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高层结构分析方法(五):风荷载分析

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高层结构分析方法(五):风荷载分析

发表于 2021-2-28 19:10:54 阅读模式 倒序浏览
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钢结构设计

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来源:广东省院结构安全顾问


高层结构设计要确保结构在风荷载作用下具有足够的抵抗变形能力和承载能力,保证结构在风荷载作用下的安全性。同时,高层建筑物在风荷载作用下将产生振动,过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适,因此高层建筑结构应具有良好的使用条件,满足舒适度的要求。

1.1     等效静态风荷载

一般作用在建筑物上的风包括平均风和脉动风。其中平均风是风荷载的长周期部分作用在建筑物上,其周期常在10min以上,可认为是作用在建筑物上的静荷载,因为其周期与建筑物的自振周期相差较远;脉动风则是短周期部分作用在建筑物上,其脉动的周期很短,一般只有几秒,其作用可以被认为是作用在建筑物上随机的动荷载,因为其周期与建筑物的自振周期比较接近。

作用在建筑结构上的风荷载除了平均风和脉动风产生的平均风力和脉动风力,还有风振产生的惯性力。平均风力、脉动风力和惯性力组合得到最终的等效静态风荷载。

(1)惯性力

根据高频动态天平试验结果,可以求出高层建筑底部的平均风力(包含力矩和剪力)和脉动风力,在给出高层建筑结构参数的情况下,可以计算出位移和加速度响应,由共振加速度可以进一步求出惯性力。惯性力是由振动产生的,由加速度和质量决定,沿高度分布惯性力均方根σaf(z)表达式为:

上式中m(z)为沿高度的质量,为沿高度的加速度。

(2)平均风力和脉动风力

空气来流沿高层建筑高度分布的风力可通过下式表达:

其中:ρ为空气密度; 是z处单位高度上的力系数,一般通过风压测量试验确定;是来流风速。

风速是平均风速与脉动风速的合成,即:


一般来说,脉动风速相对于平均风速是小量,忽略二阶小量,即可得到沿高度分布的平均风力和脉动风力分别如下:


脉动力均方根为:

其中   ,为沿高度的来流湍流度。

(3)等效静态风荷载

沿高度分布的等效静态风荷载由下式给出:


式中g为峰值因子,可取3.5。

1.2  结构体型系数

对于普通的高层结构,结构体型系数一般按《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)表8.3.1和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第4.2.3条取包络值。

需要更细致进行风荷载计算的建筑可由风洞试验确定。

风洞试验中各点的风压系数的计算公式如下:

其中,为风压系数,为测点压力,为参考点静压,ρ为空气密度,为参考点风速。

风载体型系数μsi与风压系数Cp有如下关系:

其中,为参考点和i点的风压高度变化系数,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)8.2取值。

以270m高的某框架核心筒结构的体型系数为例,从图1.2‑1可知,结构不同高度的体型系数不同,高度越高,体型系数越大,体型系数从底部的0.6增大至顶部的1.6。

图1.2‑1 某高层结构体型系数

1.3    结构风振系数

对于普通的建筑结构,风振系数可按《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)式(8.4.3)计算;

对平面形状或立面形状复杂,立面开洞或连体建筑的风振系数可按风洞试验确定。时域法的步骤是:

(1)通过风洞试验或模拟获得结构表面风压时程,利用有限元软件对结构进行建模,将风压荷载力时程Fi作用在表面节点上:

式中,为表面i节点处的风压系数时程,为风流的参考风压,为节点i位置所对应的表面面积。

(2)进行时程计算分析,可得结构各个节点的位移时程响应,结构风振系数计算公式为:

                            β=Ra/Rd(1.3-2)

式中,Rd为平均风产生的静位移,Ra为风荷载作用下结构的总响应。

(1)基本周期

计算风荷载时输入的结构基本周期需根据结构特征值计算的实际周期取值,否则会影响风计算结果的准确性。

以14层框架结构为例,计算风荷载时软件默认的结构基本周期为0.2s,实际结构的基本周期为0.7s。基本周期按0.2s输入得到的X向剪力3524kN,基本周期按0.7s输入得到的X向剪力3689kN,剪力偏小4.5%,导致结构偏于不安全。

(2)地震组合

YJK软件缺省设置的参数是风荷载不参与地震组合,对于高度大于60m建筑,应勾选风荷载参与地震组合,否则会导致结构偏于不安全。

(3)局部风控构件

对于风控的建筑结构,风荷载的增加或减少对结构构件的承载力影响较大,比如斜屋面、屋顶构架层、顶部广告牌等需考虑风荷载对结构的影响。

(4)山地建筑的风压高度变化系数取值

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)第8.2.2条,山地建筑应考虑地形条件的修正,对于山峰和山坡,修正系数应按式8.2.2计算;对于山间盆地,谷地等闭塞地形,修正系数可在0.75~0.85选取;对于与风向一致的谷口,山口,修正系数可在1.20~1.50选取。

(5)风压取值

在某些地区,不同规范给出的基本风压会不一致。比如不同规范对广州南沙的基本风压规定见表2-1。从表2-1可知,不同规范确定的广州南沙的基本风压相差较大,但从风压分布图看南沙的基本风压在0.6kN/与0.65kN/之间,综合判断认为对于普通的多层结构基本风压可取0.6kN/,对于高层结构基本风压可取0.65kN/。因此当地方标准的基本风压高于国家标准的基本风压时,宜按地方标准的基本风压执行。

表2-1广州南沙的基本风压

(6)规范风荷载与风洞试验风荷载对比分析(略)

可参考《高层建筑结构计算分析实用指南》。

(7)结构阻尼比

风振舒适度评价中的阻尼比取值是风振下结构舒适度评价的关键问题之一。结构阻尼比的一般变化规律有:

1)结构基本周期长时,阻尼比较小;

2)随着建筑高度的增加,结构阻尼比减小;

3)填充墙少的结构的阻尼比小于填充墙多的结构的阻尼比;

4)建筑结构短方向阻尼比小于长方向的阻尼比;

5)小振幅时的阻尼比小于大振幅时的阻尼比;

6)小应力水平下的阻尼比小于大应力水平下的阻尼比。

风振舒适度问题涉及的结构一般是高度高,基本周期长,而且风作用下振幅小、应力水平也比较低,因此风振舒适度评价时所采用的阻尼比远小于常规结构强度计算时采用的阻尼比。图2‑1为某高层结构采用不同阻尼比计算的楼层剪力,由图可知,阻尼比越大,楼层剪力越小,当阻尼比增大一倍时,楼层剪力减小约6%。


(8)地面粗糙度对结构变形的影响

地面粗糙度是描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级,地面粗糙度对结构整形性能影响很大,图2‑2为不同地面粗糙度类别的层间位移角,从图可知,地面粗糙度越大,层间位移角越小,B级粗糙度比A级粗糙度变形小约10%,C级粗糙度比B级粗糙度变形小约20%,D级粗糙度比C级粗糙度变形小约25%。

(9)连梁刚度折减问题

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第5.2.1条文说明,“仅在计算地震作用效应时可以对连梁刚度进行折减,对如重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度折减。有地震作用效应组合工况,均可按考虑连梁刚度折减后计算的地震作用效应参与组合”。

相对于地震作用来说,风力作用持续时间较长,往往达几十分钟,甚至几个小时,因此不能要求连梁通过塑性变形将内力转移到其他尚未屈服的构件上。结构计算时刚度折减愈多,就意味着风荷载作用下裂缝可开展得愈大,如发生强大阵风时,连梁塑性铰会过早出现,原结构的联肢墙刚度出现较大削弱,甚至成为各个独立的单肢墙受力。在长时间的风荷作用下,这无疑对建筑结构安全是很不利的。故而为了避免连梁在风荷载作用下裂缝开展过早过大,刚度折减系数应取较大值。

根据各种不同荷载作用下取不同刚度折减系数的方法,在地震荷载作用下,连梁刚度折减系数可取0.5~0.8;在风荷载作用下,折减系数可取0.80~1.0;在竖向荷载作用下,折减系数取1.0(即不折减)。

广州良业大厦地上塔楼2建筑面积4.7万,塔楼3建筑面积6.4万。塔楼建筑高度152.7m,地上35层,如图3‑1所示。

本工程抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,场地类别为II类,基本风压为0.5kN/,地面粗糙度为C类,体型系数根据风洞试验确定。

图3‑1建筑效果图

(1)风洞模型简介

风洞模型比例为1:300,50年一遇基本风压为0.5kPa,10年一遇风压为0.3kPa,承载力计算时,阻尼比取为5%,加速度计算时,阻尼比取为2%,风场类别采用《建筑结构荷载规范》GB50009中规定的B类地貌风剖面。风洞试验照片和风向角示意图分别见图3‑2和图3‑3。

因风洞试验数据是按B类地面粗糙度为依据确定的,C类的数据根据规范B类与C类风压高度系数的比例关系确定。

(2)楼层等效静风荷载对比

风致动力响应分析采用了风洞试验时程数据得到的结构荷载谱密度来计算结构风振响应的非拟定常方法,风洞的等效静力剪力与按规范计算的剪力在塔楼底部处的对比如表3-1,两向按风洞数据计算的基底剪力均比规范计算的要小。

(3)风荷载下的层间位移角

特定的风向角下,结构楼层的等效荷载包括Fx,Fy两个平动分量和Mz一个扭转分量,考虑到各荷载分量的非同时性,风洞试验给出的组合系数如表3-2

根据单塔计算结果,各工况下层间位移角的计算结果如下表3-3及图3‑4~图3‑7,塔楼2计算的Y向层间位移角在每一层基本上比风洞计算的大,塔楼2的X向和塔楼3的计算结果基本上都比风洞计算的小,风洞试验和规范计算的最大层间位移角均满足规范要求。


从图3‑4可知,塔楼2X向规范的层间位移角比风洞试验的大,层间位移角最大值按规范取。从图3‑5可知,塔楼2Y向规范的层间位移角比风洞试验的大,层间位移角最大值按规范取。

从图3‑6可知,塔楼3X向15层以上规范的层间位移角比风洞试验的大,15层以下规范的层间位移角比风洞的小,层间位移角最大值取规范和风洞试验的包络值。从图3‑7可知,塔楼3Y向规范的层间位移角比风洞试验的大,层间位移角最大值按规范取。

华策国际大厦地上建筑面积73748平方米,地下建筑面积40932平方米。项目包括两栋办公塔楼和一座商业裙房,其中商业裙房4层,建筑高度24m;东塔地上26层,建筑高度119.80m,西塔地上15层,建筑高度70.90m;地下商业及车库5层,如图4‑1所示。

本工程抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,场地类别为III类,基本风压为0.85kN/,地面粗糙度为A类,体形系数依据风洞试验确定。


图4‑1建筑剖面图

由于本工程风荷载较大,且特征周期较长,地震内力也较大,为了提高竖向抗侧力构件的侧向刚度,结构核心筒剪力墙及框架柱布置如图4‑2所示。

图4‑2结构平面布置

按10年一遇的风荷载取值计算结构顶点最大加速度,根据风洞试验和规范计算得到楼层顶点最大加速度,分别见表4-1和表4-2所示。风洞试验和规范计算的结果都表明,满足《高规》3.7.6结构顶点最大加速度限值0.25m/s2,结构在风荷载作用下舒适度满足要求。

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