高層建筑結構順風向的風力計算

李 文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

高層建筑結構順風向的風力計算

李 文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

高層建筑結構可以簡化成豎直伸臂式結構。采用規范計算法和脈動風的上界力計算法以及平均風的壓力計算法等計算結構上的風力，對計算方法做了詳細說明和例題計算，可以計算出結構順風向的風力上限值和設計用值。

高層建筑 上界力 加固

高層建筑結構可簡化成豎直伸臂式結構，風荷載和地震荷載一樣為高層建筑結構的主要荷載。風力計算方法有按規范計算的方法(規范法)、反應譜法、平均風壓力計算法，脈動風上界力計算方法等。對加固已建成的高層建筑結構，如剛度不知，由于結構的頻率、周期、振型是估算，計算精度難以確定。采用規范法、平均風壓力計算法和脈動風上界力法，將計算結果進行比較，取用較合理的數據進行設計，是一種可行的辦法。

1 按規范計算

計算主要承重結構時，順風向風力計算式為[3，4]

Wk=βzμsμzwo

式中Wk是風壓荷載標準值(kN/m2)，βz為高度z處的風振系數，μs為風荷載體型系數，μz為風壓高度變化系數，wo為基本風壓(kN/m2)

2 按脈動風上界力法計算

如圖1所示，m為集中質量，i，j，k為質點序號(i，j，k=1，2…n)。剛度分布任意。由風反應譜定義可知，在順風向脈動風荷載作用下，截面i-(i+1)的剪力反應為[1,2]

圖1 脈動風上界力法計算

(1)

式中，m為各層質量，u為振型位移，DW′為風擬加速度反應譜，α為振型參與因數，有

(2)

(3)

式中KZ=0.38，h=0.607H(H—結構總高度)。

剪力式(1)改寫為

(4)

取j層等效質量

(5)

振型參與因數為

(6)

式(4)改為

(7)

采用積函數極值法求風振剪力的上限值。積函數極值法是定義參與因數與振型反應的乘積為積函數，如式(7)所示，對積函數取極值求剪力上限值。在順風向脈動風荷載作用下，經過推導求得風振剪力的主上限值和次上限值為[2]

(8)

(9)

式中

(10)

(11)

(12)

(13)

如考慮剪力主次上限值的組合，可采用平方和開平方的方法求剪力組合值。結構在平均風壓力作用下，結構剪力另算。

3 例題

3.1 按脈動風的上界力法計算

如圖2所示，計算中剛架結點的風力，已知迎風面寬度為B=7.5 m(取J層質點至左右中點距離之和)。

圖2 中剛架結點風力計算

m1=116.62×103kg；m2=110.85×103kg；m3=59.45×103kg。

T1=0.78 sT2=0.269 sT3=0.183 s

計算等效質量

Kz=0.38，h=0.607H，(H—結構總高度)

C2=

0.884 1

k=0.03

計算EMj，Hj取j層至上下層中點距之和

1點：

EM1=

2點：

EM2=

3點：

EM3=

計算剪力Q12

EM3A3=1.432 6×10-4

次上界力

計算Q23

計算Q01

282.04 kN

3.2 按規范計算

風力計算式為WK(z)=βzμsμzwo，含平均風和脈動風的壓力；

按荷載規范8.4.3～8.4.5式計算,1點：β1=1.830 3；2點：β2=2.436 4；3點：β3=2.492 1

計算結點風力：P=WK(z)A

P1=45.86 kNP2=54.27 kNP3=30.38 kN

平均風的壓力計算式為

WK(z)=μS(z)μz(z)w0

結點平均風壓力為

4 結束語

由算例可知，脈動風主上界壓力大于由規范算得的脈動風壓力，脈動風主上界壓力加上平均風壓力大于由規范算得的風壓力。脈動風上界壓力是由極值條件求得，大于由規范算得的脈動風壓力是合理的。上述各種計算方法有賴于各種系數的正確選擇，系數不同，計算結果也不同。各種計算結果可用來比較，按規范做出正確判斷，取用合理的數據。對于加固已建高層建筑結構，由于剛度不知，頻率周期、振型只能估算，上述計算方法用來比較是可行的。

[1] 王前信.工程結構上界地震力理論及其應用[M].北京：地震出版社,2000

[2] 張艷紅.建筑結構在地震和風作用下的反應及可靠度分析[D].上海：同濟大學，1996

[3] 姜紅月，李敬學.金屬屋面風揭設計探討[J].鐵道勘察，2013(2)

[4] 溫四清，董衛國，邱劍.鐵路客站站臺雨棚風荷載計算探討[J].鐵道經濟研究，2012(5)

[5] 辛兵，王克海，徐升橋.高新高速上地斜拉橋抗震設計分析[J].鐵道勘察，2012(6)

[6] GB50009—2012 建筑結構荷載規范[S]

[7] 董軍.遞階結構系統理論及巨型結構懸掛體系振動控制研究[D].上海：同濟大學，1998

[8] 張相庭.結構風壓和風振計算[M].上海：同濟大學出版社，1985

Calculation of Following Wind Lord in High Storeyed Construction

LI Wen

2014-02-19

李 文(1981—)，男，2008年畢業于武漢大學，工程師。

1672-7479(2014)02-0109-04

TU973

： B