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建筑结构风荷载设计与计算

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摘要:
随着风力发电的兴起,风力荷载受到更多的关注。风是典型的、随机的动荷载与作用,是建筑结构设计中必然考虑的因素。本文讲解风荷载中常见的几个概念。
 
设计主导风向
 
风的方向也是复杂多变的,随机性的。
 
在风荷载的测算与表达过程中,通常以风玫瑰图表示风向的分布规律--表示某一地区的全年冬季、夏季的风向的分布状况。图中虚线表示该地区冬季风向的分布规律,可以看出,西北风为主导风向;实线表示该地区夏季风向的分布规律,可以看出,东南风为主导风向。
风向
在设计中,以标准风荷载--基本风压与风玫瑰图的主导风向为该地区的设计标准。
 
基本风压
 
基本风压是指某一地区,风力在迎风表面产生作用的标准值,是某一地区风荷载的基本参数。
 
我国规范对某一地区的基本风压按以下标准确定:选择平坦空旷的,能反映本地区较大范围内的气象特点,并避免局部地形和环境影响的地面区域,在距地面10米高处,年最大风速发生时10分钟内的风速平均值所形成的,并考虑该风速的历史重现期(30年为标准期限)而确定的迎风面风力作用。
 
分别以30年和50年为风力重现期,所测得的风力统计结果,其保证率(可靠度)为96.7%和98%。
 
基本风压表示的是一个地区风力的基本状态,是在诸多限制条件下测算出来的,在实际工程中,建筑物的具体位置的具体风压,需要经过相应的调整才能得到。
 
形体与风的作用
 
通常情况下,物体的迎风面受到风产生的压力作用,这种压力作用会随着风的级别(风的速度)的不同而不同,但对于复杂的建筑形体,对于建筑物的其他表面,风不仅仅产生类似迎风面的压力。同时由于风向的变化,建筑物各个表面所受到的作用的差异度也极为巨大。
风压力作用
建筑形体与风的作用
 
建筑物所采用的平面与剖面形体,与其各个外表面所受风的作用有密切关系:迎风面风力为压力,所受风作用强烈;侧风面随着与风的夹角的变化,风力逐渐有压力转变为吸力;背风面表现为吸力。
 
矩形、圆形、三角形等不同的平面形状的建筑物,各个侧面所受的风力作用差异很大。一般来说,圆形、六边形、Y型、十字形、三角形平面所受风力作用小于矩形,矩形平面建筑物做切角处理后,风力作用会降低。
 
建筑物表面的粗糙程度也影响着所受风力作用的大小,表面粗糙会也加大风力的作用。
 
高度与风的作用
 
随着风力测试点的高度增加,所受风力作用也随之加大,这是因为在高空处没有风的阻挡物,形成风速较大而造成的。
风力测试
高层建筑所面临的风力作用明显高于普通建筑物,其侧面的风力分布规律体现出风力与高度的直接相关关系。因此许多高层建筑采用在高处缩减截面,以减小风的作用效果。
 
对于平坦或稍有起伏的地形,风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别来确定。
 
地面粗糙度可分为A,B,C,D四类:
 
A类:指近海海面和海岛,海岸,湖岸及沙漠地区;
B类:指田野,乡村,丛林,丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
C类:指有密集建筑群的城市市区;
D类:指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
 
风的振动效应
 
风是随机出现的,除了平均风,阵风对于建筑物的影响也不能忽视。阵风会产生强烈的风阵效应,并且具有极大的不稳定性,该图记录的是某高耸塔桅结构的顶部在风的作用下所产生的运动轨迹,可以看出其轨迹是极不规律的。
运动轨迹
阵风会产生顺风的振动效应与侧风的振动效应,尤其对于高耸的细长建筑,侧风振动效应较大。
 
风荷载计算公式
 
综合各种因素,我国规范采用以下计算公式表达建筑物特定区域的风荷载基本设计指标:
 
ωk=βzμsμzω0
 
ωk:风荷载标准值
βz:高度Z处的风振系数
μs:建筑物对于风荷载的形体系数
μz:风荷载的高度变化系数
ω0:建筑物所在地区的基本风压
 
对于具体建筑物,多按层间划分风荷载高度分布段落并选择高度系数与风振系数,按照主导风向设定建筑物与风的受力方向关系,按所处的不同侧面确定风的形体系数,从而计算出建筑物各个侧面各个高度区间的风荷载标准值,再根据相关的传力路径折算风荷载与主体结构的相关关系与量值。
 
城市中心区高层建筑综合风效应
 
在城市中心区,建筑密度大,因而从常规理解,地面粗糙度大,风速减缓。实际设计中也采用此概念,城市风速考虑地面粗糙效应而使风力折减。这个概念仅在城市多为多层建筑或高层建筑不多、分布不密集时是正确的。
 
随着城市中心区高层建筑大量增加、高度加大(多数在百米以上)、密度也随之加大。据统计,城市中央商务区(CBD)的高层建筑间距多数小于30米。
 
在这种情况下,高层建筑物对于地表气流穿过形成阻挡,宏观上会减小风的速度,降低风力作用;但在局部会由于过风面积狭小,形成风力急剧增加,而且这种风力增加是不确定的。北京中心高层建筑密集区曾出现的,高达10级的顺时阵风,这在华北地区在常规意义上是不可想象的。
建筑对风的阻挡与加速
城市风是十分复杂的现象,带有很大的不确定性,随着建筑物的不同而不同。某一特定区域的城市阵风在建筑物建成前后是截然不同的,既当某一建筑物尚没有建设完成时,是难以预见到其建成后的所面对的区域风的,原有的风的计算模式是不适用的。
 
因此现在西方国家已经开始对于城市中心商务高层建筑区域进行特征风的研究,并采用航空技术,以风洞试验的方式对于区域模拟规划进行调整,并以相关法律的方式确定各种建筑的规划与设计的相关关系。
 
风力的作用是复杂的,虽不至于产生恶劣的结果,但也应引起关注。现代建筑抗风设计,需要考虑以上多种因素的共同影响,确定建筑物所受侧向风荷载的大小与分布状况。
 
在高层建筑的施工过程中,尤其要注意塔吊、脚手架等施工过程的抗风设计;在使用过程中要尤其注意建筑物附加的广告牌、灯箱、旗杆的设计与安装。

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