发布时间 : 星期一 文章《荷载与结构设计方法》课后思考题答案更新完毕开始阅读
C——弹性变形系数，包括船只或排筏及桥梁墩台的综合弹性变形在内，一般顺桥轴方向取0.0005，
横桥轴方向取0.0003。
3.10 试述浮托力产生的原因及考虑的方法？
水浮力为作用于建筑物基底面的由下向上的水压力，当基础或结构物的底面置于地下水位以下，在其底面产生浮托力，浮托力等于建筑物排开同体积的水重力。地表水或地下水通过土体孔隙的自由水沟通并传递水压力。浮托力的大小取决于土的物理特性，当地下水能够通过土的孔隙溶入到结构基底，且固体颗粒与结构基底之间接触面很小时，可以认为土中结构物处于完全浮力状态。
浮托力作用可根据地基的透水程度，按照结构物丧失的重量等于它所排除的水重这一原则考虑： （1）对于透水性土，应计算水浮力；对于非透水性土，可不考虑水浮力。若结构物位于透水性饱和的地基上，可认为结构物处于完全浮力状态，按100%计算浮托力。
（2）若结构物位于透水性较差地基上，如置于节理裂隙不发育的岩石地基上，地下水渗入通道不畅，可按50%计算浮托力。
（3）若结构物位于粘性土地基上，土的透水性质难以预测，对于难以确定是否具有透水性质的土，计算基底应力时，不计浮力，计算稳定时，计入浮力。对于计算水浮力的水位，计算基底应力用低水位，计算稳定用设计水位。
（4）地下水也对地下水位以下岩石、土体产生浮托力，基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度应取有效重度。
（5）地下水位在基底标高上下范围内涨落时，浮托力的变化有可能引起基础产生不均匀沉降，应考虑地下水位季节性涨落的影响。
4 风 荷 载
4.1. 基本风压是如何定义的？影响风压的主要因素有哪些？
基本风压是在规定的标准条件下得到的，基本风压值是在空旷平坦的地面上，离地面10m高，重现期为50年的10min平均最大风速。
影响风压的主要因素有：
（1）风速随高度而变化，离地表越近，摩擦力越大，因而风速越小。 （2）与地貌粗糙程度有关，地面粗糙程度高，风能消耗多、风速则低。 （3）与风速时距风有关，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。
（4）与最大风速重现期有关，风有着它的自然周期，一般取年最大风速记录值为统计样本，对于一般结构，重现期为50年；对于高层建筑、高耸结构及对风荷载比较敏感的结构，重现期应适当提高。
当实测风速高度、时距、重现期不符合标准条件时可进行基本风压换算。
4.2. 试述风速和风压之间的关系？
风速和风压之间的关系可由流体力学中的伯努利方程得到，自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：
w?式中 w——单位面积上的风压力（kN/m2）
12?2?v?v 22g?——空气密度（t/m3）
?——空气单位体积重力（kN/m3）
g—— 重力加速度（m/s2）
v—— 风速（m/s）
在标准大气压情况下，?= 0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：
0.0120182v2v?v?(kN/m2) w?2g2?9.801630?2在不同的地理位置，大气条件是不同的，?和g值也不相同。通常取为：
v2(kN/m2) w?1600
4.3. 山区及海洋风速各有什么特点？应当如何考虑？
山区地势起伏多变，对风速影响较为显著，山区风速有如下特点：山间盆地、谷地等闭塞地形，由于四周高山对风的屏障作用，一般比空旷平坦地面风速减小10~25%，相应风压要减小20~40%。谷口、山口等开敞地形，当风向与谷口或山口趋于一致时，气流由开敞区流入两边为高山的狭窄区，流区压缩，风速必然增大；风速比一般空旷平坦地面增大10~20%。山顶、山坡等弧尖地形，由于风速随高度增加和气流越过山峰时的抬升作用，山顶和山坡的风速比山麓要大。对于山区的建筑物可根据不同地形条件给出风荷载地形修正系数，在一般情况下，山区的基本风压可按相邻平坦地区基本风压乘修正系数后采用。
风对海面的摩擦力小于对陆地的摩擦力，所以海上风速比陆地要大。另外，沿海地带存在一定的海陆温差，促使空气对流，使海边风速增大。基于上述原因，远海海面和海岛的基本风压值大于陆地平坦地区的基本风压值，并随海面或海岛距海岸距离的增大而增大。根据沿海陆地与海面、海岛上的同期观测到的风速资料对比，可得不同出海距离下远海海面和海岛基本风压修正系数。
4.4. 试述我国基本风压分布的特点？
我国夏季受太平洋热带气旋影响，形成的台风多在东南沿海登陆；冬季受西伯利亚和蒙古高原冷 空气侵入，冷锋过境常伴有大风出现。全国基本风压值分布呈如下特点：
（1）东南沿海为我国大陆上最大风压区。这一地区面临海洋，正对台风的来向，台风登陆后环流遇山和陆地，摩擦力和阻塞力加大，台风强度很快减弱，风压等值线从沿海向内陆递减很快。
（2）西北、华北和东北地区的北部为我国大陆上风压次大区。这一地区的大风主要由冬季强冷空气入侵造成的，在冷锋过境之处都有大风出现。
（3）青藏高原为风压较大地区，主要是由于海拔高度较高所造成的。这一地区除了冷空气侵袭造成大风外，高空动量下传也能造成大风。
（4）云贵高原和长江中下游地区风压较小，尤其是四川中部、贵州、湘西和鄂西为我国风压最小区域。
（5）台湾是我国风压最大地区，主要受太平洋台风的影响；海南岛主要受南海台风的袭击，故东岸偏南有较大风压；西沙群岛受南海台风的影响，风力较大。
4.5. 什么叫梯度风？什么叫梯度风高度？
在离地表300~500m大气边界层以上的高度，风的流动不受地面粗糙层的影响，风沿着等压线以层流方式自由流动，称为梯度风。梯度风流动的起点高度称为梯度风高度。
4.6. 影响大气边界层以下气流流动的因素有哪些？
地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力，从而使靠近地面的气流速度减慢，该阻力对气流的作用随高度增加而减弱，只有在离地表300~500m以上的高度，风才不受地表粗糙层的影响能够以
梯度风速度流动。不同地表粗糙度有不同的梯度风高度，地面粗糙度小，风速变化快，其梯度风高度比地面粗糙度大的地区为低；反之，地面粗糙度越大，梯度风高度将越高。
4.7. 《荷载规范》是如何划分和度量地面粗糙度的？
《荷载规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类，分类情况及相应的地面粗糙度指数?和梯度风高度HT如下：
A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取?A=0.12，HTA=300m；
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，取?B=0.16，HTB=HT0=350m； C类指有密集建筑群的城市市区，取?C=0.22，HTC=400m；
D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取?D=0.30，HT0=450m。
4.8. 试述风压高度变化系数的导出方法？
根据实测结果分析，大气边界层内平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即： 式中 v——任一高度z处平均风速； v0——标准高度处平均风速； z——离地面任一高度（m）；
z0——离地面标准高度，通常取为10m，
?——与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙程度越大，?越大。 由风压与风速的平方成正比，再将（1）式代入，可得：
vz?()? 1 （1） v0z0wa(z)v2z ?2?()2? (2)
woaz0v0式中 wa(z)——任一地貌高度z处风压；
woa——任一地貌标准高度处风压。
整理（2）式，并将标准高度z0=10m代入，可得： wa(z)?woa(z2?) (3) 10设标准地貌下梯度风高度为HT0，粗糙度指数为?0，基本风压值为w0；任一地貌下梯度风高度为HTa。根据梯度风高度处风压相等的条件，由(3)式可导出：
w0(HT02?0H)?woa(Ta)2? (4) 1010HT02?0102?)()w0 (5) 10HTawoa?(将(5)式代入(3)式，可得任一地貌条件下，高度z处的风压： wa(z)?(aHT02?0102?z2?)?()?()?w0??za?w0 (6) 10HTa10上式中?z是任意地貌下的风压高度变化系数，应按地面粗糙度指数?和假定的梯度风高度HT确定，并随离地面高度z而变化。
将以上数据代入?z的表达式（6），可得A、B、C、D四类风压高度变化系数：
A A类： ?z?1.379(zB B类： ?z?1.000(za)0.24 (7)
10)0.32 (8) 10)0.44 (9) 10C C类： ?z?0.616(zDD类： ?z?0.318(z)0.60 (10)
10据此，可制出风压高度变化系数?z的表格，供设计时查用。
4.9. 简述矩形平面的单体建筑物风流走向和风压分布？
矩形平面的单体建筑受到风的作用后，在其迎风面大约2/3高度处，气流有一个正面停滞点，气流从该停滞点向外扩散分流。停滞点以上，一部分气流流动上升并越过建筑物顶面；停滞点以下，一部分气流向下流向地面，在紧靠地面处形成水平滚动，成为驻涡区；另一部分气流则绕过建筑物两侧向背后流去。在钝体建筑物的背后，由于屋面上部的剪切层产生的环流，形成背风涡旋区，涡旋气流的风向与来流风相反，在背风面产生吸力。 矩形平面的单体建筑物在风的作用下，迎风面由于气流正面受阻产生风压力，侧风面和背风面由于旋涡作用引起风吸力。迎风面的风压力在房屋中部最大，侧风面和背风面的风吸力在建筑物角部最大。
侧风面-+停滞点旋涡区驻涡区尾流区--背风面迎风面侧风面 图4.13 单体建筑物立面流线分布 图4.12 风压在房屋平面上的分布
4.10. 什么是风载体型系数？它是如何确定的？ 建筑物处于风流场中，风力在建筑物表面上的分布是不均匀的，风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数。 风载体型系数表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺寸有关。目前要完全从理论上确定受风力作用的任意形状物体的压力分布尚做不到，一般均通过风洞试验确定风载体型系数。