節風荷載體型系數二、群體風壓體型系數

當建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時，由于尾流作用引起風壓相互干擾，而對建筑物產生動力增大效應，使得房屋某些部位的局部風壓顯著增大。1965年英國渡橋電廠的2排8個冷卻塔的后排3個塔在風速不太大的情況下發生倒塌第四章風荷載

第四節風荷載體型系數解決方法：（1）可將單體建筑物的體型系數乘以相互干擾系數。相互干擾系數定義為受擾后的結構風荷載和單體結構風荷載的比值。（在1.0~1.2之間選）

（2）群體建筑物、構筑物設計布置上，拉開距離，避免尾流作用引起風壓相互干擾.第四章風荷載

第四節風荷載體型系數三、局部風壓體型系數問題提出：風載體型系數是整個受風面的風壓平均值，不適用于局部范圍的風壓，如建筑轉角處和檐口、陽臺等部位。處理方法：計算局部圍護構件及其連接的承載力時采用局部風壓體型系數。第四章風荷載

第五節順風向風振水平流動的氣流作用在結構物的表面上，會在其表面上產生風壓，將風壓沿表面積分可求出作用在結構上的風力，結構上的風力可分為:

（1）順風向風力;（2）橫風向風力;（3）風扭力矩。一般情況下，不對稱氣流產生的風扭力矩數值很小，工程上可不予考慮，僅當結構有較大偏心時，才計及風扭力矩的影響。

順風向風力和橫風向風力是結構設計主要考慮對象。第四章風荷載

第五節順風向風振一、風振系數結構順向的風作用可分解為平均風和脈動風：平均風的作用可通過基壓風壓反映。脈動風是一種隨機動力荷載，風壓脈動在高頻段的峰值周期約為1～2min，一般低層和多層結構的自振周期都小于它，因此脈動影響很小。

對于高聳構筑物和高層建筑等柔性結構，風壓脈動引起的動力反應明顯，結構的風振影響必須考慮。《規范》要求：（1）結構基本自振周期T1大于0.25s高聳結構；（2）高度大于30m，且高寬比H/B大于1.5的高柔房屋；均應考慮風壓脈動對結構產生的順風向風振。第四章風荷載

第五節順風向風振

脈動風是一種隨機動力作用，其對結構產生的作用效應需采用隨機振動理論進行分析。

分析結果表明，對于一般高聳結構，以及高層建筑，第一振型起到控制作用，求得風壓值上大下小，大致呈梯形分布，均大于靜風壓力。《規范》思路：

（1）將梯形化為連續分布的矩形；（2）分段求出風振系數，將效應放大。第四章風荷載

第五節順風向風振式中g——峰值因子，可取2.5；I10——10m高名義湍流強度，對應A、B、C和D類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23和0.39；R——脈動風荷載的共振分量因子；Bz

——脈動風荷載的背景分量因子。

由于一般高聳結構，以及高層建筑，第一振型起到控制作用，因此，可以僅考慮結構第一振型影響，通過風振系數來計算結構的風荷載。結構在z高度處的風振系數可按下式計算：

第四章風荷載

第五節順風向風振二、結構基本周期經驗公式

在考慮風壓脈動引起的風振效應時，常常需要計算結構的基本周期。結構的自振周期應按照結構動力學的方法求解，無限自由度體系或多自由度體系基本周期的計算十分冗繁。在實際工程中，結構基本自振周期T1常采用實測基礎上回歸得到的經驗公式近似求出。1.高聳結構

一般鋼結構和鋼筋混凝土結構：（4.24）

式中H——結構物總高。鋼結構剛度小，結構自振周期長，可取高值；鋼筋混凝土結構剛度相對較大，結構自振周期短，可取低值。

2.高層建筑鋼結構（4.25）鋼筋混凝土結構（4.26）式中n——建筑層數。鋼筋混凝土框架和框剪結構可按下述公式確定：(4.27)

鋼筋混凝土剪力墻結構可按下述公式確定：(4.28)

式中H——房屋總高度（m）；B——房屋寬度（m）。第四章風荷載

第五節順風向風振第四章風荷載

第五節順風向風振

三、陣風系數

對于圍護結構,可不考慮風振影響，但應考慮脈動風壓的分布，即在平均風的基礎上乘以陣風系數βgz：式中g——峰值因子，可取2.5；I10——10m高名義湍流強度，對應A、B、C和D類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23和0.39。第四章風荷載

第五節順風向風振

陣風系數βgz也可根據不同粗糙度類別和計算位置離地面高度按表4.10采用。表4.10陣風系數βgz離地面高度/m地面粗糙度類別離地面高度/m地面粗糙度類別ABCDABCD51.651.702.052.401001.461.501.691.98101.601.702.052.401501.431.471.631.87151.571.662.052.402001.421.451.591.79201.551.631.992.402501.411.431.571.74301.531.591.902.403001.401.421.541.70401.511.571.852.293501.401.411.531.67501.491.551.812.204001.401.411.511.64601.481.541.782.144501.401.411.501.62701.481.521.752.095001.401.411.501.60801.471.511.732.045501.401.411.501.59901.461.501.712.01第四章風荷載

第五節順風向風振四、順風向風荷載標準值

按基本風壓w0、風壓高度變化系數mz、風荷載體型系數ms、風振系數bz、陣風系數bgz和局部風壓體型系數ms1即可計算垂直于建筑物表面上的順風向荷載標準值。（1）當計算主要承重結構時，風荷載標準值為：（2）當計算圍護結構時，風荷載標準值為：（4.30）（4.31）第四章風荷載

第五節順風向風振框架剪力墻結構，H=100m，B=45m；w0=0.55kN/m2，C類；wk=？底部彎矩M=？1、風荷載體型系數ms查老書附錄四：項次2（p201）：矩形（新書p71圖4.16）ms=0.8+0.5=1.3例題（課本p55（新p78））2、風壓高度變化系數mz第四章風荷載

第五節順風向風振具體數值列于下表4.11（新p79）（舊表4.13（p55））將房屋分成每段10m的10個區段，查表4.5（p47）（新表4.6（p68））可得各區段中點處的風壓高度變化系數:表4.11脈動風荷載的背景分量因子Bz計算位置離地高度zi/m5152535455565758595風壓高度變化系數μz0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47振型系數φ1(z)0.0970.2110.3070.3960.4820.5680.6570.7480.8440.946系數k0.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.295系數α10.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.261脈動風載水平相關系數ρx0.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.2920.292脈動風載豎向相關系數ρz0.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.716脈動風載共振分量因子Bz0.0310.0670.0780.0870.0950.1020.1100.1180.1250.133第四章風荷載

第五節順風向風振第四章風荷載

第五節順風向風振3、風振系數bz風振系數bz按下式（4.15（新p73））確定，各區段中點位置處的風振系數計算結果列于下表4.12中。（4.15）表4.12各區段中點位置處的風振系數βz計算位置離地高度zi(m)5152535455565758595風振系數βz1.051.111.131.141.161.171.181.201.211.224、各區段中點處風荷載標準值wk第四章風荷載

第五節順風向風振表4.13各區段中點高度處風荷載標準值（kN/m2）計算位置離地高度zi(m)5152535455565758595風載體型系數μs1.301.301.301.301.301.301.301.301.301.30風壓高度變化系數μz0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47風振系數βz1.051.111.131.141.161.171.181.201.211.22基本風壓值w0/kN/m20.550.550.550.550.550.550.550.550.550.55風荷載標準值wki0.490.520.650.770.870.961.051.131.211.28第四章風荷載

第五節順風向風振

5、基底彎矩計算風荷載引起的基底彎矩，可由右圖所示計算簡圖求出：第四章風荷載

第六節橫風向風振橫風向風振高層建筑、高聳塔架、煙囪等結構物——橫風向風作用引起的結構共振會產生很大的動力效應，甚至對設計起著控制作用。由于時間關系：略第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

一、風對橋梁結構的作用

風荷載是橋梁結構的重要設計荷載，尤其是對于大跨徑的斜拉橋和懸索橋，風荷載往往起著決定性作用。風對橋梁結構的作用，可分為不隨時間變化的平均風所引起的靜力作用和隨時間變化的脈動風引起的動力作用兩大類。對于大跨橋梁還必須考慮結構風致振動。

（一）風的靜力作用

在平均風的作用下，結構上的風壓值不隨時間發生變化，可將其視為靜力風荷載。靜力風荷載采用三分力來描述：

升力荷載：氣流流經橋梁時，截面表面的風壓分布存在差別，上下表面壓強差就是橋梁所受的升力荷載；

橫風向力：迎風前后表面壓強差則是橋梁所受的風阻力荷載，即通常所說的橫風向力；

扭矩：當升力與阻力的合力作用點與橋梁截面的形心不一致時，還會產生對形心的扭矩。橋梁風荷載包含升力FV、阻力FH與扭矩MT三個分量，在體軸坐標系下的三分力如下圖所示。風荷載在體軸坐標系下的三分力第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

因此，整個截面的風荷載包含升力FV、阻力FH與扭矩MT三個分量，有時（例如風洞試驗）需要定義風軸坐標系來分析問題，此時三分力依次定義為升力FL、阻力FD和扭矩MT，如下圖所示。

風荷載在風軸坐標系下的三分力

第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

引入無量綱的靜力三分力系數，在體軸坐標系下靜力風荷載可以表示為：

阻力

(4.45)

升力

(4.46)

扭矩

(4.47)

式中：U——上游來流平均風速；CH、CV、CM——體軸坐標阻力系數、升力系數與扭矩系數；D、B——橋梁截面的高度與寬度。

類似體軸坐標系下靜力風荷載的表達式，風軸坐標系下同樣可以定義阻力FD、升力FL、和扭矩MT，并相應存在阻力系數CD、升力系數CL與扭矩系數CM。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

(二)風的動力作用

對于大跨度橋梁結構，除了考慮風的靜力作用外，還必須考慮結構風致振動。橋梁作為空間結構，振動現象十分復雜，其動力反應是多種因素共同作用的結果。

橋梁風致振動大致可分為兩大類：

一類是在風的作用下，由于結構振動對空氣力的反饋作用，產生一種自激振動機制，如顫振和馳振達到臨界狀態時，將出現危險的發散振動，即橋梁振幅不斷增大，振動不斷加劇；

另一類是在脈動風作用下的一種有限振幅的隨機強迫振動，稱為抖振。渦激振動（渦振）雖帶有自激的性質，但也是限幅振動，因而具有雙重特性。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

自激振動是指橋梁在風力的作用下，與流動的氣流相互激勵而形成的振動，振動結構可以不斷從氣流中獲得能量，以抵消結構本身阻尼對振動的衰減作用，使振幅不斷加大，將導致橋梁風毀。

顫振

當風橫向吹過橋梁，橋面板端口部位置于風口上，橋面板會產生上下運動和扭轉運動，豎向振動和扭轉振動相耦合時，引起結構的發散振動稱為顫振。顫振是一種空氣動力失穩現象，易于在柔性平板中出現，美國塔科瑪橋風致破壞就是一種典型的由顫振不穩定引發的事故。

馳振

橋梁在橫向風作用下，在垂直于氣流方向會產生大振幅彎曲振動，稱為馳振。馳振一旦發生便成為劇烈振動，實際上也是一種空氣動力失穩現象。自激發散振動對橋梁危害最大。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載美國塔科瑪橋風致破壞就是一種由顫振引發的事故第四章風荷載

第七節橋梁風荷載第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

渦振

渦激振動是由于氣流繞過物體時，物體尾流中產生交替脫落的旋渦，從而出現周期性的渦激力。渦激振動雖然也帶有自激性質，但它和顫振和馳振的發散性振動不同，其振動響應是一種限幅振動。

抖振

當一個結構物處于另一個結構物的渦列之中，大氣紊流成份會激發出不規則的強迫振動，稱為抖振。抖振發生時的風速低，頻度大，會對桿件接頭、支座連接造成疲勞破壞，過大的抖振還會引起橋上人員不適，影響正常使用。渦振和抖振均屬限幅振動可在低風速下發生，不具備破壞性，通常可通過構造措施解決。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載上海楊浦大橋纜索渦振

和風雨振使得索套破壞九江長江大橋鋼拱吊桿發生渦激共振第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

洞庭湖大橋拉索風雨振動控制裝置第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

綜合上述橋梁結構的風力作用及風致振動類型，下表列出了風對橋梁作用的具體分類。分類現象作用機制靜力作用靜風載引起的內力和變形平均風的靜風壓產生阻力、升力和扭轉力矩作用靜力不穩定扭轉發散靜（扭轉）力矩作用橫向屈曲靜阻力作用動力作用抖振（紊流風響應）限幅振動紊流風作用自激振動渦振漩渦脫落引起的渦激力作用馳振單自由度發散振動自激力的氣動負阻尼效應－阻尼振動扭轉顫振古典耦合振動二自由度自激力的氣動剛度驅動第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

二、風致靜力失穩

在靜力風荷載作用下，大跨度橋梁有可能發生因氣動力矩過大而引起扭轉發散，或因風阻力荷載過大而導致橫向屈曲的靜力失穩現象。以扭轉發散為例，主梁在風力作用下會產生氣動扭矩并發生扭轉，主梁的扭轉使得主梁在風場中的有效攻角增大，如果主梁的扭轉力系數隨風攻角增大而增大，此時對應的主梁氣動扭矩也隨之增大。在某一臨界風速時，橋梁出現不穩定的扭轉發散現象。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

三、靜力風荷載計算

作用于橋梁上的風力可能來自任一方向，其中橫橋向水平風力最為危險，是主要計算對象。當計算橋梁的強度和穩定時，《公路橋規》給出了橫向及縱向風力的計算方法。

（一）橫向風力（橫橋方向）

橫橋方向風力等于橫向風壓乘以迎風面積，按下式確定：

(4.54)

(4.54a)

Fwh

:橫橋向風荷載標準值（kN）;Wd:設計基準風壓（kN/m2）Awh：橫向迎風面積（m2），按橋跨結構各部分的實際尺寸計算Vd

：高度z處的設計基準風速（m/s）；

：空氣重力密度（kN/m3）第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

(4.54)

(4.54b)

V10——橋梁所在地區的設計基本風速（m/s）；Z——距地面或水面的高度（m）；g——重力加速度，g=9.81m/s2；k0——設計風速重現期換算系數；k1——風載阻力系數；k2——考慮地面粗糙度和梯度風風速高度變化修正系數；k3——地形、地理條件系數；k5——陣風風速系數。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載

1、基本風速V10

基本風速系按平坦空曠地面，離地面10m高，重現期為100年10min平均最大風速計算確定，當橋梁所在地區缺乏風速觀測資料時，V10可參照《公路橋規》附錄A“全國基本風速圖及全國各氣象臺站基本風速和基本風壓值”的有關數據，并通過實地調查核實后采用。

2、設計風速重現期換算系數k0

《公路橋規》中的基本風速值是按照設計風速重現期為100年繪制的。根據橋梁重要性的不同應考慮不同的風速重現期，對于單孔跨徑指標為特大橋和大橋的橋梁，k0=1.0，對其他橋梁，k0=0.9；對施工架設期橋梁，k0=0.75；當橋梁位于臺風多發地區時，可根據實際情況適度提高k0值。第四章風荷載

第七節橋梁風荷載3、陣風風速系數k5

陣風風速系數是考慮到瞬時風速較平均風速大而乘的系數，反映時距為1～3s的瞬時風速與時距10min的平均風速的關系系數。對A、B類地表k5=1.38，對C、D類地表k5=1.70。

A、B、C、D地表類別對應的地表狀況見下表。地表分類及相關參數指標地表類別地表狀況地表粗糙度系數a梯度風高度(m)A海面、海岸、開闊水面0.12300B田野、鄉村、叢林及低層建筑物稀少地區0.16350C樹木及低層建筑物等密集地區、中高層建筑物稀少地區、平緩的丘陵地0.22400D中高層建筑物密集地區、起伏較大的丘陵地0.30450第四章風荷載

第七節橋梁風荷載4、風載阻力系數k1

風載阻力系數是指作用在橋梁表面實際平均壓力與來流風壓之比，該系數與橋梁體型、構件斷面形成等因素有關。根據理論分析和風洞試驗的結果，風載阻力系數可