海洋工程环境学第四章风载荷

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1、EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering《海洋工程环境学》－－风载荷风定常脉动上层建筑弯矩振动断裂疲劳海洋结构物与环境因素的相互作用海洋环境风载荷是海洋工程结构设计的重要控制载荷,抗风设计是结构安全的重要保证，风对海浪、海流产生重要影响。风的运动：风是大气中空气的运动，空气从气压高处流向气压低处，即在气压梯度力的作用下产生运动。风的形成：地球表面存在温度差异，大气空气的气压差使气流发生流动而形成风，加上地球的自转运动就形成风带。风载荷：随机性，通常用风速谱描述。细长、高耸结构可能发生动力放大效应。风速成分由10min长周期和几秒钟的短周期脉动风组成，因此

2、工程上平均风速----静力作用；脉动风----动力作用。风的特性风向和风力强度风力是个矢量，风速和风向两方面；风速：气流前进的速度；风向：风的来向，用16个方位表示(北,东北偏北,东北,东北偏东,东…)。风玫瑰图风向和风力强度2009-2010年度渤海辽东湾三个海域的风速、风向监测结果JZ20-2、9-3、25-1S海域风速、风向变化风向总是随季节和时日发生着改变，对结构物受力有着不同的影响，用风玫瑰图来描述方向特性。风的玫瑰图又称为风向频率图或风况图，表示风在各个方向的强弱和出现的次数。基于玫瑰图可以确定常风向（统计中风速出现频率最多的风向），强风（出现最大风速的方向）风力强度：风的作用强度

3、，用风级表示，按风速大小进行分级；通常采用10m高处的风速大小表示。风力等级从无风到超强台风，共有18级。蒲氏风级(BeaufortWindScale)：从风与风帆的对应关系提出,表示风对结构物的影响程度.后来采用10m高处的风速大小表示。0—17级：风速0.0—60m/s(距地面10米处)7蒲氏风级与风速的换算公式:其中V是风速（m/s）,F是风级0.2海洋环境因素分析风速影响因素：气压梯度力、地转偏向力，离心力和摩擦力的综合作用。大气压强：大气在重力作用下产生的对地面的大气压力。（1）地球各处的大气压力不同，形成大气压强场（气压场）（2）定义：单位面积上从某高度到大气上界的垂直空气柱的重量

4、，1Pa=1N/m2（3）一个标准大气压：温度为0度时，位于纬度45的海平面的气压，该值为1013.25hPa，或760mm汞柱。（4）气压影响因素：纬度、温度、高度等。大气压强和大气运动气压梯度力1、地表各处的大气压力分布不均匀，产生气压梯度力，推动大气水平流动。2、气压梯度力表示为：G=-▽p/ρ，方向与等压线垂直，由压力高处指向压力低处。3、大气大尺度运动就是垂向近似满足静力平衡，做水平方向运动。4、气压梯度力是推动大气运动的主要作用力。5、相邻区域的气压值相差很大时，气压图上的等压线表现密集，气压梯度陡，因而产生强风。大气压强和大气运动地转偏向力（科氏力，CoriolisForce）研

5、究海水或者大气的大规模运动时，必须考虑地球自转效应，或称为科氏效应。由于地球绕轴自转，在赤道处的地面便具有约464m/s自西向东的线速度，向两极方向随纬度的增高逐渐减小，在纬度30°处约为402m/s，60°处约为232m/s，两极为零。假定有一物体从赤道沿经圈向高纬（向南或者向北）运动，由于其在赤道具有的较大自西向东的线速度，因此，地面上的观察者会看到，它的运动轨道不断向东偏移。在从高纬向赤道方向运动的过程中，由于其保持在高纬处的较小的自西向东的线速度，因此其运动轨道不断地偏向西。30.2海洋环境因素分析地转偏向力1、其作用效果与大气运动尺度成正比，在地球表面上做自由运动的物体会发生运动方向

6、偏离，但不改变其大小。2、科氏力f=2mvωsinφ，ω是地球自转角速度，V是任一方向的速度，在北半球指向运动的右方，南半球指向左方。3、科氏力在大小上与物体运动的速度成正比，并随纬度发生变化。4、北半球，在科氏力的作用下，北风变成东北风；南风变成西南风。大气压强和大气运动大气压强和大气运动北半球南半球大气压强和大气运动地转偏向力对风的影响：1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最明显，在赤道处则消失。2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区。3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区，而通常不能形

7、成于赤道附近。地转偏向力对风的影响：1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最明显，在赤道处则消失。2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区。3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区，而通常不能形成于赤道附近。地转偏向力对其它物体的影响：1、影响任何一个环绕地表的远距离运动。例如，在一战期间，德军用他们