对于普通的建筑结构,风振系数可按《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)式(8.4.3)计算;
对平面形状或立面形状复杂,立面开洞或连体建筑的风振系数可按风洞试验确定。时域法的步骤是:
(1)通过风洞试验或模拟获得结构表面风压时程,利用有限元软件对结构进行建模,将风压荷载力时程Fi作用在表面节点上:
式中,
为表面i节点处的风压系数时程,
为风流的参考风压,
为节点i位置所对应的表面面积。
(2)进行时程计算分析,可得结构各个节点的位移时程响应,结构风振系数计算公式为:β=Ra/Rd(1.3-2)
式中,Rd为平均风产生的静位移,Ra为风荷载作用下结构的总响应。
(1)基本周期
计算风荷载时输入的结构基本周期需根据结构特征值计算的实际周期取值,否则会影响风计算结果的准确性。
以14层框架结构为例,计算风荷载时软件默认的结构基本周期为0.2s,实际结构的基本周期为0.7s。基本周期按0.2s输入得到的X向剪力3524kN,基本周期按0.7s输入得到的X向剪力3689kN,剪力偏小4.5%,导致结构偏于不安全。
(2)地震组合
YJK软件缺省设置的参数是风荷载不参与地震组合,对于高度大于60m建筑,应勾选风荷载参与地震组合,否则会导致结构偏于不安全。
(3)局部风控构件
对于风控的建筑结构,风荷载的增加或减少对结构构件的承载力影响较大,比如斜屋面、屋顶构架层、顶部广告牌等需考虑风荷载对结构的影响。
(4)山地建筑的风压高度变化系数取值
根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)第8.2.2条,山地建筑应考虑地形条件的修正,对于山峰和山坡,修正系数应按式8.2.2计算;对于山间盆地,谷地等闭塞地形,修正系数可在0.75~0.85选取;对于与风向一致的谷口,山口,修正系数可在1.20~1.50选取。
(5)风压取值
在某些地区,不同规范给出的基本风压会不一致。比如不同规范对广州南沙的基本风压规定见表2-1。从表2-1可知,不同规范确定的广州南沙的基本风压相差较大,但从风压分布图看南沙的基本风压在0.6kN/㎡与0.65kN/㎡之间,综合判断认为对于普通的多层结构基本风压可取0.6kN/㎡,对于高层结构基本风压可取0.65kN/㎡。因此当地方标准的基本风压高于国家标准的基本风压时,宜按地方标准的基本风压执行。
表2-1广州南沙的基本风压
(6)规范风荷载与风洞试验风荷载对比分析(略)
可参考《高层建筑结构计算分析实用指南》。
(7)结构阻尼比
风振舒适度评价中的阻尼比取值是风振下结构舒适度评价的关键问题之一。结构阻尼比的一般变化规律有:
1)结构基本周期长时,阻尼比较小;
2)随着建筑高度的增加,结构阻尼比减小;
3)填充墙少的结构的阻尼比小于填充墙多的结构的阻尼比;
4)建筑结构短方向阻尼比小于长方向的阻尼比;
5)小振幅时的阻尼比小于大振幅时的阻尼比;
6)小应力水平下的阻尼比小于大应力水平下的阻尼比。
风振舒适度问题涉及的结构一般是高度高,基本周期长,而且风作用下振幅小、应力水平也比较低,因此风振舒适度评价时所采用的阻尼比远小于常规结构强度计算时采用的阻尼比。图21为某高层结构采用不同阻尼比计算的楼层剪力,由图可知,阻尼比越大,楼层剪力越小,当阻尼比增大一倍时,楼层剪力减小约6%。
(8)地面粗糙度对结构变形的影响
地面粗糙度是描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级,地面粗糙度对结构整形性能影响很大,图22为不同地面粗糙度类别的层间位移角,从图可知,地面粗糙度越大,层间位移角越小,B级粗糙度比A级粗糙度变形小约10%,C级粗糙度比B级粗糙度变形小约20%,D级粗糙度比C级粗糙度变形小约25%。
(9)连梁刚度折减问题
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第5.2.1条文说明,“仅在计算地震作用效应时可以对连梁刚度进行折减,对如重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度折减。有地震作用效应组合工况,均可按考虑连梁刚度折减后计算的地震作用效应参与组合”。
相对于地震作用来说,风力作用持续时间较长,往往达几十分钟,甚至几个小时,因此不能要求连梁通过塑性变形将内力转移到其他尚未屈服的构件上。结构计算时刚度折减愈多,就意味着风荷载作用下裂缝可开展得愈大,如发生强大阵风时,连梁塑性铰会过早出现,原结构的联肢墙刚度出现较大削弱,甚至成为各个独立的单肢墙受力。在长时间的风荷作用下,这无疑对建筑结构安全是很不利的。故而为了避免连梁在风荷载作用下裂缝开展过早过大,刚度折减系数应取较大值。
根据各种不同荷载作用下取不同刚度折减系数的方法,在地震荷载作用下,连梁刚度折减系数可取0.5~0.8;在风荷载作用下,折减系数可取0.80~1.0;在竖向荷载作用下,折减系数取1.0(即不折减)。
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知识点:风振系数
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