风荷载是空⽓流动对⼯程结构所产⽣的压⼒。 风荷载也称风的动压⼒，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。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。
⼀《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中所规定的顺风向风荷载的具体计算1 顺风向风荷载
2012规范关于顺风向风荷载的计算公式没有形式上的变化，仍然采⽤平均风压乘以风振
0ωµµβωκz s z = （1）
其中： k ω— 风荷载标准值（kN/m 2）；z β— ⾼度z 处的风振系数；s µ— 风荷载体型系数；
z µ— 风压⾼度变化系数； 0ω— 基本风压。
如果不考虑结构在风荷载作⽤下的动⼒响应，则由平均风压引起的静荷载取决于体型系数、风压⾼度变化系数及基本风压这三项因素，下⾯讨论顺风向作⽤下的静荷载计算：1.1 基本风压
中国规定的基本风压w 0 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w 0=ρv 2/2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。风速风速随时间不断变化，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。建筑设计中的取⽤：基本风压应按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录E 中附表
E.5 给出的全国各地区的风压采⽤数值。对于⾼层建筑、⾼耸结构以及对风荷载⽐较敏感的其他结构，基本风压应适当提⾼，并应由有关的结构设计规范具体规定。当城市或建设地点的基本风压值在本规范全国基本风压图上没有给出时，基本风压值可根据当地年最⼤风速资料，按基本风压定义，通过统计分析确定，分析时应考虑样本数量的
影响。当地没有风速资料时，可根据附近地区规定的基本风压或长期资料，通过⽓象和地形条件的对⽐分析确定；也可按本规范附录E 中全国基本风压分布图近似确定。风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4 和0。
其中徐州地区50年⼀遇的基本风压为0.35kN/m 2。1.2 体型系数
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。对于⾼度超过45m 的矩形截⾯⾼层建筑需考虑深宽⽐D/B 对背风⾯体型系数的影响。
当平⾯深宽⽐D/B ≤1.0时，背风⾯的体型系数由-0.5增加到-0.6，矩形⾼层建筑的风⼒系数也由1.3增加到1.4 。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表8.3.1中详细分析了不同结构体型的风荷载体形系数。
1.3 风压⾼度变化系数
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。
对于平坦或稍有起伏的地形，风压⾼度变化系数应根据地⾯粗糙度类别按照《建筑结构
荷载规范》GB50009-2012表8.2.1确定。地⾯粗糙度是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。地⾯粗糙度可分为A 、B 、C 、D 四类：A 类——指近海海⾯和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B 类——指⽥野、乡村、丛林、丘陵以及房屋⽐较稀疏的乡镇和城市郊区；C 类——指有密集建筑群的城市市区；
D 类——指有密集建筑群且房屋较⾼的城市市区。
对于⼭区的建筑物，风压⾼度变化系数可按平坦地⾯的粗糙度类别，由表8.2.1确定外，还应考虑地形条件的修正，修正系数η分别按下述规定采⽤:1 对于⼭峰和⼭坡，修正系数应按下列规定确定：1)顶部B 处的修正系数可按下述公式采⽤：2)]5.21(tan 1[H
z B -+=ακη (2) 式中: tan α—⼭峰或⼭坡在迎风⾯⼀侧的坡度；当tan α>0.3 时，取tan α=0.3；k —系数，对⼭峰取2.2，对⼭坡取1.4；H —⼭顶或⼭坡全⾼(m)；
z —建筑物计算位置离建筑物地⾯的⾼度(m); 当z>2.5H 时，取z=2.5H 。
2）对于⼭峰和⼭坡的其他部位，可按图1所⽰，取A 、C 处的修正系数A η、C η为1，AB 间和BC 间的修正系数按η的线性插值确定。2 ⼭间盆地、⾕地等闭塞地形η=0.75～0.85；
3 对于与风向⼀致的⾕⼝、⼭⼝η=1.20～1.50。
图1 ⼭峰和⼭坡的⽰意1.4 ⾼度z 处的风振系数
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012知，低于⼀般竖向悬臂型结构，例如⾼层建筑和构架、塔架、烟囱等⾼耸结构，均可仅考虑结构第⼀振型的影响，结构的顺风向风荷载按公式（1）计算确定。⾼度z 处的风振系数z β可按下式计算：210121R B gI z z ++=β （3）式中：g ——峰值因⼦，可取2.5；
10I ——10m ⾼度名义湍流强度，对应A 、B 、C 和D 类地⾯粗糙度，可分别取0.12、 0.14、0.23和0.39；R ——脉动风荷载的共振分量因⼦；z B ——脉动风荷载的背景分量因⼦。脉动风荷载的共振分量因⼦R 可按下式计算：3/4)211(2
1x x R +16=ζπ （4）5,30111>=x k f x o
w ω （5） 式中：1f ——结构第1阶⾃振频率（Hz ），
w k ——地⾯粗糙度修正系数，对A 类、B 类、C 类和D 类地⾯粗糙度分别取1.28、1.0、0.54和0.26，
1?——结构阻尼⽐，对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02，对其 他结构可根据⼯程经验确定。脉动风荷载的背景分量因⼦可按下列规定确定：
1 对体型和质量沿⾼度均匀分布的⾼层建筑和⾼耸结构，可按下式计算：z
z x z z kH B µφρρ)(1a 1= （6） 式中：)(1z φ——结构第1阶振型系数；
H ——结构总⾼度（m ），对A 、B 、C 和D 类地⾯粗糙度，H 的取值分别不应⼤于300m 、 350m 、450m 和550m ；x ρ——脉动风荷载⽔平⽅向相关系数；z ρ——脉动风荷载树直⽅向相关系数；
k 、1a ——系数，按《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012表8.4.5-1取值。
2 对迎风⾯和侧风⾯的宽度沿⾼度按直线或接近直线变化，⽽质量沿⾼度按连续规律变化的⾼耸结构，式（6）计算的背景分量因⼦z B 应乘以修正系数B θ和V θ。B θ为构筑物在z ⾼度处的迎风⾯宽度与底部宽度的⽐值；V θ可按
《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012表8.4.5-2确定。竖直⽅向的相关系数可按下式计算：H
e H H z 60601060/-+=-ρ （7） 式中：H ——结构总⾼度（m ）；对A 、B 、C 和D 类地⾯粗糙度，H 的取值分别不应⼤于300m 、 350m 、450m 和550m ；⽔平⽅向的相关系数可按下式计算：B
e B H x 50501060/-+=-ρ （8） 式中：B ——结构迎风⾯宽度（m ），B2H 。对于迎风⾯宽度较⼩的⾼耸结构，⽔平⽅向相关系数可取为1。⼆《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中所规定的横风向风荷载的矩形平⾯结构的横风向风振
按2012规范8.5.1条，“对于横风向风振作⽤效应明显的⾼层建筑以及细长圆形截⾯构
筑物，宜考虑横风向风振的影响。”由于判断是否需要考虑横风向风振的影响⽐较复杂，涉及建筑的⾼度、⾼宽⽐、结构⾃振频率及阻尼⽐等因素，因此条⽂说明中给出“建筑物⾼度超过150m 或⾼宽⽐⼤于5的⾼层建筑可出现较为明显的横风向效应”这⼀条件。
横风向风振的荷载可以通过风洞试验获得，也可以通过计算获得，2012规范在附录中
给出规则结构的计算⽅法。有关风洞试验的数据可以通过⽂件的形式接⼊PKPM 的计算，这⾥主要讨论规范附录中提供的计算⽅法。２.１ 基本计算公式
根据规范，对矩形截⾯⾼层建筑横风向风振等效风荷载标准值计算公式整理如下：2'L 0LK 1L
z R C gw w +=µ （９）
式中：LK w ——横风向风振等效风荷载标准值(2m /kN )；'
L C ——横风向风⼒系数；L R ——横风向共振因⼦；
g ——峰值因⼦，可取2.5； 0w ——基本风压；z µ——风压⾼度变化系数。
横风向风振等效荷载主要受⾼宽⽐、深宽⽐、扭转周期、阻尼⽐、削⾓和凹⾓、地⾯粗糙度等的影响。三 规范公式的检验
3.1 振型对风荷载作⽤效果的影响（以上海电视塔结构为例）
试验将时将上海电视塔结构抽象为16个质点，通过计算和分析，可以得到如下结论：⾼振型的影响。现以顶点、观光塔和上塔楼的⽔平风振位移进⾏分析。现假设第⼀振型
风振⼒作⽤下上述三点的⽔平风振位移为1，第⼆振型和第三振型的⽔平位移与第⼀振型的⽔平位移⽐值⼀并列于表1-2中，表中量纲为1。表1-2 ⾼振型对⽔平位移的影响
由表1-2可以看出，第⼀振型的⽔平位移占有绝对优势，除第⼆振型在顶部附近有影响外，观光塔以下各点⾼振型的影响很⼩。所以在计算⼀般⾼层建筑风荷载时，对顺风向响应只需考虑第⼀振型的影响。与规范计算⽅法相符。
3.2 风荷载计算软件⽅法与规范⽅法进⾏⽐较（以深圳中国海洋⽯油⼤厦为例）要图不要表
深圳中国海洋⽯油⼤厦地上共50层，⾼175.10m,钢筋混凝⼟筒体结构体系，五个标准层，结构体型是不规则的。建筑物前三阶y ⽅向⾃振周期T 1=3.51s,T 2=0.92s,T 3=0.46s ；x ⽅向⾃振周期T1=3.41s,T 2=1.20s,T 3=0.41s 。
该⼤厦进⾏了刚性模型风洞试验，试验模型⽐例为1:50，C 类地⾯粗糙度类别，风洞试验所得y ⽅向各段（标准层，由上⾄下）的风载平均体型系数µs1=2.07,µs2=1.58,µs3=1.36,µs4=0.94,µs5=0.67。本例题采⽤软件⽅法与规范⽅法进⾏⽐较。两种⽅法均取试验值的体型系数，但软件⽅法选取实际振型，⽽规范⽅法选取规范本⾝规定的振型。表1-1列出了底部剪⼒、底部弯矩的⽐较，图1-1、图1-2、图1-3分别绘出了风压、风剪⼒、 位置 振型 顶点(459.0m)
观光塔 （348.5m ） 上塔楼 （272.5m ） 第⼀振型 1.0001.000 1.000 第⼆振型 0.2440.013 -0.002 第三振型0.036 -0.017 -0.005风弯矩沿⾼度的分布规律。表1-1 底部剪⼒、底部弯矩的⽐较
由本例看出，软件⽅法与规范⽅法相⽐，底部剪⼒⼩8%左右，底部弯矩⼩5%左右。软件计算结果基本能够满⾜规范要求。图1-3中规范⽅法风压沿⾼度有⼏处突变，这完全是由采⽤试验值的各段体型系数变化引起的。
3.3 风荷载计算软件⽅法与试验进⾏⽐较（以⾦茂⼤厦为例）要图
⾦茂⼤厦位于上海浦东新区，它由⾼度为365m 的主塔楼和约40m ⾼的群楼组成，主楼平⾯近似为宽55.5m 的正⽅形，随⾼度逐渐收缩。⾦茂⼤厦结构设计主要由风荷载控制，加拿⼤西安⼤略⼤学对⾦茂⼤厦进⾏了详细的风洞试验研究。
风洞试验选取3个有代表性的⾼度处数值模拟结果进⾏⽐较，⾼度分别为H=67m ，145m ，286m 。⽐较了3个⾼度上平均压⼒系数的⽐较结果，风洞试验和数值模拟的风向都为90°。平均风压系数的定义为25.0H p p C ρυ=
，其中p 为测点上的风压值，H υ为H=365m⾼度处的来流风速，ρ为空⽓密度。
由图⽐较可以看出，FENSAP 计算的平均风压系数与风洞试验结果总体上很吻合，少数钝体边⾓处的测点差别稍⼤⼀些，但误差也基本上在25%以内，从⼯程应⽤⾓度来说，是 可以接受的。软件⽅法 荷载规范 ⾼层建筑 V0
1.000 1.084 1.077 M0 1.000 1.043 1.052
结果表明，《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中规定的风荷载计算⽅法与实际的风荷载基本相符。四 风荷载影响因素的验证
风荷载与基本风压、地形、地⾯粗糙度、距离地⾯⾼度，及建筑体型等诸因素有关。下⾯我们将利⽤规范中的公式来验证各因素对风荷载的影响。
徐州某⾼层建筑剪⼒墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层⾼为4m ，其他各层层⾼为3m ，室外地⾯⾄檐⼝的⾼度为120m ，平⾯尺⼨为30m ?40m ，地下室筏板基础底⾯埋深为12m,如图2-4所⽰。已知徐州50年⼀遇的基本风压为20/35.0m kN =ω(规范附录E) ，建
筑场地位置⼤城市郊区。为简化计算，将建筑物沿⾼度划分为12个区段，每个区段为10m ，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值.
利⽤公式0ωµµβωκz s z =，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中的规定确定各个参数的取值。重点采⽤控制变量法讨论⾼度以及地⾯粗糙程度对风荷载的影响。计算流程如下：
计算结构基本⾃振周期 确定风荷载体型系数、风压⾼度变化系数以及⾼度z 处的风振系数等参数 根据公式计算风荷载标准值以及合⼒。计算结果如表4-1、4-2。表4-1 风荷载标准值随⾼度以及地⾯粗糙程度变化的计算结果 风荷载标准值Wk 计算荷载作⽤中⼼点距离地⾯⾼度 地⾯粗糙度类别 A B C D5 0.500 0.459 0.299 0.23515 0.665 0.532 0.313 0.24825 0.773 0.638 0.410 0.27035 0.867 0.740 0.501 0.32245 0.961 0.831 0.592 0.40055 1.045 0.917 0.677 0.47365 1.117 0.987 0.751 0.53975 1.207 1.074 0.836 0.61685 1.314 1.181 0.946 0.71595 1.369 1.239 1.004 0.766105 1.429 1.315 1.078 0.837115 1.514 1.388 1.1550.909
表4-2 风荷载计算区段合⼒随⾼度以及地⾯粗糙程度变化的计算结果风荷载计算区段合⼒Fi计算荷载作⽤中⼼点距
离地⾯⾼度 地⾯粗糙度类别 A B C D5 199.965 183.49
6 119.763 94.159
15 265.971 212.767 125.249 99.17825 309.035 255.252 163.877 107.88035 346.766 295.831 200.520 128.86045 384.423 332.497 236.814 160.13255 417.846 366.781 270.740 189.08265 446.674 394.807 300.285 215.69075 482.637 429.566 334.594 246.50185 525.462 472.417 378.594 286.18195 547.480 495.630 401.574 306.471
105 571.532 525.814 431.328 334.626 115 605.674 555.113 461.997 363.618图表4-3更形象的表⽰风荷载随⾼度以及地⾯粗糙程度的变化规律。
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