太原科技大学毕业设计（论文）
等级如下页表3.1。
表3.1风力等级表
风级和符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 名称 风速（m/s） 陆地物象 海面波浪 浪高（m） 无风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 台风 0.0-0.2 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 烟直上 烟示风向 感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁普遍 平静 微波峰无飞沫 小波峰未破碎 小波峰顶破裂 小浪白沫波峰 中浪折沫峰群 大浪到个飞沫 破峰白沫成条 浪长高有浪花 浪峰倒卷 海浪翻滚咆哮 波峰全呈飞沫 0.0 0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 3.2.4风的特性以及风速功率谱
从大量风的实测记录样本统计分析可知，在风的时程曲线中，包含两种成分:一种是长周期部分，其值常在10分钟以上，称为平均风；另一种是短周期部分，常只有几秒左右，称为脉动风。因此，用风速时程统计量的平均值和标准方差就可以完整地定义风速的特性和大小。 1.平均风速
在不同的高度和地貌下，平均风速是不相同的。平均风速沿高度变化规律称为平均风压梯度，也常称为风剖面，它是风的重要特性之一，在不同的地貌下风音面会形成不同的形状。
风速沿高度的变化，可以看作是表面摩擦使靠近地面处风的风速减慢的原因。风只有在300-500米以上高空，才不受地表的影响而自由流动，达到所谓梯度风速。出现梯度风速的高度成为梯度风高度，在此高度以下的近地面层也称为摩擦层。在此层风剖面受紊流
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的控制，可对方程式进行数学预测。
根据实测结果的分析，Davenport等提出的指数函数型风剖面，表达式为:
Vz?Vb?Z/Zb? （4.1）
式中Vz,Z 为地面上某点处的平均风速和离地高度；Vb、Zb为标准高度处的平均风速和高度，假设为常数，大部分国家标准高度取10米; ?为幂函数常数(地面粗糙系数)，地面粗糙程度越大，口亦越大。我国规范采用指数函数型风剖面。
指数?和边界层高度因地面粗糙度不同而异。?值的范围由低值0.12(近海面、海岛、海岸及沙漠)，0.16(开敞的乡村)至0.3(有密集建筑群且房屋较高的城市市区)。边界层高度也相应的为300米，350米到450米。因此市郊风速达到最大值所需的高度大于开敞的乡村。
很多资料指出指数律用于描述边界层上部的风速变化规律是比较适合的，但对于近地面的下部摩擦层风速轮廓线用对数律比较理想，其表达式为:
?V1lgZ1?lgZ0? （4.2） V2lgZ2?lgZ0式中Z1,Z0为边界层任意两点高度，V1,V2分别为对应Z1和Z2高度处的平均风速，Z0为风速等于零的高度，随地面粗糙度而变化，亦称作地面粗糙长度，其值主要依赖于地表的性质和风速。本文中采用了指数律。取V2,Z2为标准高度处的平均风速和高度，代入对数式中计算不同高度的风速。 2.脉动风速
脉动风是风中的随机部分，它是三维的风湍流，包括顺风向、横风向及垂直向的湍流。其风速是具有零均值的高斯平稳随机过程，并具有明显的各态历经性。其统计特性可用功率谱密度函数、方差以及相关函数等几个方面来描述。
(1)水平脉动风速谱
脉动风速谱是风场人工模拟中不可缺少的。至今为止，对于众多的脉动风速谱的数学表达式，大致可以分为两类，一类是谱密度不随高度而变，如Davenport谱；另一类是谱密度随高度增加而减少，如Kaimal谱。
我国的规范采用了第一类功率谱密度函数即Davenport谱。
120n04KV02x2x?Su(n)? n?0 （4.3） 24/3
V0n(1?x)
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其中: n为脉动频率(HZ)，式中K为与地面粗糙度有关的系数。V0为10米高处水平平均风速，?为圆频率。
达文波特谱认为湍流尺度沿高度是不变的，其谱值较其它谱值偏大，用于动力计算可能会高估结构的动力响应，偏于保守。
本文采用Kaimal提出的风速谱，考虑近地表层中湍流积分尺寸沿着高度的变化，表达式为:
x Su(n)?200(u) （4.4）
n(1?50x)5/3?2 式中x?nz?u。是流动剪切速度，可由10m处风速求得: UzU10?k u? (4.5)
In(10/z0)?式中k为卡曼常数，取0.4；z0是地面粗糙长度，U10是l0m 高度处的平均风速。卡曼谱随高度谱线变化大，其峰值移向低频区，谱的能量更集中于低频区。
(2)水平脉动风的空间相关性
强风观测表明在结构的表面上，各点的脉动风速、风向并不是完全同步的。当结构上一点i脉动风速达到最大时，与i距离D的1点一般不会同时达到最大，离i越远，风速同时达到最大的可能性就越小，这种性质称为脉动风的空间相关性。这种相关性在频域内可以用相干函数表达，表达式为:
coh(pi,pi,n)?S?pi,pi,n?Sv?pi,n??Sv?pj,n? （4.6）
其中: S(pi,pi,n)为互谱密度函数，Sv?pi,n?和Sv?pi,n?分别为点i和j点的自谱密度函数。由风洞试验和实测结果表明，相干函数基本上是一条指数衰减曲线。 目前采用Davenprot提出的表达式，拓展为3维则为:
1/2222??2?22???Cx?x?Cy?y?Cz?zx?ij?y?ij?z?ij???????coh?pi,pj,???exp?? （4.7）
?v?v??ii????Cx，Cy，Cz为衰减系数，Borri.C提出顺风向Cx=6, Cy=16, Cz=10，这里x向为平
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行于平均风的方向，z为竖向。大跨度屋盖结构由于水平尺寸较大，一般需要考虑脉动风的相关性。
(3)竖向脉动风速谱
对结构计算而言，由于风的方向不一定是水平的，因而就存在竖向风。按ECCS 规范规定，倾角相对于水平面在土100。内变化，平均风力为水平向平均风力的0.18 倍。竖向风的特性没有足够的资料加以分析，一般假定具有同水平风同样的一些性质，如风为平均风和脉动风，脉动风与平均风比值，即脉动系数相同，但是脉动风引起的竖向垂直风谱则不同。
根据实测结果Panofsky提出了如下的竖向脉动风速功率谱:
Sw?n??6KV02xn?1?4x?2?6KV0z?2z????1???V0?2 （4.8）
其中: x?nz，n?o,??0, z测点高度，K同前为地面粗糙度系数。 V0对于竖向脉动风分量的空间相干函数则缺乏这方面的研究，近似方法则可取与水平脉动风相同的空间相干函数。
3.3风速风压的关系公式
当风以一定的速度向前运动遇到阻碍时，将对阻碍物产生压力。低速运动的空气可以看作不可压缩的流体，当不可压缩流体质点在同一水平线上作稳定运动，其伯努利方程的能量表达式为:
?V?mv?x??C （4.9）
12式中: ?V为静压能，mv?x?为动能，C为常数， ?为单位面积上的静压力，V为空间
2122质点体积，v为风速。上试天边除以V，可得：
?0?12?v?x??C1 （4.10） 2当V?x??V时，MaoA为气流原先压力:当气流中心束由于冲击建筑物而速度减少为零时，即
V?x??0时，???m为气流产生的最大压力。而冲击净压力???m??b即为所求的风压，
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也称为来流风压。表达式为:
???v?x? （4.11）
这即为普通应用的风压公式，?为空气密度。?为气流冲击面积较大的平面，所得的风压，而实际上由于结构体形不同，风在结构表面引起的实际风压与来流风压是不相同的，而且各处分布也不均匀。
由此引出了体型系数的概念，其表达式为:
?s?122?1 （4.12） ?2体型系数?s是由风洞试验确定的，?1为实际风压，?2为来流风压，对于规则外形的在结构荷载规范中己经列出。即
?1??s?2 （4.13）
式中，?2是距离地面某高度处，由平均风和脉动风共同引起的风压，是具有随机性的荷载时程。
为了便于设计，对于普通结构我国荷载规范采用下式进行风荷载设计:
?k??z?z?s0? （4.14）
式中，?k为风荷载标准值，此处即为?1, ?0为基本风压；?s同前为体型系数；?z为风压高度系数，由平均风速指数律求得；?z为高度z处的风振系数，考虑脉动风的影响。在结构上不同点的风振系数值不同。对于只考虑第一振型的影响的结构，结构的风振系数可以简化。
我国规范规定对于一般悬臂型结构，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层结构，均可仅考虑第一振型的影响，结构风荷载可按(4.15)式计算。
?z?1??v?z （4.15） ?z式中?为脉动增大系数，v为脉动影响系数，?z为振型系数，?z为风压高度系数。为便于理解，可以认为式(4.13)中的?2??z?z?0
但对于刚度较小、自振周期较大的结构，脉动风振动影响较大，多个振型对结构的振
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