设计中的风载荷 - 李建 - 图文

JOYUM2013.06

Flow linesJOYUM风的级别风速等级0123456789101112风速（m/s）0.0-0.20.3-1.51.6-3.33.4-5.45.5-7.98.0—10.710.8-13.813.9-17.117.2-20.720.8-24.424.5-28.428.5-32.432.5及以上表1风速（Km/h）0.0-0.7 1.1-5.4 5.8-11.9 12.2-19.4 19.8-28.4 28.8-38.5 无风烟垂直上升轻风：不能吹动风向标、但使烟飘移。微风：脸可感受到风吹，树叶沙沙响，风向标动。柔风：树叶、小树枝和旗被吹动。小风：扬起尘土和纸片，树枝摇动。中风：小树轻摇。较大风：大树摇摆，难以打伞。接近强风：整棵树摇，迎风走路不适。强风：树枝从树上折断，难以迎风走路。大强风：对建筑物有损伤，瓦片吹落。风暴：树连根拔起，损坏性强。巨型风暴：大面积的损坏。飓风：内陆少见，暴力性的损坏。2特征描述38.9-49.7 50.0-61.6 61.9-74.5 74.9-87.8 88.2-102.2 102.6-116.6 117.0以上JOYUM风载荷计算相关标准标准代号JB/T 8849-2005名称表2相关章节3.2.1 设备工作时风载荷3.3.6设备非工作风载荷2-2.2.1 工作风载荷MOD ISO 5049-1:1994FEM 2.131/2.1321994移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范Rules for the design of mobile equipment for continuous handling of bulk materials2-2.3.6 非工作风载荷AS 4324.1 1995AS/NZS 1170.2 2002Mobile equipment for continuous handing of 3.4.2 工作风载荷bulk materialsWind actions3.5.10 非工作风载荷全文2JB/T8849是在风载和计算上沿用了ISO 5049.1的方法。2FEM标准中风载荷的计算方法和准则与JB/T8849相同，并且方法的讲述更详细。2AS 1170.2是澳大利亚建筑行业计算风载荷的专用标准，其中也包含了钢结构设备的计算。其在计算方法上相比上述标准考虑的因素更多。3

JOYUMFEM风载计算的假设在进行风载荷计算时基于以下几个假设：

?风可以从任意的方向沿水平方向吹。?风速为恒定的风速

?风载对结构的作用作为静载荷4

JOYUMFEM风载计算流程确定迎风面积?一般在技术相关合同文件中明确设计风速v?计算风压qA?一般需要按照横向和纵向两个方向计算?计算时考虑俯仰的影响?根据构件的长细比和截面比确定确定遮挡系数η?双层或多层桁架结构计算时要考虑桁架间的遮挡影响(*)确认设计风压q确定形状系数Cf5

JOYUMFEM风载计算的基本概念风压p：风以一定的速度v向前运动遇到阻塞时，对阻塞物产生压力

其中：ρ为空气的密度，ρ=1 .225 kg/m3于是上述风压公式也可写成

风速v：计算中的风速分为工作风速和非工作风速

风速一般都会在合同或者技术规格书中明确给出。相关标准规定，在合同中没有明确风速时，设计风速应按照20m/s计算。6

JOYUMFEM风载计算情况1：风向垂直于部件的迎风面

对于大多数的整机或者结构件，风载计算按照下式进行：

其中：F=风载荷，N

A=有效的迎风面积，m2q=风压值，N/m2Cf=结构的形状系数

在校核结构强度，倾覆稳定性及滑移稳定性时都需要考虑风载7

JOYUMFEM风载计算情况2：风向不垂直于部件的迎风面（比如卸料臂俯仰时）-对于实心的单独部件

风向与部件纵轴成θ角（如图）→ 平行于风向的风载

→ 垂直于风向的风载

→ 风在部件纵轴上的力为与F 和F⊥的合力：

A’=L×b或L×D

A=部件垂直于风向的面积L=长度b=宽度D=直径

考虑到空气动力的不确定性，对于θ＜20°的情况按照θ=20°计算。8

JOYUMFEM风载计算情况2：风向不垂直于部件的迎风面（比如卸料臂俯仰时）-对于桁架或者塔架结构风向与部件纵轴成θ角→ 平行于风向的风载

其中：Sp为桁架或塔架结构中斜撑部件在迎风面上的面积

S为桁架或塔架结构斜撑部件与主结构件在迎风面上的面积

当计算值K2小于0.35时取0.35，大于1时取1。9

JOYUMFEM风载计算?

形状系数

的取值

表3

长细比l/b或l/D（见示意图）-对于单独构件的形状系数

结构型式截面轧制型钢矩形中空截面其它截面单独构件圆截面矩形中空截面描述＜5┗ 或[＜356mm2＜2543457-D3Vs＜6m2/sD3Vs＞6m2/s＞356mm2＞2543457b/d120.50.251.151.401.051.300.600.601.551.401.000.80101.151.451.051.350.700.651.751.551.200.90201.301.501.201.600.800.701.951.751.300.90301.401.551.301.650.850.702.101.851.351.00401.451.551.401.700.900.752.201.901.401.00501.501.551.501.800.900.80＞501.601.61.601.800.900.80--10

JOYUMFEM风载计算?

形状系数

的取值

表3（续）

长细比l/b或l/D（见上页示意图）-对于单独构件的形状系数

结构型式截面侧面为平面单片桁架圆截面封闭矩形结构描述＜5-D×Vs＜6m2/sD×Vs＞6m2/s-1020301.601.100.801.304050＞50电气房等2单独的桁架上的风载可按照表3单独部件的系数计算，此时应考虑每个部件的细长比。也可以使用表3中单片桁架的整体系数。2桁架结构中用于焊接用的一般尺寸的连接三角板可以不用考虑，可以直接以节点间的长度计算面积。2通过风洞试验或者实际测试得到的形状系数也可以使用。11

JOYUMFEM风载计算?

遮挡系数

的取值

在平行布置的桁架部件中会形成遮挡，在迎风的桁架及其后面没有被遮挡的桁架部分按照正常的风载进行计算，被遮挡的构件上的风载需要乘以一个系数η（见表4）。η取决于实心率和形状系数。

12

JOYUMFEM风载计算?

遮挡系数

的取值

13

JOYUMFEM风载计算?

遮挡系数

表4

的取值

实心率间距比0.10.51.00.750.920.20.40.750.30.320.590.40.210.430.50.150.25≥0.60.10.12.04.05.06.00.951110.80.880.9510.630.760.8810.500.660.8110.330.550.7510.20.450.68114

JOYUMFEM风载计算?

遮挡系数

的取值

对于多层桁架结构，标准中假设一直到第九层桁架是依次增加的，等加到第九层之后则认为风载荷为一个常数。多层桁架上的风载计算公式如下：

第n层桁架上的风载当n≤9时，整体风载

（n=1,2,3,4，…，9）

当n＞9时，整体风载

15

JOYUMAS 风载计算流程确定迎风面积?确定设计风速Vdes,θA?考虑个方位最大迎风面积?根据构件的长细比和截面比确定确定遮挡系数η?双层或多层桁架结构计算时要考虑桁架间的遮挡影响(*)确认设计风速Vdes,θ确定形状系数Cfig16

JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vdes,θVdes,θ设计风速与设备有关详见标准2.3节

Q：Vsit,β怎么来的？Vsit,β位置风速与位置相关详见标准2.2节

设计风速Vdes,θ取与设想垂直风向（θ=0°）成±45度的扇面内基本方向现场风速(Vsit,β)插值的最大点。对于桁架的塔结构，扇面角度为±22.5°。

Vdes,θ17

JOYUMAS 风载计算流程?

确定设计风速Vsit,β

地区风速

VR

详见标准3.2节

风向系数

Md

详见标准3.3节

地势系数

Mt

详见标准4.4

节

高度系数Mz,cat

详见标准4.2节

18

JOYUMAS 风载计算流程?

确定设计风速Vsit,β

?地区风速VRAS/NZS1170.2标准将澳大利亚以及新西兰地区分成了A（其中包括A1-A7共七个子区域）、W、B、C、D五个区域，见下图。标准中给出了各地区的风速VR，并根据1998-2002年的统计数据给出了各地不同风向风速的风向系数Md

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JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vsit,β?地区风速VR表5Q1：V5，V10…V2000代表什么？Q2：FC、FD又是什么？2A1：V下标的数值是平均重复周期，是设备对应的风速年度超过数概率的倒数，见表6。2A2：FC、FD是C区和D区风速系数，对于极限状态风速，Fc=1.1.FD=1.05.对于寿命计算时，Fc=FD=1.020

JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vsit,β?地区风速VR设计使用寿命施工装备，如支架、脚手架等类似装备。Q1：那重要性水平又怎么判断？表6安全设计事件对应的年度超过数概率风地震雪飓风非飓风重要性水平2123412341234123412341/2501/2501/2501/5001/10001/2501/2501/5001/10001/2501/2501/5001/10001/2501/5001/10001/25001/5001/10001/2500*1/1001/501/100 *1/25 * t1/100 *1/250 *1/10001/25 t1/250 *1/5001/10001/50 * t1/250 *1/5001/10001/100 *1/5001/10001/25001/2501/10001/2500-低于6个月5年25年50年100 年及以上1/251/251/1001/501/2501/1001/10001/2501/251/251/2501/501/5001/1001/10001/2501/501/251/2501/501/5001/1001/10001/2501/1001/501/5001/1501/10001/2501/25001/5001/2501/1001/10001/2501/25001/500*-*重要性水平为4且设计使用年限为100年及以上的建筑物，其设计事件应通过风险分析确定，但概率应低于或等于重要性水平为3的建筑物21

JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vsit,β?地区风速VRQ1：那重要性水平又怎么判断？2A1：重要性水平是根据设备或者建筑在发生倒塌或失效时造成的危害水平来分类的。这个数值一般需要在合同中明确。见表7。表7

失效后果描述对人的生命安全危害低，或对经济、社会或环境后果轻或不严重对人的生命安全危害中，或对经济、社会或环境造成相对严重的后果。对人的生命安全危害高，或对经济、社会或环境造成很严重的后果。视具体情况而定。重要性水平评述次要结构（失效后不大可能危及生命安全）一般结构和不在其它重要性水平的结构主要结构（影响人群安全）灾后结构（灾后功能或危险活动）轻1中234高特殊5特殊结构22

JOYUMAS 风载计算流程?

确定设计风速Vsit,β

?风向系数Md?Md

对于风向未知的情况下，所有的风向系数取1.0。23

JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vsit,β?地形系数Mz,catQ1：地形类别又是什么？2对于使用极限状态以及终极极限状态的A，W和B区域系数Md取表8中数值的线性插值。2对于终极极限状态的C和D区域，Md取表9中数值的线性插值。表8

2Height是设备离地的高度（m）表9地形类别1地形类别2地形类别3地形类别4地形类别1和2地形类别3和424

JOYUMAS 风载计算流程?确定设计风速Vsit,β?地形系数Mz,cat表10

地形类别1描述Q1：地形类别又是什么？障碍物很少或无障碍物的暴露开放地形以及适用性风速下的水表面障碍物很少且适当分布的水表面、开放地形、草地，通常，障碍物的高度从1.5米到10米不等。有无数紧密分布且分隔开的障碍物的地形，障碍物高度3米到5米，例如：郊区住房。234有无数大型、高大(10米到30米高)、紧密分布且分隔开的障碍物的地形，例如：大城市的市中心和发展良好的大工业中心。25

JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

不同结构形式Cfig的计算方法

表11

结构类型1234计算方法封闭的建筑物圆形储物仓和容器独立的墙面，围墙，顶棚等对应内容第5节和附录C附件C附件D暴露在外面结构，框架，桁架等旗子和圆截面的结构附件E附件F526

JOYUMAS 风载计算流程?确定形状系数Cfig?对于单独构件（l/b大于8的构件）对于风向轴：对于构件轴：构件的主轴构件的次要轴

其中：

形状修正系数见表12构件与风向偏角调整系数

风垂直于迎风面时取1.0

咋这么多系数不头疼吗？科学嘛对于圆柱形构件取sin2θm

对于锐边多棱结构（幅宽b /圆角半径r小于16的结构）取sinθmθm为构件与风向的夹角

结构或者构件在风流方向里的阻力系数，见表13构件分别在x-和y-轴方向里的的阻力系数，见表14

27

就要严谨点~JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

?对于单独构件（l/b大于8的构件）表12 Kar的取值

纵横比, l/b8 14 30 ≥40修正系数0.7 0.8 0.9 1.0 2根据l/b取值时使用线性插值2Ki的取值为简化计算，取1.028

JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

表13 Cd的取值

1.对于bVdes,θ使用线性插值方法取值2.【note2的内容】对于平滑的圆截面或者大于16边的多边形来说。Cd的取值如下：Cd=0.5 对于hr/d ≤ 0.00002Cd=1.6+0.105ln(hr/d) hr/d＞0.00002其中：d为截面的直径hr为平均的表面粗糙度对于一般涂装的钢结构hr取0.003到0.3对于镀锌钢结构hr取0.15对于锈蚀的钢结构hr取1.5-2.53.对于矩形截面见下页29

JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

表13 Cd的取值

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JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

表14 的取值

31

JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

?对于单层框架结构

2 对于

2 对于其它情况，应按照单独构件的方法计算每个构件的影响值并进行累加。δe为有效实体率：对于侧面为平面的构件δe=δ c(个人理解)对于圆截面的构件δe=1.2δ1.75其中δ为实体率，等于实体面积除以整体的轮廓面积，（与FEM中的实心率定义相同）2另外为多层开放框架的第一层框架的形状系数将会在下面的计算中用到32

JOYUMAS 风载计算流程?

确定形状系数Cfig

?对于多层框架结构

2 对于有一系列类似的开放框架结构平行布置的结构，形状系数应考虑第二层及以后各层影响。在此引入系数Ksh（见表15）

风与框架的角度(θ), 度框架空间比(λ) ≤0.20.51.02.04.0≥8.0 ≤0.51.02.04.0≥8.0 屏蔽系数Ksh有效硬度(δe) 0 1.0 1.0 1.0 1.01.01.0 1.0 1.0 1.0 1.01.0 0.1 0.81.01.01.01.01.0 0.91.01.01.01.0 0.2 0.50.80.80.91.01.00.80.91.00.91.0 0.3 0.30.60.70.70.81.00.70.81.00.71.0 0.4 0.20.40.50.60.71.0 0.60.71.00.61.00.5 0.20.20.30.40.61.00.50.60.90.41.0 0.7 0.20.20.20.20.41.0 0.30.60.80.21.01.0 0.20.20.20.20.21.00.3 0.60.60.21.0 0 °(风垂直于框架) 45 °2λ的取值为所计算桁架间距

2δe和λ的取值采用线性插值的方法

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