建筑幕墻風荷載取值的再討論

1、 建筑幕墻設計風荷載取值的再討論 建筑幕墻設計風荷載是玻璃幕墻設計諸荷載(作用)中最重要的一項。它的取值直接影響玻璃幕墻的安全，尤其是體型復雜的高層建筑玻璃幕墻的設計風荷載更要慎重采用。 玻璃幕墻工程技術規(guī)范JGJ102-2003指出，“經驗表明，玻璃幕墻的設計主要取決于風荷載作用，對于體型復雜的幕墻工程或房屋高度較高（比如超過200m）的幕墻工程，應確保風荷載作用下的可靠性”，“一般情況下，對幕墻起控制作用的是風荷載。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力，避免在風荷載作用下破碎。我國沿海地區(qū)經常受臺風的襲擊，設計中應考慮有足夠的抗風能力。”鑒于設計風荷載對玻璃幕墻設計的重要性，在臺風過后，不少

2、地區(qū)對臺風給玻璃幕墻的影響進行了調查和分析，也有不少學者對玻璃幕墻進行了風洞試驗和風力測試分析，提出了很多論文和報告，這些論文和報告對完善玻璃幕墻設計風荷載起極大作用，但也有些問題需要進一步探討，現(xiàn)提出以下幾個問題和全國同行們討論。一 玻璃幕墻設計風荷載計算中，基本風壓是取50年一遇的基本風壓，還是要提高到取100年的基本風壓值。GB50009指出：“對于圍護結構，其重要性與主體結構相比要低些，仍可取50年一遇的基本風壓?！爆F(xiàn)在有些地方建設部門，以廈門9914號臺風、浙江2005年云娜臺風的瞬時風速為由，提出要改取100年一遇的基本風壓。這是由于當?shù)匦侣剢挝徽`導的結果，廈門9914號臺風陣風風

3、速46米/秒，按廈門1958年1961年221次風過程統(tǒng)計分析，瞬時風速為10分鐘平均風速的1.45倍，按此折算10分鐘平均風速為31.72米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風速為30.67米/秒），為11級風（風速28.532.6米/秒），不是14級風（風的等級表只有012級，12級為風速32.6米/秒，沒有14級風），按廈門基本風壓0.80kN/m2折算風速為35.78米/秒，即廈門9914號臺風遠未達到廈門50年一遇的基本風壓；2005年云娜臺風，溫州陣風風速36.9米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風速為24.6米/秒），為10級風（風速24.528.4米/秒）

4、未達到其50年一遇的基本風壓0.60 kN/m2（折算基本風速31米/秒）；下大陳陣風風速58.7米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風速為39.13米/秒），為12級風（風速32.6米/秒）但未達到其50年一遇的基本風壓1.4kN/m2 （折算基本風速47.33米/秒）。說明玻璃幕墻設計風荷載取50年一遇的基本風壓計算是可行的。二 怎樣評價風洞試驗報告。 玻璃幕墻工程技術規(guī)范JG102-2003規(guī)定：“玻璃幕墻的風荷載標準值可按風洞試驗結果確定；玻璃幕墻高度大于200m或體型、風荷載環(huán)境復雜時，宜進行風洞試驗確定風荷載?！?有的論文提出：“風洞試驗值比規(guī)范更精確”。“ 風洞試驗之所

5、以精確，因為它真正模擬表現(xiàn)出了風對于不同建筑物的影響”。上海×××中心“由國際著名風工程專家×××主持×××邊界層風洞試驗室完成的風洞實驗。其實驗數(shù)據翔實，方法可靠，結論合理?！边@些論點值得商榷。 我們要認識到，風洞不能自動創(chuàng)造某建筑物所在地點的風環(huán)境，并得出建筑物表面各處風荷載。建筑物所在地區(qū)的風速是通過風速儀等儀器長期觀測紀錄、并經數(shù)理統(tǒng)計分析得出的；對風剖面還要用高桅塔或高空氣球來測得不同高度風速后進行數(shù)理分析、回歸成公式來表述。因此不是風洞創(chuàng)造預定的風環(huán)境，而是人根據長期觀測資料的分析結果確定風環(huán)

6、境有關參數(shù)，風洞試驗時在風洞中摸擬大風邊界層流場，風洞中摸擬的風環(huán)境與再現(xiàn)的預計風環(huán)境近似程度完全取決于人對風環(huán)境有關參數(shù)的理解和運用。如果風環(huán)境參數(shù)選擇不當，則模擬的風環(huán)境與預定情況大相徑庭。同時還要指出風洞試驗的結果主要是體型系數(shù)來流風壓與建筑表面實際（壓）吸力的比值，也有的風洞試驗可在風洞中的各高度調整風速來測得不同高度的壓力系數(shù)(即體型系數(shù)與風壓高度變化系數(shù)近似乘積)，各處的風荷載是將測點的壓力系數(shù)乘以風洞對應點風速換算成實際風環(huán)境中風速計算出來的風壓，即風荷載是計算值，而不是直接從風洞試驗中得到，在計算中采用的風環(huán)境計算參數(shù)取值直接影響風荷載計算結果。上海××&#

7、215;中心風洞試驗報告中“×××對上海風環(huán)境進行研究后，在其風洞試驗報告所選用的梯度風風壓為1.5KPa。這與按規(guī)范GB50009中上海地區(qū)50年回歸期基本風壓0.55 KPa，并經風壓風速轉換后利用規(guī)范公式7.6.2-2推導的結果比較，×××的梯度風風壓結論介于地粗面糙度A類B類之間，而不是通常認為的陸家嘴地區(qū)為地粗面糙度C類?！鄙虾５貐^(qū)基本風壓0.55 KPa是根據上海氣象臺歷年（50年以上）來的最大風速記錄，經統(tǒng)計分析確定的（規(guī)范對梯度風高度分別規(guī)定為hTa=300m、hTb=350m、hTc=400m、hTd=450m）。上

8、述風洞試驗報告所選用的梯度風風壓為1.5KPa，沒有說明梯度風高度取多高，梯度風風速用什么方法（儀器），經過多少（幾十）年、取得多少（幾十、幾百、幾千、幾萬-）個樣本，用什么方法得出的。怎樣得出比規(guī)范更精確的結論的。 在大氣邊界層內，風速隨離地面高度而增大。在大量觀測資料積累的基礎上，基于相似理論得出的近地層的風速廓線(剖面) 近似符合指數(shù)規(guī)律，盡管這種方法具有思路清析、概念明確、易于操作的特點，但從對若干個有100m以上的超高層建筑地區(qū)不同高度最大風速記錄統(tǒng)計分析，100m以上風速廓線(剖面)并不符合指數(shù)規(guī)律，而是呈拋物線或多項式曲線分布。風洞試驗時一種方法是取全斷面同一流場速度（流場速度的

9、不均勻性小于2%），試驗的結果主要是體型系數(shù)（來流風壓與建筑表面實際（壓）吸力的比值），用此體型系數(shù)乘以風壓高度變化系數(shù)和用風洞對應點風速換算成實際風環(huán)境中風速計算的風壓的結果即為設計風荷載（陣風還考慮陣風系數(shù)）。另一種方法是風洞試驗時，在風洞中試驗區(qū)前設擋板、百頁、擱柵、濾網等使試驗區(qū)風洞剖面上、下各點風速不同，并使風洞風剖面符合規(guī)定的指數(shù)規(guī)律，試驗的結果測得不同高度的壓力系數(shù)(即體型系數(shù)與風壓高度變化系數(shù)近似乘積)，測點的壓力系數(shù)乘以風洞對應點風速換算成實際風環(huán)境中風速計算出來的風壓，得出風荷載值，但是風剖面取不同指數(shù)值，會得出不同結果。例如上海中銀（浦東國際金融）大廈風洞試驗，同濟大學取

10、=0.16（基準點取為350 m、基準點風壓3.8 KPa），得230m處風荷載為7KPa，上海建筑科學研究院取=0.18（基準點取為230 m、基準點風壓1.65KPa），得230m處風荷載為7.49KPa，如果將上海建筑科學研究院取=0.18用算換公式C=（230/10）0.16×（230/10）0.18=0.939，7.49×0.939=7.037.00KPa。上海×××中心風洞試驗報告報告的“風洞試驗值與按規(guī)范公式計算結果不同，按規(guī)范公式計算風壓隨樓層高度而升高，在400米處，即規(guī)范的（C類）梯度風高度趨于平穩(wěn)。但風洞試驗顯示風壓在26

11、0米處達到最大，然后開始隨高度上升平穩(wěn)下降”（也有部分風洞試驗報告有類似報告）。不過上述風洞試驗報告未說明風洞試驗區(qū)風洞風剖面指數(shù)取值（按C類還是介于地粗面糙度A類B類之間）。風洞試驗值與按規(guī)范公式計算結果不同，形成這種差異的原因還不能確定，是來流風速對高層建筑的效應就是這樣，還是風洞中風環(huán)境（有風洞壁約束）與自然界風環(huán)境（自由流通）的差異形成的，誰更精確要用實踐是檢驗真理的唯一標準來評價，即在進行過風洞試驗的建筑上每隔一定高度，同時設風速儀和風壓板，測出某一高度大氣流場風速和同一高度建筑上風壓值，積累觀測資料得出更精確的結論。 風壓是速度壓，風速只是代表在自由氣流中某點的風速，房屋建筑設計時

12、不能直接以該風速作為結構荷載，因為房屋本身并不是理想地使原來的自由風流停滯，而是讓氣流以不同方式在房屋表面繞過，因此房屋對氣流形成某種干擾，要完全從理論上確定氣流影響的物體表面的壓力，目前還是做不到。一般都是通過試驗的方法確定風作用在建筑物表面所引起的壓力(吸力)與來流風壓的比值，即風荷載體型系數(shù)，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的體型與尺度有關(荷載規(guī)范共列出38種基本體型)，一些高層建筑采用一些特殊的體型（非基本體型），且不同高度采用不同的截面形狀，沿高度變化的截面風壓分布復雜多變，例如正負風壓系數(shù)都出現(xiàn)在雙園弧面尖角拐角，雙園弧面與過渡段交接處的尖角上有極

13、強的壓力脈動等，這些分布規(guī)律在荷載規(guī)范風荷載體型系數(shù)表中是查不到的，需要通過風洞試驗來驗證和確定。風洞試驗用模型為實際尺寸的1/2001/400，如1/400模型上最外一測點距邊5mm，它反映的是建筑上距邊2m處的風壓值，風壓值在邊角部變化很快，測點微小的變化即會引起較大的偏差，就是說風洞模型在邊角部的讀數(shù)有可能與實際值存在偏差，因此，對于邊角部風壓值要在風洞試驗值的基礎上考慮適當調整。建筑結構荷載規(guī)范GB50009指出：“對封閉式建筑物，考慮到建筑物內實際存在的個別孔口和縫隙，以及機械通風等因素，室內可能存?zhèn)€在正負不同的氣壓”?！膀炈銍o構件及其連接的強度時，可按下列規(guī)定采用局部風壓體型系數(shù)

14、-二、內表面 對封閉式建筑物，按外表面風壓的正負情況取-0.2或0.2?！倍L洞試驗只反映外表面的正負風壓，因此設計時要在風洞試驗值的基礎上考慮內表面局部風壓體型系數(shù)。建筑結構荷載規(guī)范GB50009指出：“當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應；一般可將單獨建筑物的體型系數(shù)s乘以相互干擾征增大系數(shù)，該系數(shù)可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風洞試驗得出。”當周圍有較多高層建筑時，這一群體對風產生特定的群體干擾因而形成了特定的風環(huán)境，對所設計的高層建筑也會產生影響，受到群體干擾影響時，對稱的截面形狀會出現(xiàn)并不對稱的風壓分布，特別是上游和下游建筑物對

15、氣流產生的干擾造成群體干擾影響下的氣流特性與單體有很大差別，其風壓分布復雜多變，而我國現(xiàn)行規(guī)范未考慮群體干擾的影響因素，這些分布規(guī)律在荷載規(guī)范風荷載體型系數(shù)表中是查不到的，需要通過風洞試驗來驗證和確定。必須指出風洞試驗時，群體干擾效應必須采用最不利組合，例如上海中銀（浦東國際金融）大廈風洞試驗時，進行了有或無交銀大廈的對比試驗，無交銀大廈時北面鄰緊交銀大廈大面上風壓有所增大，有交銀大廈時，由于交銀大廈的存在，+143米近邊緣處局部風壓系數(shù)增大近4倍。因此，風洞試驗時，不僅要考慮現(xiàn)有建筑布局，而且要考慮將來建筑布局變化后的不利影響，取最不利組合。三怎樣理解和執(zhí)行強制性條文。 2000年8月25日

16、建設部第81號令發(fā)布了實施工程建設強制性標準監(jiān)督規(guī)定，實施工程建設強制性標準監(jiān)督規(guī)定進一步明確了工程建設中兩類不同標準的屬性，即強制性標準的必須執(zhí)行的原則和推薦性標準自愿采用的的原則。建筑工程質量管理采取技術法規(guī)與技術標準相結合的管理體制，技術法規(guī)是強制性的，是把那些涉及建設工程安全、人體健康、環(huán)境保護和公共利益的技術要求用法規(guī)形式規(guī)定下來，嚴格貫沏在工程建設中，不執(zhí)行技術法規(guī)就是違法，就要受到處罰。而技術標準除了被技術法規(guī)引用部份以外，都是自愿采用的，可由雙方在合同中約定。 建設工程質量管理條例將強制性標準與法律、法規(guī)并列起來，使得強制標準在實效上與法律、法規(guī)等同，從而確定了強制性標準具有法

17、規(guī)文件的屬性，也就是說強制性標準本身雖然不是法規(guī)，但建設工程質量管理條例中給予明確了法規(guī)的性質。 實施工程建設強制性標準監(jiān)督規(guī)定第三條指出“工程建設強制性標準是指直接涉及工程質量、安全、衛(wèi)生及環(huán)境保護方面的工程建設標準強制性條文。” 建筑結構荷載規(guī)范GB50009第7.1.1條關于風荷載標準值的規(guī)定是強制性條文，必須執(zhí)行，不執(zhí)行就是違法。如果風洞試驗屬于新技術、新工藝、新材料，應按建設部實施工程建設強制性標準監(jiān)督規(guī)定第三條規(guī)定：“工程建設中擬采用的新技術、新工藝、新材料，不符合現(xiàn)行強制性標準的，應由擬采用單位提請建設單位組織專題論證，報批準標準的建設行政主管部門或國務院有關主管部門審定。 工程

18、建設中采用國際標準或國外標準，現(xiàn)行強制性標準未作規(guī)定的，建設單位應當向國務院建設行政主管部門或國務院有關行政主管部門備案。”上述規(guī)定分出了兩個層次的界限：A.不符合現(xiàn)行強制性標準規(guī)定的；B.現(xiàn)行強制性標準未作規(guī)定的。這兩種的情況是不一樣的，對于新技術、新工藝、新材料不符合現(xiàn)行強制性標準規(guī)定的，是指現(xiàn)行強制性標準中已經有明確的規(guī)定或限制，而新技術、新工藝、新材料達不到這些要求或者超過其限制條件，則受規(guī)定的約束；對于國際標準或國外標準的規(guī)定，現(xiàn)行強制性標準未作規(guī)定，采納時應當辦理備案程序，責任由采納單位負責。但是如果國際標準或者國外標準的規(guī)定不符合現(xiàn)行強制性標準規(guī)定，則不允許采用。這時，國際標準或者國外標準的規(guī)定屬于新藝術、新工藝、新材料的范疇，則應按照新技術、新工藝、新材料的規(guī)定進行審批。建設部第278號公告規(guī)定了采用不符合工程建設強制性標準的新技術、新工藝、新材料核準的行政許可條件、申請材料目錄、行政許可程序等有關事項，并規(guī)定行政許可辦理機構為建設部標準定額司。 四關于雙層幕墻設計風荷載取值。 對于雙層幕墻設計風荷載取值，有的學者曾提出，幕墻設計風荷載取陣風（