工程設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)電視塔風(fēng)振舒適度的計(jì)算

劉 坤 付舉宏 邱 暉 朱 悅 張 海

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

工程設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)電視塔風(fēng)振舒適度的計(jì)算

劉 坤 付舉宏 邱 暉 朱 悅 張 海

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

以宿遷市廣播電視發(fā)射塔為例，采用不同規(guī)范的計(jì)算方法計(jì)算了鋼結(jié)構(gòu)電視塔風(fēng)振舒適度，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，同時(shí)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比，找出了比較適用的計(jì)算方法。

電視塔，風(fēng)振舒適度，計(jì)算，結(jié)果

電視塔是高聳結(jié)構(gòu)的一種，自19世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著電視的普及，許許多多的電視塔在世界各地相繼建成。隨著時(shí)代發(fā)展，電視塔的高度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)外形向纖細(xì)、多變的方向發(fā)展，其功能也從傳統(tǒng)的廣播電視發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)榧瘡V播電視、商務(wù)、觀光等于一體，成為城市的地標(biāo)和名片，結(jié)構(gòu)類型也相應(yīng)的從“構(gòu)筑物”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖ㄖ铩保L(fēng)振舒適度成為了設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。鋼結(jié)構(gòu)由于其重量輕，施工快，抗風(fēng)抗震性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電視塔中出現(xiàn)的越來(lái)越多。但是鋼結(jié)構(gòu)電視塔構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常分為外部塔架、內(nèi)部井架、塔座、塔樓等部分，風(fēng)荷載及舒適度計(jì)算較為復(fù)雜。

1 工程實(shí)例

宿遷市廣播電視發(fā)射塔，高333 m，主要部分為外塔架、內(nèi)部井架、塔座、塔樓和桅桿段。主塔體高235.9 m，平面為正十六邊形，桅桿段高97.1 m，平面為正四邊形。塔座部分包括地下1層和地上3層，塔樓分4層。發(fā)射塔的建筑結(jié)構(gòu)類型屬于空間格構(gòu)式筒體，塔座為蓮葉造型，塔樓為蓮花造型，效果圖見(jiàn)圖1。

由于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度沿高度方向有突變，所以風(fēng)荷載的計(jì)算不能只考慮第一振型，因此荷載規(guī)范、高聳規(guī)范等風(fēng)載計(jì)算方法都不適用。本工程按照鋼塔桅規(guī)范的相關(guān)條文，采用振型分解法計(jì)算，振型數(shù)量取7個(gè)。風(fēng)振舒適度按照GB 50135—2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(下文簡(jiǎn)稱高聳規(guī)范)進(jìn)行計(jì)算，規(guī)定如下：

在審圖過(guò)程中，有專家提出，風(fēng)振舒適度尚應(yīng)按照J(rèn)GJ 99—98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(下文簡(jiǎn)稱高鋼規(guī))的規(guī)定，取10年重現(xiàn)期的風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算。高鋼規(guī)第5.5.1條規(guī)定如下：

公共建筑類鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度不應(yīng)超過(guò)0.28 m/s2。順風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度:

其中，aw為順風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度，m/s2;μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μr為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，取重現(xiàn)期為10年時(shí)的系數(shù)0.83；ω0為基本風(fēng)壓,kN/m2，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ 9建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用；ξ,v分別為脈動(dòng)增大系數(shù)和脈動(dòng)影響系數(shù)，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ 9建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用；A為建筑物總迎風(fēng)面積,m2；mtot為建筑物總質(zhì)量,t。

上式中，直接將μrω0換成10年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值代入。

由于塔樓并非電視塔頂點(diǎn)，按文獻(xiàn)[2]內(nèi)容換算塔樓處加速度。任意高度Z處的加速度為awz=awφz，φz為第一振型z高度處的相對(duì)位移。

2 計(jì)算結(jié)果

本工程風(fēng)振舒適度計(jì)算結(jié)果如下：1)按照《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行核算，結(jié)果如下。基本風(fēng)壓按0.4 kN/m2(50年重現(xiàn)期)計(jì)算，在脈動(dòng)風(fēng)的頻遇組合下，塔樓處的水平位移為0.107 4 m，基頻為0.927 6 rad/s，計(jì)算得風(fēng)振加速度為0.092 m/s2，滿足規(guī)范要求。2)按照《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行核算，結(jié)果如下。基本風(fēng)壓按0.25 kN/m2(10年重現(xiàn)期)計(jì)算，自振周期為6.773 4 s，查得ξ=3.87，v=0.79，∑μsiAi=4 108m2，mtot=22 179 t，φz=0.484，計(jì)算得a=0.069 m/s2，滿足規(guī)范要求。由以上結(jié)果可知，高鋼規(guī)中計(jì)算風(fēng)振加速度的公式對(duì)于帶有塔樓的綜合性電視塔計(jì)算結(jié)果明顯偏小，可能的原因是公式中的參數(shù)ξ和v，按GBJ 9建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用，只是針對(duì)剛度和質(zhì)量分布均勻或者沿高度線性變換的結(jié)構(gòu)的，對(duì)于帶塔樓的電視塔結(jié)構(gòu)并不適用。因此，按照高鋼規(guī)的風(fēng)壓取值，按照高聳規(guī)范的計(jì)算方法，再次對(duì)電視塔的風(fēng)振舒適度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如下。基本風(fēng)壓按0.25 kN/m2計(jì)算，在脈動(dòng)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下，塔樓處的水平位移為0.156 8 m，基頻為0.927 6 rad/s，計(jì)算得風(fēng)振加速度為0.135 m/s2，滿足規(guī)范要求。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

本工程還通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)(高頻底座天平測(cè)力試驗(yàn))給出了塔樓處的風(fēng)振加速度，結(jié)果如下：1)取50年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載頻遇值，得到塔樓處的最大加速度為0.15 m/s2(阻尼比1.5%)；2)取10年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載，得到塔樓處的最大加速度為0.19 m/s2(阻尼比1.5%)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可知：1)電視塔結(jié)構(gòu)頂部桅桿段鞭梢效應(yīng)非常明顯，計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)必須要考慮高階振型的影響。高聳規(guī)范也明確指出，對(duì)于結(jié)構(gòu)外形或質(zhì)量有較大突變的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)振計(jì)算均應(yīng)按隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行。但是用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算風(fēng)荷載，在工程設(shè)計(jì)上有著很大難度，希望能盡快制定或修訂適用于這種結(jié)構(gòu)形式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)計(jì)算風(fēng)荷載。2)由鋼塔桅規(guī)范的風(fēng)荷載計(jì)算公式可知，當(dāng)其他條件一致時(shí)，不同風(fēng)壓下脈動(dòng)風(fēng)的值與風(fēng)壓成正比，所以塔樓處位移與風(fēng)壓成正比。由文獻(xiàn)[3]可知，由50年重現(xiàn)期風(fēng)壓換算到10年重現(xiàn)期風(fēng)壓，換算系數(shù)約為0.73。而風(fēng)荷載的頻遇值組合系數(shù)為0.4，相當(dāng)于將風(fēng)壓縮小至0.4倍。因此，按高聳規(guī)范計(jì)算時(shí)，10年重現(xiàn)期脈動(dòng)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)組合得到的加速度值要大于50年重現(xiàn)期脈動(dòng)風(fēng)頻遇組合得到的加速度值。設(shè)計(jì)時(shí)，建議按10年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載計(jì)算。3)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果間往往存在一定的誤差，經(jīng)分析，本次試驗(yàn)與設(shè)計(jì)值的差異，主要是由于計(jì)算方法及部分參數(shù)取值差異引起。但是風(fēng)洞試驗(yàn)仍然是高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)很好的驗(yàn)算手段，有條件的話建議做試驗(yàn)來(lái)校核和對(duì)比。

[1] 米曦亮.高聳電視塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[2] 陳 豐,金新陽(yáng).結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振加速度分析與計(jì)算[A].第十九屆全國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文[C].2006：671-678.

[3] 趙 洋,顏衛(wèi)亨,王振鋒.不同重現(xiàn)期風(fēng)壓轉(zhuǎn)換方法探討[J].工業(yè)建筑,2010(sup):725-728.

Calculation of steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort in engineering design

Liu Kun Fu Juhong Qiu Hui Zhu Yue Zhang Hai

(RadioFilmandTelevisionDesignandResearchInstitute(DRFT),Beijing100045,China)

Taking Suqian television launch tower as an example, applying different calculation methods, the paper calculates the steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort, compares the calculation results, and compares it with wind tunnel testing results, and finally finds out suitable calculation methods.

TV tower, wind-induced vibrating comfort, calculation, result

2015-01-20

劉 坤(1986- )，男，工程師； 付舉宏(1962- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)10-0027-02

TU391

A