高层风荷载计算例题

高层风荷载计算例题（精选5篇）

1.高层风荷载计算例题 篇一

北京国际金融大厦风荷载风洞实验研究

具有独特外形、荣获 1994～1995年度首都十佳建筑设计方案第一名的北京国际金融大厦风荷载风洞实验研究结果表明,由于该建筑独特的门廊型南北错落结构,其表面风荷载随风向角变化很大,这对今后同一类型的`建筑设计从风荷载角度来考虑具有指导意义.笔者还结合北京地区特定的气象条件,参考国外文献,提出了较为合理和可靠的玻璃幕墙风荷载设计值.

作 者：顾志福 李燕 陈明福 齐伍辉 韩永康 李德果 GU Zhi-fu LI Yan CHEN Ming-fu QI Wu-hui HAN Yong-kang LI De-guo 作者单位：顾志福,李燕,陈明福,GU Zhi-fu,LI Yan,CHEN Ming-fu(北京大学力学系,北京,100871)

齐伍辉,韩永康,QI Wu-hui,HAN Yong-kang(北京市建筑设计研究院,北京,10045)

李德果,LI De-guo(北京金龙兴业房地产有限公司,北京,100032)

刊 名：流体力学实验与测量 ISTIC EI PKU英文刊名：EXPERIMENTS AND MEASUREMENTS IN FLUID MECHANICS年，卷(期)：13(3)分类号：V211.74 TU247.1关键词：建筑物 玻璃幕 大气边界层 风荷载 风压分布

2.高层风荷载计算例题 篇二

1 计算公式

脚手架规范第4.2.3规定:作用于脚手架的水平风荷载标准值,应按下式计算:

ωk=0.7μzμsω0。

其中,ωk为风荷载标准值,kN/m2;μz为风压高度变化系数;μs为脚手架风荷载体型系数;ω0为基本风压,kN/m2。

计算风荷载标准值除修正系数外,还有3个参数,现分析归纳如下。

1.1 基本风压ω0及修正系数

基本风压ω0应按荷载规范“全国基本风压分布图”的规定采用。荷载规范规定:风荷载标准值ωk=βzμzμsω0,即风荷载标准值中还应乘以风振系数βz,以考虑风压脉动对高层建筑结构的影响。脚手架规范编制时,考虑到脚手架附着在主体结构上,故取βz=1。荷载规范规定的基本风压是根据重现期为30年确定的,而脚手架使用期较短,遇到强劲风的概率相对要小得多,基本风压ω0乘以0.7修正系数是参考英国脚手架标准计算确定的。

1.2 风压高度变化系数μz

荷载规范规定:风压高度变化系数,应根据地面粗糙度类别按荷载规范采取。

地面粗糙度可分为A,B,C三类:A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;B类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊区;C类指有密集建筑群的大城市市区。

选用风压高度变化系数,应注意以下两种情况:

1)立杆稳定计算,应取离地面5 m高度计算风压高度变化系数。经计算,风荷载虽然在脚手架顶部最大,但此处脚手架结构所产生的轴压力很小,虽较小,但脚手架自重产生的轴压力接近最大,综合计算值最大。根据以上分析,立杆稳定性计算部位为底部。2)连墙件计算,应取脚手架上部计算风压高度变化系数。连墙件的轴向力设计值与风压高度变化系数成正比函数关系,即架体升高,风压高度变化系数增大,连墙件轴向力设计值随之增大,架体顶部达到最大。连墙件稳定承载力及扣件抗滑承载力验算,应取连墙件最大轴向力设计值。

1.3 风荷载体型系数μs

风荷载体型系数按《脚手架规范》4.2.4规定计算。

1.3.1 密目式安全立网全封闭及半封闭单、双排脚手架风荷载体型系数

哈尔滨建筑工程学院编写的《建筑施工专职安全人员继续教育培训班培训资料》,对密目式安全立网全封闭脚手架挡风系数计算如下:根据GB 16909-1997密目式安全网5.2.1条规定:网目密度不应低于800目/100 cm2。设100 cm2网目目数为N>800目,经计算,其挡风面积与迎风面积比值即An/Aw=0.54(含脚手架钢管挡风面积),挡风系数ϕ=1.2×0.54=0.648。

背靠建筑物为全封闭墙:μs=1.0×0.648=0.648。

背靠建筑物为敞开、框架和开洞墙:μs=1.3×0.648=0.842 4。

密目式安全立网半封闭脚手架的风荷载体型系数同全封闭脚手架。

目前建筑工地使用的密目式安全立网,是建设部规定的网目密度不低于2 000目/100 cm2的立网,应按此规定执行。

1.3.2 敞开式单、双排脚手架风荷载体型系数

按脚手架规范表4.2.4规定采用,依据上述规定,敞开式脚手架风荷载体型系数为:单排脚手架(单榀桁架)μs=ϕμs;双排脚手架(n榀桁架,n=2)。

1)挡风系数ϕ值计算。

a.直接按脚手架规范附录A表A-3查表采用。b.按脚手架规范条文说明规定的计算公式计算。

2)桁架构件的体型系数μs值计算。

按荷载规范表6.3.1第36项b)规定计算:“全国基本风压分布图”中,基本风压最大地区ω0=0.75 kN/m2,故ϕ48 mm(ϕ51 mm)钢管脚手架整体计算时,桁架构件的体型系数μs=1.2。

3)双排脚手架系数μ值计算。

μ值按荷载规范表6.3.1第32项查表选用。b/h为脚手架立杆横距与立杆步距的比值,即Lb/h0。

2 计算原则

正确使用公式,保证结构安全可靠。

3 计算实例

晋丰二期尿素主框架,建筑物高度为59 m,位于高平市郊区,框架结构,采用扣件式双排钢管脚手架施工,钢管规格为ϕ48×3.5 mm,脚手架搭设高度60 m,搭设尺寸:立杆纵距La=1.5 m,立杆横距Lb=1.2 m,步距h=1.8 m,连墙杆设置为二步三跨。要求计算如下:1)脚手架用密目安全立网(网目密度不低于2 000目/100 cm2)全封闭;2)脚手架敞开式,两种情况,离地面5 m及60 m高度风荷载标准值。

3.1 全封闭脚手架

查“全国基本风压分布图”,晋东南地区基本风压ω0=0.35 kN/m2。

查荷载规范表6.2.1,大城市郊区,地面粗糙度B类,离地面5 m高度μz=0.8,60 m高度μz=1.77。

背靠建筑物为框架结构,偏于安全计算,取挡风系数φ=1.0,μs=1.3φ=1.3。

离地面5 m高度:

离地面60 m高度:

3.2敞开式脚手架

基本风压及风压高度变化系数同全封闭脚手架。

由脚手架规范附录A表A-3查挡风系数=0.089(或由公式计算,φ=1.2 An/(l0·h)=0.089)。

由荷载规范表6.3.1第32项查表,n=2(双排),lb/h=1.2/1.8<1,<0.1,η=1。

查荷载规范表6.3.1第36项ω0d2=0.000 8<0.002,桁架杆件:ηs=1.2,μs=0.089×1.2×(1+1)=0.213 6。

离地面5 m高度:

离地面60 m高度:

综上所述,为准确、快速地计算扣件式钢管脚手架风荷载标准值,本文将有关规范条文、计算公式及数据归纳综合,以供读者参考。

参考文献

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[2]GBJ 9-87,建筑结构荷载规定[S].

3.高层风荷载计算例题 篇三

摘要：雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性，采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场，进行高层建筑刚性模型测压试验，讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明：建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时，迎风面风压最大值出现在底部，明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性；径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部，横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变，而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.

关键词：冲击射流模型；高层建筑；刚性模型；风荷载特性；雷暴冲击风

中图分类号：TU312.1； TU973.32文献标识码：A

Abstract：Downbursts are dramatically different from the atmospheric boundary layer. To investigate the wind load characteristics of highrise building in thunderstorm downbursts， a static impinging jet was used to simulate the thunderstorm downburst. Rigid model manomeric test was carried on a highrise building. Both local and overall wind load characteristics were discussed in time domain and frequency domain. The results indicate that the position of the maximum mean surface pressure is consistent with the peak radial velocity. Meanwhile， the maximum surface pressure on the windward side is located at the bottom of the building， obviously different from the top part tested in atmospheric boundary layer wind field. The maximum mean radial wind load of each layer is located at the middle of the building. And the mean wind load is 0 at the crosswind and torsional direction. Wind load spectrums of each layer keep unchanged along the height at the radial and crosswind direction. But wind load spectrums changes obviously at the twist direction.

Key words： impinging jet model； highrise building； rigid mode； wind load characteristic； thunderstorm downburst

目前结构抗风设计一般依照大气边界层风场进行，对建筑结构风荷载特性的研究也主要集中在边界层风场作用下[1-2].然而根据相关统计资料[3]，一个地区的极值风速往往不是由大气边界层风场决定的，而是产生于雷暴冲击风等极端天气气候.因此，对雷暴冲击风作用下建筑风荷载特性的研究显得尤为重要.

近几十年来，国内外学者对雷暴冲击风的研究着重于风场特性方面[4-8]，对建筑结构风荷载特性的研究相对较少.Letchford和Chay[9-10]分别测试了静止型冲击射流风场和运动型冲击射流风场中，小立方体表面压力分布.陈勇[11-12]对球壳型屋盖和拱形屋面进行稳态冲击射流试验，研究了不同结构参数对表面风压分布的影响，并采用kε湍流模型进行数值模拟，结果与试验较为吻合.汤卓[13]通过静止型冲击射流试验研究了双坡屋面在雷暴冲击风作用下风压分布特性.以上研究主要以低矮结构为主，而对于高层建筑的风荷载特性研究则相对较少.Sengupta和Sarkar[14]通过冲击射流试验研究了立方体高层结构表面风压情况，并与数值模拟结果进行了对比.赵杨[15]利用主动控制风洞模拟下击暴流风速剖面，并通过刚性模型测压试验研究了高层结构空气动力学参数变化情况.Kyle和曹曙阳[16]同时进行大气边界层风场和雷暴冲击风风场作用下高层建筑测压试验，试验结果表明两种风场作用下高层建筑表面压力分布特征差异明显.吉柏锋、瞿伟廉[17]以CAARC高层建筑标准模型为研究对象，采用数值模拟的方式模拟了下击暴流风场中高层建筑表面风压分布情况.

本文采用静止型冲击射流装置模拟雷暴冲击风风场.进行高层建筑刚性模型测压试验，考察了高层建筑风荷载特性.对试验结果进行统计分析，为实际高层建筑雷暴冲击风抗风设计提供一定参考.

1试验概况

1.1冲击射流装置

冲击射流装置如图1所示.控制射流直径Djet=600 mm，射流高度H=1 160 mm，射流速度vjet≈12 m/s.

1.2刚性模型及地形参数

刚性模型几何缩尺比1∶1 000，模型尺寸0.05 m（b）×0.05 m（d）×0.1 m（h）.刚性模型四面（A，B，C，D面）及顶面（S面）均匀布置105个测压孔.模型表面测压孔布置如图2所示.

2试验结果及讨论

2.1径向风速剖面

采用热线风速仪测试不同径向位置处径向风速.图4给出了试验测得的不同径向位置处无量纲风速剖面与国外学者试验和现场实测结果的对比.由图可见，风场测试结果与国外学者的研究结论较为吻合.

图6给出了刚性模型位于不同径向位置时，沿来流方向中心线上测孔的平均压力系数.横坐标0-1代表迎风面，1-2为顶面，2-3代表背风面.总体来说，建筑表面风压特性与其所处风场位置相关.建筑所处径向位置越远，建筑表面压力系数绝对值越小.迎风面压力系数均为正值，随着高度的增加，压力系数先增大，之后减小.迎风面中线压力系数最大值出现在建筑底部，与建筑所处径向位置风场一致，明显有别于边界层风场中典型高层建筑表面风压最大值靠近顶部位置的分布形式.顶面和背风面均为负压，顶面压力系数绝对值在靠近迎风面一侧较大，随着位置远离迎风面，压力系数绝对值逐渐减小.背风面压力系数绝对值呈现出下部小，上部大的分布特征.

建筑在r=1Djet位置处表面风压最大，图7给出了建筑位于该位置时，平均和根方差压力系数云图.由图7（a）可以发现，迎风面均为正压，平均压力系数底部大，上部小，中间大，两侧小.最大平均压力系数接近1.0，与射流口速度压力相当.侧风面和背风面均为负压.侧风面平均压力系数绝对值上部大，下部小，靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大.背风面平均压力系数分布较为均匀，压力系数绝对值呈现上部大，下部小的趋势.

由图7（b）可知，迎风面根方差压力系数分布规律与平均压力系数分布相似，根方差压力系数最大值约为0.15.侧风面根方差压力系数在靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大.背风面根方差压力系数底部较小，而上部较大.压力系数根方差最大值出现在侧风面底部，靠近背风面一侧.

实际雷暴冲击风风场近地面风速远远高于大气边界层风场，并且计算冲击射流试验压力系数的参考点与常规大气边界层也不一致，难以在数值上对两者进行比较.本文对两种风场中平均和根方差压力系数分布情况进行对比.图8为文献[21]给出的大气边界层风场中高层建筑表面压力系数分布.对于平均风压系数，雷暴冲击风作用下迎风面风压下部大，上部小，其分布形式与大气边界层风场正好相反.侧风面负压绝对值在靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大，也与大气边界层风场不同.边界层风场中背风面风压均值较为均匀，沿高度变化很小，而雷暴冲击风风场中背风面风压均值沿高度变化明显.

两种风场作用下，根方差压力系数分布同样具有明显差别.雷暴冲击风风场中，迎风面根方差压力系数下部大，而上部小，与边界层风场相反.边界层风场中背风面脉动压力系数沿高度变化较小，而雷暴冲击风风场下背风面脉动风压沿高度变化明显.

定义建筑表面两测点相关系数为：

cor=σij/σiσj （3）

式中：σij为i，j两测点的风压协方差；σi，σj分别为i，j两测点风压根方差.图9给出了建筑各面中心线上测点相对于该面底层测点的脉动风压相关系数.总体来讲，脉动风压竖向相关系数随着两点间距离的增加而减小.迎风面测点相关系数在较低的2～4层几乎完全相关，而在较高位置处，相关程度逐渐降低，直至在7，8层位置处出现与底层测点负相关.侧风面测点相关系数均为正值，且随着高度的增加线性递减.在较低2～4层，相关性小于迎风面测点，而在较高位置处，侧风面测点脉动风压相关性要高于迎风面测点.背风面测点相关系数均为正值，并且在底部衰减速度高于迎风面和侧风面，但5～8层测点相关系数几乎不变.

2.3建筑整体风荷载特性

以建筑中段第5层测点为对象来考察建筑表面风压水平相关性.表1给出了第5层各测点相关系数，测点编号见图2所示.由表1可知，同面测点相关系数均为正值，侧风面的水平相关性最高，迎风面次之，背风面最低.迎风面测点与侧风面和背风面测点均为负相关，且负相关程度相近.侧风面和背风面各测点压力相关系数均为正，且同面测点压力相关性较高，侧风面测点与背风面测点之间压力相关性较低.

图11给出了建筑位于不同径向位置时，各层径向层阻力系数.建筑处于不同径向位置时，径向层阻力系数沿高度方向均呈现先增大后减小的趋势.随着建筑远离射流中心，各层径向层阻力系数逐渐减小.在r=1Djet处，径向层阻力系数最大值出现在第5层，而该处风场最大值出现在高度较低的第2层附近，说明径向风阻力除包含来流风场的能量外，还同时包含了由于建筑断面产生的扰流涡旋能量.

对各层层风荷载系数时程进行功率谱变换，得到高层建筑不同高度处层风荷载系数谱.当建筑位于r=1Djet处，各层层风荷载系数谱如图14所示.径向层风荷载系数谱形状沿高度基本不变.各层径向谱均存在单一峰值，且峰值均出现在相同折算频率附近.横风向谱沿高度几乎不变，各层峰值频率略微高于径向谱.在建筑下部1～5层，扭转向谱“尖峰”不明显，峰值附近谱曲线较为平缓.而在较高的6～8层，谱存在明显单一峰值，带宽变窄.

若σij为i，j两层的风压协方差；σi，σj分别为i，j两层风压根方差，则式（3）可以表示建筑层风荷载竖向相关系数.图15给出了最底层层风荷载相对于其他各层荷载的竖向相关系数.总体来讲，层风荷载竖向相关系数均为正，并且均随着层间距离的增加而减小.横风向相关系数沿高度衰减较慢，扭转向相关系数衰减最快，径向相关系数衰减速度介于前两者之间.

3结论

通过静止型冲击射流试验模拟雷暴冲击风风场，对位于不同径向位置的高层建筑刚性模型进行测压试验，研究稳态雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性，结果表明：

1）随着建筑远离冲击射流中心，建筑所受风荷载逐渐减小.平均风荷载最大值出现在r=1 Djet径向位置处，与径向风速最大值位置相同.

2）雷暴冲击风作用下建筑表面压力均值和根方差分布与大气边界层风场作用下相比差异较大.

3）建筑各高度处径向层风荷载最大值与径向极值风速出现的高度有差异，大致出现在建筑中部.这个现象表明径向风阻力除了包含来流风场的贡献外，同时还包含了由建筑扰流产生的作用.另外，在各个径向位置下，建筑在横风向和扭转向各层风荷载均值均为0.

4）径向和横风向层脉动风荷载系数谱形状沿高度几乎不变.各层径向荷载谱均存在单一峰值，且峰值对应的折算频率较为接近.横风向谱各层峰值频率略微高于径向谱.建筑下部扭转向谱峰值附近较为平缓，上部“尖峰”明显，带宽变窄.

5）建筑表面脉动风压的竖向相关性随着距离的增加而减小.同面测点之间的脉动风压水平相关系数均为正值，侧风面的水平相关性最高，迎风面次之，背风面最低.

参考文献

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4.高层风荷载计算例题 篇四

关键词：高层建筑结构,脉动风压,结构振动

0引言

高层建筑上作用的水平荷载包括风荷载和水平地震作用。风的作用是不规则的,风压随着风速、风向的紊乱变化而不断的变化。风荷载是随时间波动的动力荷载,对高度大且较柔的高层建筑,必须考虑其动力效应影响[1]。对高层建筑而言,动力荷载是引起结构毁灭性破坏的主要原因,因此,在高层建筑结构设计和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。为简化起见,某些结构设计规范或结构动力反应分析中的抗风分析采用一些拟静力计算方法[2],如风压采用等效静力形式,但仍必须进行结构的动力分析。

对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下3方面的考虑:

1)由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;

2)建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感[3];

3)由于风振反应发生的频度较高,有可能使结构产生疲劳效应[2]。

文中通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载的作用形式及由风荷载引起的结构振动,详细论述了结构在顺风向、横风向脉动风荷载作用下和二者共同作用下产生的扭转作用的处理过程和引起结构振动反应分析的最新研究。

1风荷载在高层建筑结构上的作用

风的作用是不规则的,通常把风速的平均值看成稳定风速或平均风速,使建筑物产生静侧移;实际风速在平均值附近波动,风压也在平均风压附近波动,称为波动风压,因此实际上建筑物在平均侧移附近摇摆,见图1[1]。

来风在建筑物周围形成湍流风场,引起建筑物一定幅度平面内弯曲振动的同时也产生其他形式的振动,见图2[4]。

在来风的风压脉动等因素的影响下,高层建筑结构会诱发风致振动。脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。建筑物周围脉动风压作用见图3[4]。

2高层建筑结构风荷载的确定方法

我国《建筑结构荷载规范》规定,对多数高层建筑按垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值确定风荷载。《混凝土高规》规定有下列情况之一的建筑物,宜按风洞试验确定风荷载[1]:

1)高度大于200 m,且平面形状不规则、立面形状复杂,或立面开洞、连体建筑等;

2)规范或规程中没有给出风荷载体型系数的建筑物;

3)周围地形和环境复杂,邻近有高层建筑时,宜考虑相互干扰的群体效应,可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数,缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。

3高层建筑结构风振反应计算

作用在高层建筑与高耸结构上的脉动风荷载分为横向与顺向两种类型,分别由横风力和顺风力引起,在风振反应分析中采用的方法不同。

目前国内外对高层建筑结构风振问题的简化方法基本上是一致的,都是将高层与超高层建筑简化为等效悬臂梁,采用广义坐标法解决这一问题。

1)横风向脉动风荷载作用的计算。

横风向脉动风荷载是一种动力荷载,由于空气的粘性和流速,在结构的尾部会产生流体旋涡脱落。它的产生与结构的截面形状和雷诺数有关[5]。不同的雷诺数范围,会出现不同形式的流体旋涡脱落和结构的风致振动。一般认为由横风向脉动风荷载引起的横风向振动有涡激振动、涡激随机振动、湍流、驰振、颤振、抖振等几种形式。在高层建筑结构中,主要出现前三种形式的振动。

对于横风向荷载,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,而对高层建筑结构还没有考虑其影响,但是相关的研究已经受到重视。目前解决的方法一般是采用风洞试验与原型观测,风洞试验主要采用高频测力天平、气动弹性模型和刚性模型多点测压风洞试验来分析、建立高层建筑横风向动力风荷载和风振反应求解方法。最新研究得到的横向脉动风压互谱密度函数如下:

$S{}_{(2+3)}{p}^{\prime }{}_i{p}^{\prime }{}_j(x{}_i,x{}_j,z{}_i,z{}_j‚\omega )=\frac{2\text{π}q{}_{{\rm H}}^2{C}^{\prime }{}_L^{2}B{}^2{\rm H}{}^{2}F{}_L(\omega )\text{c}\text{o}\text{h}(r,\omega )}{\omega {\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}{\displaystyle {\int }_0^D{\displaystyle {\int }_0^D\Phi }}}}{}_1({\rm Z}{}_1)\Phi {}_2({\rm Z}{}_2)\left[\frac{{\rm Z}{}_1}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\left[\frac{{\rm Z}{}_2}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\text{c}\text{o}\text{h}(r,\omega )\text{d}x{}_1\text{d}x{}_2\text{d}z{}_1\text{d}z{}_2}\left[\frac{{\rm Z}{}_i}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\left[\frac{{\rm Z}{}_j}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }$。

其中,各参数含义详见文献[5]。

2)顺风向脉动风荷载作用的计算。

根据脉动风压与脉动风速之间的关系,距地面z高度处顺风向点脉动风压互谱密度函数的计算公式如下:

$S{}_p(n,z)=\rho {}^2\mu {}_s^2\overline{U}{}^2(z)S{}_v(n,z)$。

其中,各参数含义详见文献[5]。

3)二者联合作用下的扭转振动计算。

由于作用在建筑物外表面上的风荷载不是同步达到最大或最小值,所以其合力存在着偏心矩。因此从理论上说单一的顺风向脉动风压或横风向脉动风压都会引起结构的扭转振动,二者联合作用产生扭转振动更是理所当然。

a.高层建筑扭转振动运动方程。

根据结构动力学理论,并采用振型分解法,同时利用主振型的正交性进行处理后得到扭转振动方程如下式,式中各参数含义详见文献[4]。此式是不考虑建筑物的质心、刚心、几何形心偏心及平扭耦合振动的影响,而只考虑脉动风压对结构风振扭转的影响,且将悬臂梁看成是均匀截面。

$\ddot{\eta }{}_j(t)+2\xi {}_j\dot{\eta }{}_j(t)+w{}_j^2\eta {}_j(t)={\rm M}{}_j$。

b.脉动风压扭转力矩。

如图4所示,矩形建筑的迎风面宽度是B,顺风向的深度是D。在如图4所示的坐标系下,力对转动中心(轴) 的合力矩为:

$\begin{array}{l}{\rm M}{}_0(t)\text{d}z={\displaystyle \oint p^{\prime }}(x,y,z,t)r{}_L\text{d}l\text{d}z\\ ={\displaystyle {\int }_0^B(}y-\frac{B}{2})p^{\prime }{}_1(0,y,z,t)\text{d}y\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^D(}x-\frac{D}{2})p^{\prime }{}_2(x,0,z,t)\text{d}x\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^D(}x-\frac{D}{2})p^{\prime }{}_3(x,B,z,t)\text{d}x\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^B(}y-\frac{B}{2})p^{\prime }{}_4(D,y,z,t)\text{d}y\text{d}z。\end{array}$

4算例分析

某高层钢结构办公楼,高度68 m,宽度48 m,长度35.7 m,单位容积重0.18 t/m3,单位长度质量308.45 t/m,自振频率0.604 Hz,阻尼比0.007 4,地面粗糙度指数(B类)0.16。

为了便于分析比较,设该建筑物基阶振型近似按直线分布,并取10 m高处的来风速度,用Newmark法计算建筑物的扭转风振反应时程。

计算结果见表1。

5结语

1)风对高层建筑结构的作用形式复杂多变,且极其不规则。目前,风对结构的静力作用研究基本上已经成熟,但对高柔结构考虑风的动力效应的研究还是初级阶段,研究方法主要是风洞试验和湍流风场。

2)风荷载对建筑物的作用是紊乱的。目前,只对一些特大型结构和重要的建筑物进行风洞试验,但风洞试验成本较高,试验复杂。因此,风荷载对高层建筑结构的简化计算工作还需要进一步的研究。

3)目前,对高层建筑结构顺风向脉动风荷载研究的比较多,但对横向风荷载的研究还比较少,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,在高层建筑设计规范中尚未涉及横风向的风振影响和扭转风振反应。因此对高层建筑结构的横风向的风振影响和扭转风振的研究还有很长的路要走。

参考文献

[1]方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京:中国建工出版社,2003.

[2]王光远.建筑结构的振动[M].北京:科学出版社,1978.

[3]T.Ohkum,H.Marukawa.Full scale measurement of wind pres-sure and response acceleration of a high building[J].Wind En-gineering and Industry Aerodynamics,1991(3):31-33.

[4]葛楠,侯爱波,周锡元.矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算[J].建筑科学,2007,23(5):30-31.

[5]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2001.

[6]木建强.高层建筑结构的振动控制[J].山西建筑,2007,33(3):68-69.

5.交通标志牌风荷载的计算分析比较 篇五

交通标志牌结构广泛分布于道路、桥梁及其他构筑物上, 主要有单柱式、悬臂式和门架式等类型。随着我国道路建设的飞速发展, 标志牌结构数量及种类也越来越多, 要求的使用寿命也越来越长。

在设计中, 单位风荷载取值直接影响标志牌结构的选型、结构稳定及建造成本。然而现行规范对风荷载定义及计算公式不尽相同, 在同等条件下所得的计算结果区别较大。本文以上海地面标志牌为例, 分别选取5本相关的国家规范或手册作为计算依据, 通过比较分析和实际验证, 选定合理的规范和单位风荷载作为设计参考。

1.1 主要参考规范或手册

1) JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》

2) GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》

3) CECS 148:2003《户外广告设施钢结构技术规程》

4) JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》

5) JTG/T D60-01—2004《公路桥梁抗风设计规范》

1.2 基本假定

由于各规范在风速、地面粗糙度、分项系数等参数选择上存在差异, 为便于统一比较, 以上海地区为例, 作出以下基本假定。

1.2.1 基本风速

风速风压选取表见表1。

GB 5768—2009《道路交通标志和标线》及JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》对标志结构设计基本风速描述如下:应采用当地空旷平坦地面上离地10 m高, 重现期为50 a10 min平均最大风速, 并不得<22 m/s。

JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》还规定, 当无风速纪录时, 可查阅JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》的附录A《全国基本风速图及全国各气象站基本风速和基本风压值》。

1.2.2 地面粗糙度

为便于计算, 上海地区的地面粗糙度统一选定为D类。

1.2.3 可变荷载分项系数

可变荷载分项系数汇总表见表2。

因各规范对基本风荷载的计算公式不尽相同, 为谨慎起见, 仍按各自的分项系数进行荷载组合。

1.2.4 其他假定

基本风荷载计算时, 假定道路交通标志杆采用Q235圆钢管, 标志板离地高度为10 m, 板面宽度为5 m。

2 标志牌单位风荷载计算

2.1 JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》

标志牌计算公式为

式中:Fwb为标志板所受的风载, k N;γ0为结构重要性系数, 取1.0;γq为可变荷载 (主要为风载) 分项系数, 取1.4;ρ为空气密度, 一般取1.225 8 N·s2·m-4;C为风力系数, 标志板C为1.2, 圆管形立柱C=0.8;V为基本风速, 离地10 m高, 50 a一遇10 min平均最大风速值上海地区30 m/s;n为标志板数量, 取n=1;Wbi为第i块标志板的宽度, m, 取1;Hbi为第i块标志板的高度, m, 取1。

标志牌:

同样, 根据规范计算立柱 (横梁) 所受的单位面积风载:

式中:Wp为立柱 (横梁) 的迎风面宽度;Hpo为立柱 (横梁) 的迎风面高度;取WpHpo=1, 其他符号意义同标志牌计算公式 (1) 。

2.2 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》

根据8.1.1, 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值, 按主要受力结构计算公式为

式中:βz为高度z处的风振系数, 仅考虑结构第一振型的影响, 高度z处的风振系数按计算, 其中, g为峰值因子, 可取2.5, I10为10 m高度名义湍流强度, 对应D类地面粗糙度, 取I10=0.39, Bz为脉动风荷载的背景分量因子, R为脉动风荷载的共振分量因子;μs为风荷载体型系数, 查表8.3.1第32项次、第34项次得μs=1.3;μz为地面粗糙度, 为D类, 查表8.2.1得高度10 m和30 m, μz均为0.51;w0为基本风压, 上海地区为0.55 k N/m2。

式中:ξ1为结构阻尼比, 对钢结构可取0.01;f1为结构第1阶自振频率, Hz, 为结构基本自振周期T1的倒数, 查附录F, 一般高耸结构 (钢结构) 的基本自振周期为T1=0.013H;H为结构总高度, m, 对于10 m标志牌, 取H=10 m;kw为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, 现按D类取kw=0.26。

10 m高度标志牌:

ρx为脉动风荷载水平方向相关系数,

ρz为脉动风荷载竖直方向相关系数,

再进行荷载基本组合, 可变荷载分项系数1.4, 则标牌结构单位面积水平荷载组合效应设计值为

2.3 CECS 148:2003《户外广告设施钢结构技术规程》

根据4.2.1, 施加在户外广告牌上高度z处的单位面积风荷载标准值wk应按下式计算:

式中:βz为户外广告牌高度10 m处的风振系数;μs为查表4.2.4广告牌面板得μs=1.3;μz为高度10 m, 地面粗糙度为D类, 查表7.2.1得μ10=0.62;w0为基本风压, 按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的规定上海地区采用0.55 k N/m2。

再进行荷载基本组合, 可变荷载分项系数1.4, 则标牌结构单位面积水平荷载组合效应设计值为Sk=wkγQi=1.224 k N/m2。

2.4 JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》

风荷载标准值可按下列规定计算:

根据4.1.6条, 作用效应组合中基本组合的风荷载分项系数γQj=1.1。

所受风荷载作用效应的设计值为

2.5 JTG/T D60-01—2004《公路桥梁抗风设计规范》

本规范主要适用于斜拉桥、悬索桥及其他桥型结构的抗风设计, 本处仅作对比参考。横向静阵风荷载公式

式中:Fh为作用在主梁单位长度上的静阵风荷载, N·m-1;ρ为空气密度, kg·m-3, 取1.25;Vg为静阵风风速, m·s-1, Vg=GvVz, Vz=K1V10, V10为基本风速, m·s-1, 查附录A表, 得V10=31.3 m/s, Gv为静阵风系数, 按表4.2.1, D类地表, 水平加载长度取500 m (接近于一般的高架直线长度) , Gv=1.41;CH为主梁的阻力系数, 查表4.4.2, t/b≤1/4, 高宽比=1, 取CH=1.3;An为桥梁各构件顺风向投影面积, m2, 计算单位风荷载时取An=1。

10 m高标志牌Vg=GVK1V10=1.41×0.79×31.3=34.87 m/s。

标志牌风荷载标准值为

作用效应组合中基本组合的风荷载分项系数γQj=1.1, 则标志牌所受风荷载作用效应的设计值为Fwh×γQj=0.989×1.1=1.088 k N/m2。

3 计算结果及分析

3.1 各规范计算结果汇总

各规范计算结果汇总见表3。

3.2 数据分析

从表3可以看出, 在同等的前提条件下, 依据各规范或手册所计算出的单位风荷载数值是不同的。其中数据 (1) (5) 较为接近, 而数据 (2) (3) (4) 要比前面2个数据更大一些。

单位风荷载取值越大, 设计出的标志牌支撑结构 (立柱与横梁) 的尺寸相应越大。同时, 设计时需考虑台风等自然灾害的影响。随着全球气候变化, 台风呈现高频率、高强度的特点[1]。因此, 有必要选择一个合理的单位风荷载。

数据 (1) 所依据的JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》适用于各级公路交通标志和标线设置领域。在风荷载计算公式中, 考虑结构重要性系数γ0和可变荷载 (主要为风载) 分项系数γq的同时, 还考虑标志板和杆件的风力系数, 考虑标志牌多种受力情况, 更加适应市政道路工程, 且数值最小, 经济性最好。

数据 (2) 所依据的GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》适用于建筑工程的结构设计, 安全系数偏大。在风荷载计算中, 考虑风压高度变化系数、风荷载体型系数以及风振影响, 荷载组合中可变荷载的分项系数为1.4。将标志牌杆件归类为一般竖向悬臂型结构, 仅考虑结构第一振型的影响, 计算值为数据 (2) 。如将标志牌按围护结构考虑阵风系数, 选取D类地面粗糙度的阵风系数βgz=2.4, 计算所得的单位风荷载设计值为1.224 k N/m2, 相比较其他规范数据较大。

数据 (3) 所依据的CECS 148:2003《户外广告设施钢结构技术规程》适用于各种形式户外广告牌钢结构的设计与施工。单位面积风荷载标准值wk公式与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》一致, 但βz风振系数计算公式沿用GB 50009—2006《建筑结构荷载规范》, 仅对脉动影响因素v作修正, 计算结果偏大。

数据 (4) 所依据的JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》适用于新建和改建的各级公路桥涵的结构设计, 设计的基准期为100 a。计算中, 对于10 m高处的设计风速取值40.29 m/s, 该数据是在基本风速30 m/s上进行修正, 同时考虑地面粗糙度类别及梯度风的风速高度变化, 风荷载的计算结果也较大。

数据 (5) 所依据的JTG D60-01—2004《公路桥梁抗风设计规范》适用于主跨跨径800 m以下的斜拉桥和主跨跨径1 500 m以下的悬索桥的抗风设计。考虑到桥梁上常有标志牌结构, 其计算公式类似于《公路交通标志和标线设置手册》, 与数据 (1) 比较接近。

综上所述, 数据 (1) 标志牌的单位风荷载0.927 k N/m2是经济、合理的, 通过实例验证了其结构的安全性和使用挠度的合理性。

3.3 数据复核

以上海S6沪翔高速公路、S5沪嘉高速公路、沪太公路等已完成项目中的标志牌支撑结构为例, 利用JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》和数据 (1) 0.927 k N/m2, 进行设计复核。

3.3.1 强度验算汇总表

强度验算汇总见表4。

3.3.2 挠度验算汇总表

挠度验算汇总见表5。

由表4、表5可以看出, 利用数据 (1) 验算立柱和横梁的强度和挠度符合规范要求。

4 结语

上海地区标志牌结构设计中, 依据JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置手册》是较为理想的, 计算所得的0.927 k N/m2可以作为标志牌单位风荷载的设计参考值。当然, 对于设计风速高于30 m/s或者其他特殊地区, 有待提高风荷载的取值标准或作进一步研究。

参考文献