風(fēng)荷載計(jì)算軟件方法與規(guī)范方法進(jìn)行比較

1、風(fēng)荷載是空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載也稱風(fēng)的動(dòng)壓力，是空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑 體型等諸因素有關(guān)。中國(guó)的地理位置和氣候條件造成的大風(fēng)為：夏季東南沿海多臺(tái)風(fēng)， 內(nèi)陸多雷暴及雹線大風(fēng)；冬季北部地區(qū)多寒潮大風(fēng)。其中沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)往往是設(shè)計(jì)工 程結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)災(zāi)事故較多，影響范圍也較大。雷暴大風(fēng)可能引 起小范圍內(nèi)的風(fēng)災(zāi)事故。一建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012中所規(guī)定的順風(fēng)向風(fēng)荷載的 具體計(jì)算1順風(fēng)向風(fēng)荷載2012規(guī)范關(guān)于順風(fēng)向風(fēng)荷載的計(jì)算公式?jīng)]有形式上的變化，仍然采用平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)的表達(dá)形 式。刻

2、于上要受力結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)自的計(jì)球公式微式0虱=PzNsNzco0 （1）其中：0k一風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；良一高度z處的風(fēng)振系數(shù)；國(guó)一風(fēng)荷載體型系數(shù)； 出一風(fēng)壓高度變化系數(shù)； O0 基本風(fēng)壓。如果不考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，則由平均風(fēng)壓引起的靜荷載取決于體型系數(shù)、風(fēng)壓高度 變化系數(shù)及基本風(fēng)壓這三項(xiàng)因素，下面討論順風(fēng)向作用下的靜荷載計(jì)算：1.1 基本風(fēng)壓中國(guó)規(guī)定的基本風(fēng)壓 W0以一般空曠平坦地面、離地面 10米高、風(fēng)速時(shí)距為 10分鐘平均的最大風(fēng)速為 標(biāo)準(zhǔn)，按結(jié)構(gòu)類別考慮重現(xiàn)期 （一般結(jié)構(gòu)重現(xiàn)期為 30年，高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)為50年，特別重要的結(jié)構(gòu)為100年），統(tǒng)計(jì)得最大風(fēng)速 v

3、 （即年最大風(fēng)速分布的 96.67%分位值，并按 w0=p2/2確定。式中p為空氣質(zhì)量 密度；v為風(fēng)速）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為離地面10米高、時(shí)距為10分鐘平均的年最大風(fēng)壓，統(tǒng)計(jì)分布可按極值I型考慮。基本風(fēng)壓因地而異，在中國(guó)的分布情況是：臺(tái)灣和海南島等沿海島嶼、東南沿海是最大風(fēng)壓區(qū)，由臺(tái)風(fēng)造成。東北、華北、西北的北部是風(fēng)壓次大區(qū)，主要與強(qiáng)冷氣活動(dòng)相聯(lián)系。青藏高原為風(fēng)壓較 大區(qū)，主要由海拔高度較高所造成。其他內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)壓都較小。風(fēng)速風(fēng)速隨時(shí)間不斷變化，在一定的時(shí)距At內(nèi)將風(fēng)速分解為兩部分：一部分是平均風(fēng)速的穩(wěn)定部分；另一部分是指風(fēng)速的脈動(dòng)部分。為了對(duì)變化的風(fēng)速確定其代表值作為基本風(fēng)壓，一般用規(guī)定時(shí)距內(nèi)

4、風(fēng)速的 穩(wěn)定部分作為取值標(biāo)準(zhǔn)。建筑設(shè)計(jì)中的取用：基本風(fēng)壓應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012附錄E中附表E.5給出的全國(guó)各地區(qū)的風(fēng)壓采用數(shù)值。對(duì)于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓應(yīng)適當(dāng)提 高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范具體規(guī)定。當(dāng)城市或建設(shè)地點(diǎn)的基本風(fēng)壓值在本規(guī)范全國(guó)基本風(fēng)壓圖上沒(méi)有給出時(shí)，基本風(fēng)壓值可根據(jù)當(dāng)?shù)啬曜?大風(fēng)速資料，按基本風(fēng)壓定義，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定，分析時(shí)應(yīng)考慮樣本數(shù)量的影響。當(dāng)?shù)貨](méi)有風(fēng)速資料 時(shí)，可根據(jù)附近地區(qū)規(guī)定的基本風(fēng)壓或長(zhǎng)期資料，通過(guò)氣象和地形條件的對(duì)比分析確定；也可按本規(guī)范附 錄E中全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖近似確定。風(fēng)荷載的組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久

5、值系數(shù)可分別取0.6、0.4和0。其中徐州地區(qū) 50年一遇的基本風(fēng)壓為 0.35kN/m2。1.2 體型系數(shù)也稱空氣動(dòng)力系數(shù)，它是風(fēng)在工程結(jié)構(gòu)表面形成的壓力（或吸力）與按來(lái)流風(fēng)速算出的理論風(fēng)壓的比 值。它反映出穩(wěn)定風(fēng)壓在工程結(jié)構(gòu)及建筑物表面上的分布，并隨建筑物形狀、尺度、圍護(hù)和屏蔽狀況以及 氣流方向等而異。對(duì)尺度很大的工程結(jié)構(gòu)及建筑物，有可能并非全部迎風(fēng)面同時(shí)承受最大風(fēng)壓。對(duì)一個(gè)建筑物而言，從風(fēng)載體型系數(shù)得到的反映是：迎風(fēng)面為壓力；背風(fēng)面及順風(fēng)向的側(cè)面為吸力；頂面則隨坡角 大小可能為壓力或吸力。對(duì)于高度超過(guò)45m的矩形截面高層建筑需考慮深寬比D/B對(duì)背風(fēng)面體型系數(shù)的影響。當(dāng)平面深寬比D/B&l

6、t; 1.0時(shí)，背風(fēng)面的體型系數(shù)由 -0.5增加到-0.6,矩形高層建筑的風(fēng)力系數(shù)也由1.3增加到1.4。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012表8.3.1中詳細(xì)分析了不同結(jié)構(gòu)體型的風(fēng)荷載體形系數(shù)。1.3風(fēng)壓高度變化系數(shù)從某一高度的已知風(fēng)壓（如高度為10米的基本風(fēng)壓），推算另一任意高度風(fēng)壓的系數(shù)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)隨離地面高度增加而增大，其變化規(guī)律與地面粗糙度及風(fēng)速廓線直接有關(guān)。設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)在不同高度處取用對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)壓值。對(duì)于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009-2012表8.2.1確定。地面粗糙度是地面因障礙物形成影響風(fēng)速的粗糙

7、程度。風(fēng)（氣流）在接近地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到樹(shù)木、房屋等障礙物的摩擦影響，消耗了一部分動(dòng)能，使風(fēng)速逐漸降低。這種影響一般用地 面粗糙度衡量。地面粗糙度愈大，同一高度處的風(fēng)速減弱愈顯著。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類一一指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類一一指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類一一指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。對(duì)于山區(qū)的建筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)可按平坦地面的粗糙度類別，由表8.2.1確定外，還應(yīng)考慮地形條件的修正，修正系數(shù)刀分別按下述規(guī)定采用：1對(duì)于山峰和山坡，修正系數(shù)應(yīng)按下列規(guī)定確定：1）頂部B處的修正

8、系數(shù)可按下述公式采用：b 二1 ' tan (1看)22.5H式中：tan a 一 山峰或山坡在迎風(fēng)面一側(cè)的坡度；當(dāng)tan a >0.3時(shí)，取tan a =0.3 k一系數(shù)，對(duì)山峰取 2.2,對(duì)山坡取1.4；H一山頂或山坡全高（m）；z一建筑物計(jì)算位置離建筑物地面的高度（m）;當(dāng)z>2.5H時(shí)，取z=2.5H。2）對(duì)于山峰和山坡的其他部位，可按 圖1所示，取 A、C處的修正系數(shù)“a、"c為1, AB間和BC間的 修正系數(shù)按Y的線性插值確定。2山間盆地、谷地等閉塞地形”=0.750.85 ;3對(duì)于與風(fēng)向一致的谷口、山口 ,=1.201.50。圖1山峰和山坡的示意1.

9、4高度z處的風(fēng)振系數(shù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012知，低于一般豎向懸臂型結(jié)構(gòu)，例如高層建筑和構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，均可僅 考慮結(jié)構(gòu)第一振型的影響，結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)荷載按公式（1）計(jì)算確定。高度 z處的風(fēng)振系數(shù)a可按下式計(jì)算:1=1 2gIi0Bz1 R2 、 3)式中：g峰值因子，可取 2.5;I10 10m高度名義湍流強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)A、B、C和D類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23 和 0.39;R脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子;Bz 脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子。脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子R可按下式計(jì)算:x12-(1 x12)4/3(4)30 門，、x1 = /, x1 >

10、;5 (5)，:fkw-，o式中：f1結(jié)構(gòu)第1階自振頻率(Hz),kw 地面粗糙度修正系數(shù)，對(duì)A類、B類、C類和D類地面粗糙度分別取1.28、1.0、0.54 和 0.26,二1 結(jié)構(gòu)阻尼比，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)可取0.01,對(duì)有填充墻的鋼結(jié)構(gòu)房屋可取0.02,對(duì)其他結(jié)構(gòu)可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定。脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子可按下列規(guī)定確定：1對(duì)體型和質(zhì)量沿高度均勻分布的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，可按下式計(jì)算：Bz=kHa1PxFz9 (6)z式中：©一一結(jié)構(gòu)第1階振型系數(shù)；H 結(jié)構(gòu)總高度(m),對(duì)A、B、C和D類地面粗糙度，H的取值分別不應(yīng)大于300m、350m、450m 和 550m；Px 脈動(dòng)風(fēng)荷載水平方

11、向相關(guān)系數(shù)；Pz脈動(dòng)風(fēng)荷載樹(shù)直方向相關(guān)系數(shù)；k、a1系數(shù)，按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009 2012表8.4.5-1取值2對(duì)迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的寬度沿高度按直線或接近直線變化，而質(zhì)量沿高度按連續(xù)規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu)，式(6)計(jì)算的背景分量因子Bz應(yīng)乘以修正系數(shù) 9b和Hb為構(gòu)筑物在z高度處的迎風(fēng)面寬度與底部寬度的比值；6V可按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009 2012表8.4.5-2確定。豎直方向的相關(guān)系數(shù)可按下式計(jì)算：、二 10 H 60e*/60 -60 z H式中：H 結(jié)構(gòu)總高度m);對(duì)A、B、C和D類地面粗糙度，H的取值分別不應(yīng)大于300m、350m、450m 和 550m；水平方向的相關(guān)系數(shù)

12、可按下式計(jì)算：-10 B 50e -H/60 -50Px = （ 8）B式中：B 結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度（ m） , B2H。對(duì)于迎風(fēng)面寬度較小的高聳結(jié)構(gòu)，水平方向相關(guān)系數(shù)可取為1 o二建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012中所規(guī)定的橫風(fēng)向風(fēng)荷載的矩形平面結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向風(fēng)振按2012規(guī)范8.5.1條，“對(duì)于橫風(fēng)向風(fēng)振作用效應(yīng)明顯的高層建筑以及細(xì)長(zhǎng)圓形截面構(gòu)筑物，宜考慮橫 風(fēng)向風(fēng)振的影響。”由于判斷是否需要考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的影響比較復(fù)雜，涉及建筑的高度、高寬比、結(jié)構(gòu) 自振頻率及阻尼比等因素，因此條文說(shuō)明中給出“建筑物高度超過(guò)150m或高寬比大于 5的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風(fēng)向效應(yīng)”這一條件。橫風(fēng)向風(fēng)振

13、的荷載可以通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，也可以通過(guò)計(jì)算獲得，2012規(guī)范在附錄中給出規(guī)則結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。有關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)文件的形式接入PKPM的計(jì)算，這里主要討論規(guī)范附錄中提供的計(jì)算方法。2 . 1 基本計(jì)算公式根據(jù)規(guī)范，對(duì)矩形截面高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式整理如下：Wlk = gW0 邑 zClHR3（9）式中：Wlk 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN / m 2 ）;一'Cl 橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)；Rl橫風(fēng)向共振因子；1.1 峰值因子，可取 2.5;W0基本風(fēng)壓；z 風(fēng)壓高度變化系數(shù)。橫風(fēng)向風(fēng)振等效荷載主要受高寬比、深寬比、扭轉(zhuǎn)周期、阻尼比、削角和凹角、地面粗糙度等的影 響

14、。三規(guī)范公式的檢驗(yàn)1.2 振型對(duì)風(fēng)荷載作用效果的影響（以 上海電視塔結(jié)構(gòu)為例）試驗(yàn)將時(shí)將上海電視塔結(jié)構(gòu)抽象為16個(gè)質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算和分析，可以得到如下結(jié)論：高振型的影響。現(xiàn)以頂點(diǎn)、觀光塔和上塔樓的水平風(fēng)振位移進(jìn)行分析。現(xiàn)假設(shè)第一振型風(fēng)振力作用下上述三點(diǎn)的水平風(fēng)振位移為1,第二振型和第三振型的水平位移與第一振型的水平位移比值一并列于表1-2中，表中量綱為1。表1-2高振型對(duì)水平位移的影響振型頂點(diǎn)(459.0m)觀光塔(348.5m)上塔樓(272.5m)第一振型1.0001.0001.000第二振型0.2440.013-0.002第三振型0.036-0.017-0.005由表1-2可以看出，第一振

15、型的水平位移占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，除第二振型在頂部附近有影響外，觀光塔以下各點(diǎn)高振型的影響很小。所以在計(jì)算一般高層建筑風(fēng)荷載時(shí)，對(duì)順風(fēng)向響應(yīng)只需考慮第一振型的影響。與規(guī)范計(jì)算方法相符。1.3 風(fēng)荷載計(jì)算軟件方法與規(guī)范方法進(jìn)行比較（以 深圳中國(guó)海洋石油大廈 為例）要圖不要表深圳中國(guó)海洋石油大廈地上共50層，高175.10m,鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系，五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，結(jié)構(gòu)體型是不規(guī)則的。建筑物前三階y 方向自振周期 Ti=3.51s,T2=0.92s,T3=0.46s ; x 方向自振周期Ti=3.41s,T2=1.20s,T3=0.41s。該大廈進(jìn)行了剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤秊?:50, C類地面粗糙度

16、類別，風(fēng)洞試驗(yàn)所得y方向各段（標(biāo)準(zhǔn)層，由上至下）的風(fēng)載平均體型系數(shù)N s1=2.07, N s2=1.58, Ns3=1.36, Ns4=0.94, 5=0.67。本例題采用軟件方法與規(guī)范方法進(jìn)行比較。兩種方法均取試驗(yàn)值的體型系數(shù)，但軟件方法選取實(shí)際振型，而規(guī)范方法選取規(guī)范本身規(guī)定的振型。表1-1列出了底部剪力、底部彎矩的比較，圖 1-1、圖1-2、圖1-3分別繪出了風(fēng)壓、風(fēng)剪力、風(fēng)彎矩沿高度 的分布規(guī)律。表1-1底部剪力、底部彎矩的比較軟件方法何載規(guī)氾高層建筑V01.0001.0841.077M01.0001.0431.052由本例看出，軟件方法與規(guī)范方法相比，底部剪力小8%左右，底部彎矩小

17、 5%左右。軟件計(jì)算結(jié)果基本能夠滿足規(guī)范要求。圖1-3中規(guī)范方法風(fēng)壓沿高度有幾處突變，這完全是由采用試驗(yàn)值的各段體型系數(shù)變化引起的。1.4 風(fēng)荷載計(jì)算軟件方法與試驗(yàn)進(jìn)行比較（以金茂大廈為例）要圖金茂大廈位于上海浦東新區(qū)，它由高度為365m的主塔樓和約40m高的群樓組成，主樓平面近似為寬55.5m的正方形，隨高度逐漸收縮。金茂大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由風(fēng)荷載控制，加拿大西安大略大學(xué)對(duì)金茂大廈進(jìn)行 了詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。風(fēng)洞試驗(yàn)選取3個(gè)有代表性的高度處數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，高度分別為H=67m, 145m, 286m。比較了 3個(gè)高度上平均壓力系數(shù)的比較結(jié)果，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的風(fēng)向都為90 °

18、。平均風(fēng)壓系數(shù)的定義為Cp = p2,其中p為測(cè)點(diǎn)上的風(fēng)壓值，UH為H=365m高度處的來(lái)流風(fēng)速，P為空氣密度。0.5 P： h由圖比較可以看出，F(xiàn)ENSAP計(jì)算的平均風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體上很吻合，少數(shù)鈍體邊角處的測(cè)點(diǎn)差別稍大一些，但誤差也基本上在25%以內(nèi)，從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，是可以接受的。結(jié)果表明，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012中規(guī)定的風(fēng)荷載計(jì)算方法與實(shí)際的風(fēng)荷載基本相符。四風(fēng)荷載影響因素的驗(yàn)證風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關(guān)。下面我們將利用規(guī)范中的公式來(lái)驗(yàn)證各因素對(duì)風(fēng)荷載的影響。徐州某高層建筑剪力墻2構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為38層，底部1-3

19、層層高為4m,其他各層層高為 3m,室外地面至檐口的高度為120m,平面尺寸為 30mM40m,地下室筏板基礎(chǔ)底面埋深為12m,如圖2-4所示。已知徐州 50年2一遇的基本風(fēng)壓為 0。=0.35kN/m （規(guī)范監(jiān)i錄 E）,建筑場(chǎng)地位置大城市郊區(qū)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將建筑物沿高度劃分為12個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段為10m,近似取其中點(diǎn)位置的風(fēng)荷載作為該區(qū)段的平均值利用公式 與父=隹?jī)?nèi)也80 ,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012中的規(guī)定確定各個(gè)參數(shù)的取值。重點(diǎn)采用控制變量法討論高度以及地面粗糙程度對(duì)風(fēng)荷載的影響。計(jì)算流程如下：計(jì)算結(jié)構(gòu)基本自振周期確定風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及高度z處的風(fēng)振系數(shù)等參數(shù)根據(jù)公式計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及合力j計(jì)算結(jié)果如表4-1、4-2 o表4-1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值隨高度以及地面粗糙程度變化的計(jì)算結(jié)果風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計(jì)算荷載作用中心點(diǎn)距 離地囿身發(fā)地面粗糙度類別ABCD50.5000.4590.2990.235150.6650.5320.3130.248250.7730.6380.4100.270350.867