風力係數

考慮風荷載隨建築物的體型及部位而變化的空氣動力反應係數。當氣流遇到地面阻礙物時，由於氣流運動發生變化，在阻礙物表面將引起相應的壓力變化。壓力的分布取決於來流風在阻礙物上的空氣動力反應。它與阻礙物的外形和來流風的速度有關。

設計中通常以風載體型係數來考慮這個因素。在一般情況下，迎風面的體型係數為正值，背風面和兩個側面的體型係數為負值。

基本介紹

• 中文名：風力係數
• 外文名：wind factor
• 領域：建築工程
• 別稱：風載體型係數
• 作用：計算結構上的風載荷
• 關聯參數：結構的構造、尺寸

簡介

風力係數又稱體型係數。起重機結構所承受的實際風力與理論計算風力的比值。與結構的構造、體型和尺 寸有關，由風洞或實物試驗確定。用來計算結構上的風載荷。

風力係數指風作用於結構上與結構體型有關的係數。基本風壓是自由氣流在基本風速下所產生的壓力，並不 是作用在結構上的作用力。該風壓力作用在結構 上，不同的結構體型將受到不同的作用力，而且同 一物面上各處分布也不相同，其值通常由風洞試驗求得，也可根據實測而求得。工程上為了套用方便，同一類型面積上的風壓取各處不均勻風壓值以相應面積進行加權平均，其平均值即為該面上的風載體型係數。

目前採用風洞試驗方法來確定建築物表面風壓實際大小和分布，仍是最常用的方法。風在建築物表面引起的實際壓力或吸力與來流風壓的比值，常用下式來表示：

在我國規範中，上述實際壓力與來流風壓的比值常稱為風載體型係數。在一些國家規範中，也常將針對結構某一表面或某一部分所得到的比值，成為壓力係數，對結構整體而得到的比值，稱為力係數或風力係數。

計算方法

風力係數（風荷載體型係數）是指風作用在建築物表面上所引起的實際壓力（或吸力）與來流風的速度壓的比值，它描述的是建築物表面在穩定風壓作用下的靜態壓力的分布規律，主要與建築物的體型和尺度有關，也與周圍環境和地面粗糙度有關。由於它涉及的是關於固體與流體相互作用的流體動力學問題，對於不規則形狀的固體，問題尤為複雜，無法給出理論上的結果，一般均應由試驗確定。鑒於真型實測的方法對結構設計的不現實性，目前只能才相似原理，在邊界層風洞內對擬建的建築物模型進行測試。

結構物體型不同，實際風壓與氣象台站中所得結果亦不相同，且各處分布也不均勻。為了得出各種建築物表面的風壓實際大小和分布，有幾種方法可以來確定。

（1）試驗法：通過試驗是最基本的方法，這種研究有兩種途徑，一是在實際建築物上測定表面壓力分布，二是將建築物做成縮小比例的模型，在風洞試驗室中進行試驗。在實際建築物上測定表面壓力分布一般認為是最可靠的，所得數據被認為是最有參考價值的，但是由於實物量測耗時耗資甚大，在實際中較少套用，因此按風洞試驗來確定風壓的實際大小和分布是目前最常用的。鑒於近地風具有顯著的紊亂性和隨機性，在風洞試驗中模擬實際情況也可能有很大出入，因而風洞試驗結果的準確度也存在一定的問題，最好能與實測結果相比照。據一些資料說明，在建築物某些部位，風洞試驗的結果可以大大高出實測值，但這是偏於安全的。

（2）數值模擬法：由於計算機的套用的十分普遍，兼之計算速度近年來的飛快發展，採用計算機來分析建築物表面風壓實際大小和分布，即數值風洞方法研究近年來也逐漸成熟，在工程上套用也有見報導。但由於計算精度特別是邊角處與試驗比較有一定的出入，因而目前仍在發展之中，國內外尚未將它列入規範之中。

風洞試驗

風洞試驗目前是結構抗風研究中最主要的方法。借鑑航空領域的技術和方法，風洞試驗在土木工程結構的抗風研究中發揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結構的模型試驗和航天航空器的模型試驗有很多不同之處。前者外形非常複雜，而後者則相對簡單；前者處在高湍流的近地風場中且風場變化類型多，而和後者相關的流動則是低紊流流動；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導致雷諾數模擬的難度比後者更加突出；前者處在低速流動中，不需要考慮流體的壓縮性，而後者則需考慮流動的壓縮效應，等等。

風洞試驗所用的模型有兩種，一為剛性模型，主要用於確定建築物表面風壓實際大小和分布，另一為彈性模型，它能量測模型各處的內力和位移，驗證計算分析結果的精確度。剛性模型比較簡單，模型幾何相似是最主要的，並且除了風洞風剖面要做到與實際一致外，還要注意模型在風洞中的阻塞度，阻塞度太大，那么模型的繞流及其氣動力特性將不再代表原型物的情況，應作修正。一些文獻建議，當阻塞度為 2%時，阻塞修正量大概為 5%左右，而且阻塞修正量與阻塞比成正比。在採用彈性模型時，則還要注意剛度分布、質量分布、阻尼比，以及氣動相似參數如雷諾數、弗勞德數等的相似。

複雜空間結構的風力係數

對於工程中複雜體型的空間結構，尤其是對重大工程採用風洞試驗的方法來獲取其風致效應及相關荷載數值。而對於一些未能做風洞試驗的結構，就需要工程師根據科研理論和工程經驗對擬建工程的前期設計作簡明的預測和計算。

索膜結構

風荷載尤其是風吸力一般是輕型膜結構中索、膜應力的控制荷載。通常將其視為靜荷載，其值為速壓乘以風壓係數（Cp）。通常假定膜面形狀改變不大，而風壓係數Cp的變化也很小，可以忽略不計。這種方法不適合於膜面形狀對變形敏感或膜面變形和大的情況。

膜結構是單層構件，風荷載通常同時作用於起內外表面。內外表面的Cp值可根據相關的規範和論文得，利用內外壓力係數之和進行受力分析。風壓必須垂直作用於受力表面。與開敞式頂篷不同，封閉膜結構只有外表面直接承受動風壓。但是其內部壓力及吸力也應當予以考慮。當牆或者屋頂有較大孔洞時，考慮其內部壓力及吸力是十分重要的，因為其內部Cp值可能也很大。由於充氣結構內部的壓力由設備控制，風荷載只作用在結構的外表面。所以此類結構的風壓係數定義及獲得相對要直接一些，節省了不少的時間和精力。

大跨、複雜和形狀不規則結構

如遇到下列情況，則需要利用風洞試驗來確定風壓係數值：

1）薄膜結構的體型與規範及現有文獻中所給出的有很大區別，而不能對Cp值作出可靠的估計。

2）對於一個複雜的結構，採用保守方法確定風壓係數會使其建築成本過高。

風洞試驗可以更細緻地考察結構的風壓係數，從而提高設計荷載的可靠性。大多數風洞試驗採用剛性模型，即不考慮由於膜面變形引起的風壓重分布。對變形敏感的膜結構來說，剛性模型試驗不是最合適的，不過這通常是唯一的方法。

利用更為複雜的“氣彈”風洞試驗來研究這類結構的動力效應，比如馳振和顫振，可能更合適。在這樣的試驗中需要採用能產生與真實結構類似變形的模型。然而，這種模型通常難於加工，而且並不總能得出一致的結論。目前的研究正在嘗試利用對氣流（計算流體動力學分析，即CFD）與結構（有限單元模擬，即FEM）的耦合作用進行數值分析的方法來評估其空氣動力穩定性。