高層建筑圍護結構面積平均風壓的研究介紹

梁 益

1 概述

風荷載是控制圍護結構設計的主要荷載。工程中常常直接采用圍護結構上某個測點的最不利風壓進行圍護結構設計。但作用在結構上的風壓并不是完全相關的，這導致總的風荷載作用效果將隨圍護結構尺寸的增大而減小，這種現象稱為圍護結構風壓的面積平均效應[1]。因此，完全采用測點極值風壓來進行圍護結構的設計可能導致過分保守的結果[2]。特別是在現代高層建筑中，幕墻結構通常具有較大的面積，面積平均效應可能較為明顯。為了安全而經濟地設計這些大型圍護結構，風荷載的面積平均效應是一個值得深入系統研究的課題。

本文歸納和介紹了目前研究高層建筑圍護結構風壓面積平均效應的主要方法及相關成果，并總結了主要規范中的相關規定，以供我國相關研究和設計人員參考。

2 主要研究成果

2.1 直接平均法以及風壓折減因子

面積平均風壓極值的折減程度可用折減因子kp表示[11]:

其中，Cp，min(A)和 Cp，max(A)分別為作用面積為 A m2的圍護結構的面積平均風壓的極小值和極大值;Cp，min(1)和 Cp，max(1)分別為作用面積為1 m2的圍護結構的面積平均風壓的極小值和極大值。

折減因子可通過直接平均法獲得[4]:通過同步測壓得到測點的風壓時程，并對這些時程按面積加權進行瞬時相加后便可獲得測點所在區域內的面積平均風壓的時程，進而得到面積平均風壓的極值及其折減因子。

目前，直接平均法在高層建筑的研究成果和規范應用較少[4]。ASCE7-02[12]以及NBCC2005[13]中均只是簡單地將高層建筑墻面劃分為邊緣和內部兩個區域(見圖1)。文獻[4]通過風洞試驗得到了上述兩個區域內的面積平均風壓極值折減圖。圖2給出了由文獻[4]的部分結果、ASCE7-02中相關規定換算得到的極值負壓折減因子以及中國建筑結構荷載規范規定的折減因子。

2.2 風壓相關性分析

2.2.1 地貌的影響

根據文獻[6][8]的研究，當上游地貌粗糙度增加時，高層建筑側面的風壓受斯脫羅哈頻率主導的效應顯著減小，風壓頻率分布在更廣泛的區域。同時地貌粗糙度增加時分離氣泡區變短，分離流附著點向建筑表面的上游移動。而分離氣泡區內的風壓受斯脫羅哈頻率主導，相關性較強;再附著區域內風壓則相關性較弱。因而地表粗糙度的增加使得高層建筑側面的風壓相關性變弱，空間折減效應增加。

2.2.2 建筑外形尺寸的影響

對于高層建筑而言，截面長寬比對墻面風壓分布(特別是建筑側風墻面的風壓分布)的影響是顯著的。文獻[15]研究了大量不同長寬比的矩形截面柱各個墻面0.8H高度處水平向的風壓相關性。結果表明，對于迎風面，隨著建筑寬度的增加，測點之間風壓相關性變弱。對于側風面，風壓相關性與來流分離、再附著以及再分離的過程有關，建筑截面的長寬比將影響這個過程的發生。

2.2.3 圍護結構位置的影響

高層建筑墻面圍護結構風壓的折減程度受該圍護結構所在位置的影響較為復雜。一般來說，側面的風壓相關性要強于迎風面，而迎風面的風壓相關性要強于背風面。受來流分離、再附著以及再分離的影響，側面不同區域的風壓相關性是不同的[6，15]。同時，由于三維繞流效應，建筑中部區域的風壓相關性要強于建筑頂部和建筑底部[6]。

2.3 移動平均法

對某個測點的風壓時程進行移動平均處理后計算得到風壓峰值，并以此來代替該測點所在區域內對應面積的面積平均風壓峰值，該方法稱為移動平均法[10，16]，用公式表示為:

其中，T為移動平均時長;V為來流平均風速;L為結構的特征尺寸，一般取圍護結構的對角線長度;K為與相干函數有關的常數。

根據文獻[18]的實測結果，K的取值與高層建筑表面的位置以及來流特征密切相關。文獻[17]認為可取K=4.5作為一個合適的代表值。而文獻[16]則認為應采用移動平均濾波器對氣動導納函數曲線進行擬合來得到K值。通過計算，文獻[16]建議K取1.0。

3 規范應用簡介

3.1 北美規范[12，13]

美國ASCE7-02中規定了各類建筑的圍護結構的極值風壓。對于高度大于60ft的矩形截面的高層建筑，規范將建筑墻面劃分為邊緣和內部兩個區域，并給出了各區域極值風壓隨面積衰減的曲線。加拿大NBCC2005中的相關規定與ASCE7-02類似。

3.2 澳大利亞新西蘭規范[19]

AS/NZS 1170.2中采用面積折減因子Ka局部壓力因子Kl的組合來考慮圍護結構表面風壓的面積平均效應。Ka考慮風壓作用于較大面積區域時的折減，用于主體結構和圍護結構的設計，Kl則考慮風壓在較小面積區域上相對較好的相關性，只用于圍護結構設計。規范中對低矮和高層建筑均提供了詳細的規定。

3.3 其他規范[14]

除上述規范外，其他主要國家的風荷載規范均沒有針對高層建筑圍護結構風壓面積平均效應的規定。其中中國建筑結構荷載規范(2006年)中規定了圍護構件的局部風壓體型系數μsl(1)，適用于圍護構件的從屬面積 A≤1 m2。當圍護構件的從屬面積A≥10 m2時，局部風壓體型系數 μsl(10)可乘以折減系數0.8。當構件的從屬面積1 m2＜A＜10 m2時，可按面積的對數線性插值。

4 結語

圍護結構風壓的面積平均效應對于合理地進行高層建筑結構設計十分重要。目前的研究基本以風壓相關性分析為主，研究者對地貌、建筑外形參數、圍護結構位置等主要影響因素均進行了考慮，但缺乏對應于圍護結構尺寸范圍的風壓相關性分析和便于工程應用的成果。可參考已有的研究成果，采用直接平均方法對高層建筑圍護結構風壓的面積平均效應展開研究，得到面積平均因子等便于規范吸納采用的成果。另外，對于移動平均法中相關參數的取值仍存在較大爭議，應對該方法展開仔細研究并在實際工程中予以應用，以利用有限試驗結果來獲得足夠信息。

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