中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：風(fēng)荷載是高層建筑的主要側(cè)向荷載之一，鑒于越來越多的國外工程設(shè)計的要求，了解并掌握國際常用規(guī)范中風(fēng)荷載的計算分析相關(guān)規(guī)定非常重要。結(jié)合超高層混合結(jié)構(gòu)科威特中央銀行總部大樓的實際工程，對美國規(guī)范風(fēng)荷載的相關(guān)規(guī)定及本工程的風(fēng)洞試驗進(jìn)行了介紹和研究，以期對類似工程的風(fēng)荷載分析有一定的參照作用。
關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；風(fēng)洞試驗；超高層建筑
風(fēng)荷載是高層建筑特別是超高層建筑的主要側(cè)向荷載之一。高層建筑在風(fēng)荷載作用下遭到破壞的工程事故在近代中外都曾出現(xiàn)過，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析是高層建筑設(shè)計計算的一個非常重要的環(huán)節(jié)?？仆刂醒脬y行的新總部大樓(Central Bank of Kuwait New Headquarters Building，簡稱CBK)為非規(guī)則鋼筋混凝土筒體與外側(cè)鋼框架的超高層混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計采用美國規(guī)范，因而需要了解并掌握美國規(guī)范風(fēng)荷載分析的相關(guān)規(guī)定，另外對于這種體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，既有規(guī)范很難確定建筑表面的風(fēng)壓分布具體數(shù)值，可以借助風(fēng)洞試驗來比較客觀真實的確定。
1 風(fēng)荷載基本參數(shù)
當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運動遇到建筑物時，將對建筑物產(chǎn)生壓力，形成風(fēng)壓。風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系可以通過伯努利方程表示。風(fēng)壓值因高度、地貌、平均風(fēng)速的時距、最大風(fēng)速的樣本時間以及基本風(fēng)速的重現(xiàn)期等影響因素的不同而取值不同[1,2]，各國規(guī)范在考慮這幾個影響因素的的規(guī)定時不盡相同。
例如，風(fēng)速隨時間不斷變化，因此如何取值對抗風(fēng)分析很有影響，通常取一個規(guī)定時間內(nèi)（稱為時距）的平均風(fēng)速作為計算的標(biāo)準(zhǔn)。顯然對于工程設(shè)計來說最大風(fēng)速值與時距的大小有關(guān)。而當(dāng)前世界各國所采用的平均時距標(biāo)準(zhǔn)并不一致，中國時距取10min，前蘇聯(lián)取2min，英國根據(jù)建筑物或構(gòu)件的尺寸不同分別取3s、5s和15s，日本取瞬時，美國以風(fēng)程1英里作為確定平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于對不同風(fēng)速取不同的平均時距。因而各國基本風(fēng)壓值的標(biāo)準(zhǔn)也有差別。
圖1 科威特中央銀行新總部大樓(超高層建筑的風(fēng)荷載)
為了抗風(fēng)設(shè)計及計算，必須規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)壓，在指定的地貌、高度、時距等確定的風(fēng)壓稱為基本風(fēng)壓，它是抗風(fēng)設(shè)計與計算中的基本參數(shù)。在實際工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計與計算時，需要考慮非標(biāo)準(zhǔn)條件情況，此種條件下的的風(fēng)壓可以根據(jù)一定的換算關(guān)系由標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓來換算。
2 風(fēng)荷載計算
對于主要承重結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的表達(dá)可有兩種形式，其一為平均風(fēng)壓加上由脈動風(fēng)引起導(dǎo)致結(jié)構(gòu)風(fēng)振的等效風(fēng)壓；另一種為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。由于在結(jié)構(gòu)的風(fēng)振計算中，通常來說是第一振型起主要作用，因而我國與大多數(shù)國家相同，采用后一種表達(dá)形式，即采用風(fēng)振系數(shù)來綜合考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)[3]。
美國規(guī)范風(fēng)荷載也包括主要抗風(fēng)系統(tǒng)和構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分。主要抗風(fēng)系統(tǒng)是指用來支承次要構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合，該系統(tǒng)主要承受來自相應(yīng)間接位置的風(fēng)荷載，如剛性框架及撐系框架、空間桁架、樓面及屋面板、剪力墻、桿系支撐框架等[4]。
我國荷載規(guī)范中規(guī)定的主要承重結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式為：
美國UBC97規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載設(shè)計值的計算公式為：
美國ASCE 7-05規(guī)范中規(guī)定的主要抗風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)荷載設(shè)計值（方法一）的計算公式為：
上述公式中 和 均為體型系數(shù)，兩者相同； 與 均為高度變化的陣風(fēng)影響系數(shù)，兩者的數(shù)值有所不同； 、 以及 為基本風(fēng)壓，均根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速確定，風(fēng)速取值標(biāo)準(zhǔn)不同； 及 均為建筑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； 是考慮建筑物的不同高度及不同地貌的調(diào)整系數(shù)； 是地形影響系數(shù)。
除了主要承重結(jié)構(gòu)，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，中國規(guī)范中指出，由于其剛性一般較大，在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中可以不必考慮其振動分量，此時可僅僅在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因素，原則上可以通過局部風(fēng)壓體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)來計算風(fēng)荷載。對于房屋中直接承受風(fēng)壓的幕墻構(gòu)件，按傳統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗，風(fēng)荷載都是考慮脈動響應(yīng)，應(yīng)按照規(guī)范規(guī)定采用相應(yīng)的陣風(fēng)系數(shù)，對非直接承受風(fēng)壓的幕墻構(gòu)件，陣風(fēng)系數(shù)可以適當(dāng)降低。對于其他的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，出于傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，風(fēng)荷載可以僅僅通過局部風(fēng)壓體型系數(shù)予以增大而不用考慮陣風(fēng)系數(shù)。在美國規(guī)范中，構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分的風(fēng)荷載的設(shè)計值的計算公式與主要抗風(fēng)系統(tǒng)的類似，僅僅在各個參數(shù)的取值上有所不同。
美國Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures規(guī)范中規(guī)定的主要抗風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)荷載設(shè)計值（方法二）的計算公式如下。
1）對于剛性結(jié)構(gòu)
2）對于柔性結(jié)構(gòu)
其中的 及 為速度風(fēng)壓， 及 為陣風(fēng)系數(shù)，而 及 分別為外部壓力系數(shù)和內(nèi)部壓力系數(shù)。
中國GB5009-2001是根據(jù)比較空曠平坦的地面上10m高的50年一遇10min內(nèi)的最大風(fēng)速；而UBC97是根據(jù)比較空曠平坦的地面上10m高的50年一遇的最大風(fēng)速(相當(dāng)于3s平均風(fēng)速)；兩者差值反映在風(fēng)壓上，UBC97取值約比中國大1.5倍。美國規(guī)范基本風(fēng)速取3s時距，比中國小，風(fēng)速取值要比中國規(guī)范大，但是不能由此推斷美國規(guī)范抗風(fēng)計算結(jié)果一定比中國大，因為討論效應(yīng)要由風(fēng)荷載總效應(yīng)來對比，它取決于各個參數(shù)的綜合貢獻(xiàn)，不能由一個系數(shù)來評述。按我國規(guī)范計算結(jié)果，比美國規(guī)范計算結(jié)果小一些或大一些，都不能說明我國規(guī)范偏于不安全或偏于保守，而是按我國結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)要求而確定。當(dāng)采用美國UBC97配套設(shè)計時，根據(jù)當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓必須按照UBC97的取值標(biāo)準(zhǔn)提供。不同國家風(fēng)荷載的計算可以有不同的結(jié)果，決定于適于每個國家自己的國情的安全度標(biāo)準(zhǔn)，以及長期以來的工程實踐。
CBK工程項目中，基本風(fēng)速按90mph(即144km/h)，按照美國規(guī)范Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures的相關(guān)章節(jié)查出場地類別、重要性系數(shù)、地形影響系數(shù)等等參數(shù)，再根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)的特性結(jié)合美國規(guī)范的具體條文規(guī)定計算得出陣風(fēng)系數(shù)0.88，在Etabs軟件中按照每隔15o自動定義了一個風(fēng)荷載工況，共考慮72個風(fēng)荷載工況。
3 風(fēng)洞試驗
結(jié)構(gòu)體型對風(fēng)荷載有重要影響，確定風(fēng)荷載的最精確的觀測是建立在原型結(jié)構(gòu)上的。為了得到更一般的結(jié)論，必須研究所有重要參數(shù)的影響，然而這在實踐中是不可能的。因此，確定風(fēng)荷載的最適當(dāng)?shù)姆椒ň褪沁M(jìn)行結(jié)構(gòu)模型風(fēng)洞試驗。 對建筑物模型進(jìn)行風(fēng)載荷試驗，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法和規(guī)范，大型建筑物如大橋、電視塔以及高層建筑群等，規(guī)定必須要進(jìn)行風(fēng)洞試驗，而且模型必須模擬實物的剛度(即彈性模型)，測量風(fēng)振特性。
風(fēng)洞，是指在一個管道內(nèi)，用動力設(shè)備驅(qū)動一股速度可控的氣流，用以對模型進(jìn)行空氣動力實驗的一種設(shè)備。風(fēng)洞實驗的基本原理是相對性原理和相似性原理。一般來說高層建筑的迎風(fēng)面積比較大，如果要做到實際尺寸的模型來進(jìn)行風(fēng)洞試驗，其動力消耗將是驚人的。根據(jù)相似性原理，可以將高層建筑做成幾何相似的小尺度模型。
CBK工程項目地處中東海灣地區(qū)，地上40層地下2層（不包括夾層部分），整個結(jié)構(gòu)由底部的L形逐漸向三角形過渡，結(jié)構(gòu)建筑標(biāo)高為238.475m，其外觀如圖1所示。該建筑兩直角邊為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，斜邊采用逐漸內(nèi)收的交叉鋼管混凝土斜柱形成斜面，斜柱通過短梁與樓層邊梁的腹板連接。
工程設(shè)計階段，悉尼大學(xué)風(fēng)洞試驗中心對整體塔樓做了1:500的縮尺風(fēng)洞試驗，風(fēng)洞試驗報告給出了NE-SW及SE-NW方向的最大彎矩、加速度和變形，并根據(jù)45o、270o、315o風(fēng)向作用，給出了名義分配彎矩、剪力和總分配彎矩、剪力，按照設(shè)計時各風(fēng)向角對應(yīng)的剪力、彎矩組合系數(shù)定義了6個風(fēng)荷載工況。
為了進(jìn)行對照，同時又委托了英國BMT公司根據(jù)塔樓模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，兩家單位的風(fēng)洞試驗分別獨立進(jìn)行。BMT風(fēng)洞試驗報告給出了320o、240o、330o、120o、310o、270o、0o、100o、260o共9種最不利風(fēng)荷載工況下的各樓層剪力及扭矩，并給出了風(fēng)荷載的作用中心，方便在Etabs軟件中自動定義風(fēng)荷載。除了結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載外，還考慮了幕墻表面風(fēng)荷載，作為幕墻設(shè)計依據(jù)。風(fēng)洞試驗的示意圖片見圖2，風(fēng)洞試驗的部分風(fēng)壓分布圖見圖3。
圖2 科威特中央銀行新總部大樓風(fēng)洞試驗示意(超高層建筑的風(fēng)荷載)
經(jīng)比較，英國BMT公司提供的風(fēng)荷載值最大比初步設(shè)計時悉尼大學(xué)風(fēng)洞試驗中心給出的風(fēng)荷載值大，這是由于在結(jié)構(gòu)初步方案時所估計的質(zhì)量較實際工程小所造成的。實際工程設(shè)計時按照Etabs自動生成的風(fēng)荷載組合和BMT公司提供的風(fēng)荷載共同進(jìn)行設(shè)計。
圖3 不同工況（1秒和3秒陣風(fēng)）下結(jié)構(gòu)的外表面風(fēng)壓分布云圖(超高層建筑的風(fēng)荷載)
4 結(jié)語
CBK工程項目設(shè)計采用美國規(guī)范，而美國規(guī)范中風(fēng)荷載分析的相關(guān)規(guī)定與其它國家規(guī)范相比有不同之處，本文對比分析了中國與美國規(guī)范在風(fēng)荷載參數(shù)取值以及計算方面的異同，能為類似工程風(fēng)荷載分析計算提供一點參考。
該工程為非規(guī)則鋼筋混凝土筒體與外側(cè)鋼框架的超高層混合結(jié)構(gòu)，對于這種體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，既有規(guī)范很難確定建筑表面的風(fēng)壓分布具體數(shù)值，可以借助風(fēng)洞試驗來比較客觀真實的確定。
參考文獻(xiàn)
[1] 張相庭編著，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程 理論•規(guī)范•實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006
[2] 張相庭編著，高層建筑抗風(fēng)抗震設(shè)計計算[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997
[3] GB5009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006
[4] ASCE 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].美國：American Society of Civil Engineers ，2006
（上海寶冶集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司，上海201908）
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