什么是风荷载?

[拼音]：fenghezai

[外文]：wind load

也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载ш与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关，通常可按下式确定

式中w0为基本风压；μz为风压高度变化系数;μs为风载体型系数；βz为风振系数。

中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风。其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。

中国规定的基本风压w0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准，按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年，特别重要的结构为100年)，统计得最大风速v（即年最大风速分布的96.67％分位值，并按w0＝ρv2/2确定。式中ρ为空气质量密度;v为风速）。根据统计，认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压，统计分布可按极值I型考虑。

基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，由台风造成。东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。其他内陆地区风压都较小。

风速随时间不断变化（图1），在一定的时距Δt内将风速分解为两部分：一部分是平均风速的稳定部分；另一部分是指风速的脉动部分。为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压，一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。

按风速记录为确定最大平均风速而规定的时间间隔（图1）。规定的时距愈短，所得的最大平均风速愈大，也即基本风压愈大。当前世界各国所采用的平均时距标准并不一致，例如，中国时距取10分钟，苏联取2分钟，英国根据建筑物或构件的尺寸不同，分别取3秒、5秒和15秒，日本取瞬时。美国以风程1609.3米（1英里）作为确定平均风速的标准，这相当于对不同风速取不同的平均时距。因而各国基本风压值的标准也有差别。

从某一高度的已知风压（如高度为10米的基本风压），推算另一任意高度风压的系数。风压高度变化系数随离地面高度增加而增大，其变化规律与地面粗糙度及风速廓线直接有关。设计工程结构时应在不同高度处取用对应高度的风压值。

地面因障碍物形成影响风速的粗糙程度。风（气流）在接近地面运动时，受到树木、房屋等障碍物的摩擦影响，消耗了一部分动能，使风速逐渐降低。这种影响一般用地面粗糙度衡量。地面粗糙度愈大，同一高度处的风速减弱愈显著。一般地面粗糙度可由小而大列为水面、沙漠、空旷平原、灌木、村、镇、丘陵、森林、大城市等几类。

风速随高度的变化曲线(图2)。风速通常随离地面高度增大而增加。增加程度主要与地面粗糙度和温度梯度有关。达到一定高度后，地面的摩擦影响可忽略不计，该高度称为梯度风高度。梯度风高度随地面粗糙度而异，一般约为300～500 米。梯度风高度以内的风速廓线一般可用指数曲线


表示，式中vz为在高度z处的风速；v1为在高度z1处的已知风速；α为指数，α值从1/3～1/10，对于空旷平原α值约为1/7。

也称空气动力系数，它是风在工程结构表面形成的压力（或吸力）与按来流风速算出的理论风压的比值。它反映出稳定风压在工程结构及建筑物表面上的分布，并随建筑物形状、尺度、围护和屏蔽状况以及气流方向等而异。对尺度很大的工程结构及建筑物，有可能并非全部迎风面同时承受最大风压。对一个建筑物而言，从风载体型系数得到的反映是：迎风面为压力；背风面及顺风向的侧面为吸力；顶面则随坡角大小可能为压力或吸力。

风的脉动部分对高耸结构所引起的动态作用。一般结构对风力的动态作用并不敏感，可仅考虑静态作用。但对于高耸结构（如塔架、烟囱、水塔）和高层建筑，除考虑静态作用外，还需考虑动态作用。动态作用与结构自振周期、结构振型，结构阻尼和结构高度等因素有关，可将脉动风压假定为各态历经随机过程按随机振动理论的基本原理导出。为方便起见，动态作用常用等效静态放大系数，即风振系数的方式与静态作用一并考虑。