風荷載計算軟件方法與規(guī)范方法進行比較

1、風荷載是空氣流動對工程結構所產生的壓力。風荷載也稱風的動壓力，是空氣流動對工程結構所產生的壓力。風荷載與基本風壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑 體型等諸因素有關。中國的地理位置和氣候條件造成的大風為：夏季東南沿海多臺風， 內陸多雷暴及雹線大風；冬季北部地區(qū)多寒潮大風。其中沿海地區(qū)的臺風往往是設計工 程結構的主要控制荷載。臺風造成的風災事故較多，影響范圍也較大。雷暴大風可能引 起小范圍內的風災事故。一建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012中所規(guī)定的順風向風荷載的 具體計算1順風向風荷載2012規(guī)范關于順風向風荷載的計算公式沒有形式上的變化，仍然采用平均風壓乘以風振系數的表達形 式。刻

2、于上要受力結構,風荷載標準自的計球公式微式0虱=PzNsNzco0 （1）其中：0k一風荷載標準值（kN/m2）；良一高度z處的風振系數；國一風荷載體型系數； 出一風壓高度變化系數； O0 基本風壓。如果不考慮結構在風荷載作用下的動力響應，則由平均風壓引起的靜荷載取決于體型系數、風壓高度 變化系數及基本風壓這三項因素，下面討論順風向作用下的靜荷載計算：1.1 基本風壓中國規(guī)定的基本風壓 W0以一般空曠平坦地面、離地面 10米高、風速時距為 10分鐘平均的最大風速為 標準，按結構類別考慮重現(xiàn)期 （一般結構重現(xiàn)期為 30年，高層建筑和高聳結構為50年，特別重要的結構為100年），統(tǒng)計得最大風速 v

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

4、風速的 穩(wěn)定部分作為取值標準。建筑設計中的取用：基本風壓應按建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012附錄E中附表E.5給出的全國各地區(qū)的風壓采用數值。對于高層建筑、高聳結構以及對風荷載比較敏感的其他結構，基本風壓應適當提 高，并應由有關的結構設計規(guī)范具體規(guī)定。當城市或建設地點的基本風壓值在本規(guī)范全國基本風壓圖上沒有給出時，基本風壓值可根據當地年最 大風速資料，按基本風壓定義，通過統(tǒng)計分析確定，分析時應考慮樣本數量的影響。當地沒有風速資料 時，可根據附近地區(qū)規(guī)定的基本風壓或長期資料，通過氣象和地形條件的對比分析確定；也可按本規(guī)范附 錄E中全國基本風壓分布圖近似確定。風荷載的組合值、頻遇值和準永久

5、值系數可分別取0.6、0.4和0。其中徐州地區(qū) 50年一遇的基本風壓為 0.35kN/m2。1.2 體型系數也稱空氣動力系數，它是風在工程結構表面形成的壓力（或吸力）與按來流風速算出的理論風壓的比 值。它反映出穩(wěn)定風壓在工程結構及建筑物表面上的分布，并隨建筑物形狀、尺度、圍護和屏蔽狀況以及 氣流方向等而異。對尺度很大的工程結構及建筑物，有可能并非全部迎風面同時承受最大風壓。對一個建筑物而言，從風載體型系數得到的反映是：迎風面為壓力；背風面及順風向的側面為吸力；頂面則隨坡角 大小可能為壓力或吸力。對于高度超過45m的矩形截面高層建筑需考慮深寬比D/B對背風面體型系數的影響。當平面深寬比D/B&l

6、t; 1.0時，背風面的體型系數由 -0.5增加到-0.6,矩形高層建筑的風力系數也由1.3增加到1.4。建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012表8.3.1中詳細分析了不同結構體型的風荷載體形系數。1.3風壓高度變化系數從某一高度的已知風壓（如高度為10米的基本風壓），推算另一任意高度風壓的系數。風壓高度變化系數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速廓線直接有關。設計工程結構時應在不同高度處取用對應高度的風壓值。對于平坦或稍有起伏的地形，風壓高度變化系數應根據地面粗糙度類別按照建筑結構荷載規(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速的粗糙

7、程度。風（氣流）在接近地面運動時，受到樹木、房屋等障礙物的摩擦影響，消耗了一部分動能，使風速逐漸降低。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)。對于山區(qū)的建筑物，風壓高度變化系數可按平坦地面的粗糙度類別，由表8.2.1確定外，還應考慮地形條件的修正，修正系數刀分別按下述規(guī)定采用：1對于山峰和山坡，修正系數應按下列規(guī)定確定：1）頂部B處的修正

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

9、4高度z處的風振系數建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012知，低于一般豎向懸臂型結構，例如高層建筑和構架、塔架、煙囪等高聳結構，均可僅 考慮結構第一振型的影響，結構的順風向風荷載按公式（1）計算確定。高度 z處的風振系數a可按下式計算:1=1 2gIi0Bz1 R2 、 3)式中：g峰值因子，可取 2.5;I10 10m高度名義湍流強度，對應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脈動風荷載的共振分量因子;Bz 脈動風荷載的背景分量因子。脈動風荷載的共振分量因子R可按下式計算:x12-(1 x12)4/3(4)30 門，、x1 = /, x1 >

10、;5 (5)，:fkw-，o式中：f1結構第1階自振頻率(Hz),kw 地面粗糙度修正系數，對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 結構阻尼比，對鋼結構可取0.01,對有填充墻的鋼結構房屋可取0.02,對其他結構可根據工程經驗確定。脈動風荷載的背景分量因子可按下列規(guī)定確定：1對體型和質量沿高度均勻分布的高層建筑和高聳結構，可按下式計算：Bz=kHa1PxFz9 (6)z式中：©一一結構第1階振型系數；H 結構總高度(m),對A、B、C和D類地面粗糙度，H的取值分別不應大于300m、350m、450m 和 550m；Px 脈動風荷載水平方

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

12、可按下式計算：-10 B 50e -H/60 -50Px = （ 8）B式中：B 結構迎風面寬度（ m） , B2H。對于迎風面寬度較小的高聳結構，水平方向相關系數可取為1 o二建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012中所規(guī)定的橫風向風荷載的矩形平面結構的橫風向風振按2012規(guī)范8.5.1條，“對于橫風向風振作用效應明顯的高層建筑以及細長圓形截面構筑物，宜考慮橫 風向風振的影響。”由于判斷是否需要考慮橫風向風振的影響比較復雜，涉及建筑的高度、高寬比、結構 自振頻率及阻尼比等因素，因此條文說明中給出“建筑物高度超過150m或高寬比大于 5的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風向效應”這一條件。橫風向風振

13、的荷載可以通過風洞試驗獲得，也可以通過計算獲得，2012規(guī)范在附錄中給出規(guī)則結構的計算方法。有關風洞試驗的數據可以通過文件的形式接入PKPM的計算，這里主要討論規(guī)范附錄中提供的計算方法。2 . 1 基本計算公式根據規(guī)范，對矩形截面高層建筑橫風向風振等效風荷載標準值計算公式整理如下：Wlk = gW0 邑 zClHR3（9）式中：Wlk 橫風向風振等效風荷載標準值（kN / m 2 ）;一'Cl 橫風向風力系數；Rl橫風向共振因子；1.1 峰值因子，可取 2.5;W0基本風壓；z 風壓高度變化系數。橫風向風振等效荷載主要受高寬比、深寬比、扭轉周期、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1.2 振型對風荷載作用效果的影響（以 上海電視塔結構為例）試驗將時將上海電視塔結構抽象為16個質點，通過計算和分析，可以得到如下結論：高振型的影響?，F(xiàn)以頂點、觀光塔和上塔樓的水平風振位移進行分析。現(xiàn)假設第一振型風振力作用下上述三點的水平風振位移為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高振型對水平位移的影響振型頂點(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優(yōu)勢，除第二振型在頂部附近有影響外，觀光塔以下各點高振型的影響很小。所以在計算一般高層建筑風荷載時，對順風向響應只需考慮第一振型的影響。與規(guī)范計算方法相符。1.3 風荷載計算軟件方法與規(guī)范方法進行比較（以 深圳中國海洋石油大廈 為例）要圖不要表深圳中國海洋石油大廈地上共50層，高175.10m,鋼筋混凝土筒體結構體系，五個標準層，結構體型是不規(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。該大廈進行了剛性模型風洞試驗，試驗模型比例為1:50, C類地面粗糙度

16、類別，風洞試驗所得y方向各段（標準層，由上至下）的風載平均體型系數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)范方法進行比較。兩種方法均取試驗值的體型系數，但軟件方法選取實際振型，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分別繪出了風壓、風剪力、風彎矩沿高度 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。軟件計算結果基本能夠滿足規(guī)范要求。圖1-3中規(guī)范方法風壓沿高度有幾處突變，這完全是由采用試驗值的各段體型系數變化引起的。1.4 風荷載計算軟件方法與試驗進行比較（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。金茂大廈結構設計主要由風荷載控制，加拿大西安大略大學對金茂大廈進行 了詳細的風洞試驗研究。風洞試驗選取3個有代表性的高度處數值模擬結果進行比較，高度分別為H=67m, 145m, 286m。比較了 3個高度上平均壓力系數的比較結果，風洞試驗和數值模擬的風向都為90 °

18、。平均風壓系數的定義為Cp = p2,其中p為測點上的風壓值，UH為H=365m高度處的來流風速，P為空氣密度。0.5 P： h由圖比較可以看出，F(xiàn)ENSAP計算的平均風壓系數與風洞試驗結果總體上很吻合，少數鈍體邊角處的測點差別稍大一些，但誤差也基本上在25%以內，從工程應用角度來說，是可以接受的。結果表明，建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012中規(guī)定的風荷載計算方法與實際的風荷載基本相符。四風荷載影響因素的驗證風荷載與基本風壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關。下面我們將利用規(guī)范中的公式來驗證各因素對風荷載的影響。徐州某高層建筑剪力墻2構，上部結構為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2一遇的基本風壓為 0。=0.35kN/m （規(guī)范監(jiān)i錄 E）,建筑場地位置大城市郊區(qū)。為簡化計算，將建筑物沿高度劃分為12個區(qū)段，每個區(qū)段為10m,近似取其中點位置的風荷載作為該區(qū)段的平均值利用公式 與父=隹內也80 ,根據建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012中的規(guī)定確定各個參數的取值。重點采用控制變量法討論高度以及地面粗糙程度對風荷載的影響。計算流程如下：計算結構基本自振周期確定風荷載體型系數、風壓高度變化系數以及高度z處的風振系數等參數根據公式計算風荷載標準值以及合力j計算結果如表4-1、4-2 o表4-1風荷載標準值隨高度以及地面粗糙程度變化的計算結果風荷載標準值Wk計算荷載作用中心點距 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