【结构咖】结构设计杂谈—风荷载计算中的是是非非

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本期推荐作者 作者 | 鲲鹏 自媒体人 本文来源于其微信公众号“JIE构生活” 城市建筑越做越高,尤其是一线城市。在过去的一年,我们所接触的住宅、公寓、办公楼,几乎没有低于150m的。粗略来讲,结构高度提高,周期变长,地震力减小(想想地震反应谱);但是,结构迎风面增加,风载加大,如果结构高宽比较大的话,结构横风向风振效应显著增大。此消彼长,超高层建筑基本以风控为主。

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本期推荐作者


作者 | 鲲鹏

自媒体人

本文来源于其微信公众号“JIE构生活”


城市建筑越做越高,尤其是一线城市。在过去的一年,我们所接触的住宅、公寓、办公楼,几乎没有低于150m的。粗略来讲,结构高度提高,周期变长,地震力减小(想想地震反应谱);但是,结构迎风面增加,风载加大,如果结构高宽比较大的话,结构横风向风振效应显著增大。此消彼长,超高层建筑基本以风控为主。


基于本人的感受,我们工程师普遍对风载的认识要浅于对地震的认识,这当然不是一件好事。这篇文章就以工程师的角度,结合自身实践,谈谈本人对“风荷载”的一些浅薄认识。


横风向风振效应


《荷规》规定,“建筑高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑、高度超过30m且高宽比大于4的细长圆形构筑物,应考虑横风向风振的影响”。但规范对横风向风振的计算,往往偏大。


我们曾对比过几栋超高层塔楼,塔楼高宽比基本在7.0及以上,核心筒高宽比在20.0及以上,主要结论是:1)在顺风向,风洞实验结果与规范差别不大;2)在横风向,风洞实验结果比规范小15%~20%(以最大层间位移角指标为准)。


到目前为止,不少专家普遍认为规范计算的结构横风向效应偏大,但究竟偏大多少,由于项目经验不同,众说纷坛,但基本接受10%~15%的区间值。像Arup、TT这样的国际咨询公司,给出的经验值也处于这个区间。


地面粗糙度


在做设计时,我们其实很少细究场地粗糙度,一般按经验取一个大家都认可、偏保守的粗糙度类别。但如果大家对粗糙度取值有异议,无法统一,该怎么办呢?规范对粗糙度的判别方法,其实是有说明的。《荷规》8.2.1条条文说明:

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以上统计方法并不复杂,经过一些合理简化,可以比较容易地确定平均高度。操作的难点是拿到拟建房屋2kM范围内的房屋数据。但如果偏保守计算,也可以仅取1km范围的房屋数据,统计总面积时,仍按2kM计算即可。我们曾算过一个距海边873m的一个项目场地,计算结论是,加权高度为6.7m,粗糙度可以按B类。


除了国标,《广东省荷载规范》也提供了粗糙度的计算方法。

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广东省荷规不是以加权高度来划分粗糙度,而是以平面建筑密度和10层以上高层建筑平面面积占总建筑面积比值这两个指标进行划分。其中,B类粗糙度被描述为“有少量稀疏房屋高度到达10m的区域:平面建筑密度小于15%”。这条没有为建筑密度规定下限,其实是一个很大的BUG。根据字面意思,平面建筑密度无穷小,只要有几栋(甚至1栋)超过10m的建筑,粗糙度就可以划分为B类?这与逻辑不符。同样地,国标对B类的定义也有问题,应该给出一个下限值。


风洞实验


刚性模型风洞实验

根据本人目前的理解,我们现在拿到的很多超高层建筑结构风洞实验报告,基本采用刚性模型来测试。即在刚性模型表面密布气孔,采用一定风速施加在模拟场地,然后测量统计各气孔承担的风压力。刚性模型的测试方法并不和结构的动力特性耦合,所以,结构外形不变,仅是动力特性发生变化,并不需要重复做风洞实验,仅需简单的数值换算即可(某次超限会上,专家提到的,具体原理,有待进一步考证)。与刚性模型实验相对,气动弹性模型实验就要复杂得多,但其可以较真实地考虑结构与风的相互作用。


相似比

在风时程分析时,我们通常采用风洞实验的时程数据。有时需要注意对时程的时间步长进行换算,换算依据即是相似比。对不熟悉此原理的结构工程师,换算过程很容易出错。以下我们提供一个自己的算例,以帮助大家理解整个过程。


假定风洞试验的几何缩尺1/400,基本风压为=0.45 kN/m2,场地类型为A类时,10 m高度处风压高度变化系数=1.283,修正风压为=0.577 kN/m2,风速=30.38m/s,顶点位置风速为=45.34 m/s。风洞试验中塔楼顶部最高处A类边界层验风速为10.09m/s,即风速缩尺=1/4.5,风压测量采样频率为313Hz,采样时间步长为0.00319s,则时程分析中风时程时间步长为0.283s.


敏感系数与重现期


《高规》4.2.2条规定,“对风荷载比较敏感的高层建筑,承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用”。“对风荷载是否敏感,主要与高层建筑的体型、结构体系和自振特性有关,目前尚无实用的划分标准。一般情况下,对于房屋高度大于60m的高层建筑,承载力设计时风荷载计算可按基本风压的1.1倍采用”。从这条来看,敏感系数是针对高层建筑的,且主要是和房屋高度有关。《高规》的这条规定简洁明了,具有很好的操作性。


与此相对,《荷规》就比较含糊。《荷规》提到,“除超高层,自重较轻的钢木主体结构,也应该考虑敏感系数”。如何提高呢?“适当考虑提高风载重现期来确定基本风压”。按提高重现期的方法考虑敏感系数,很容易和《高规》产生出入。比如,深圳地区,如果按100年的重现期考虑基本风压,应为0.90kPa,但如果是考虑1.1的系数,则为1.1X0.75=0.825kPa。


我们看到一些报告,写的是房屋高度超过60m,结构对风荷载敏感,按100年的重现期考虑基本风压,但给出的数却是0.825kPa,这就有问题了,起码和规范对不上。


再来解释一下这个1.1是怎么来的。张相庭在《结构风工程理论·规范·实践》一书中曾给出不同重现期风压的换算公式,如按此公式,相对50年重现期的基本风压,100年重现期的放大系数确实为1.1。只是规范在编排过程中,有些调整罢了,即如此,应以规范为准。


基本风压、风速、风级


有些建筑师、业主会问我们结构工程师,我们设计的这个楼,可以抵抗几级风?我们不少的工程师竟然答不出来。其实这个问题比问我们“某某楼可以抵抗几级地震”更容易解释。那为什么答不出来呢?因为不少人只有基本风压的概念,而没有风速的概念。流体力学中的伯努利公式可以描述基本风压与风速之间的关系,标准空气密度ρ=1.25kg/m³,以深圳为例,50年一遇基本风压0.75kPa,对应的=40=34.64m/s,100年一遇基本风压0.90kPa,对应的=37.94m/s。根据国家标准《热带气旋等级》(GBT19201-2006):


热带低压(TD):最大风速为10.8~17.1米/秒,底层中心附近最大风力6-7级;

热带风暴(TS):最大风速为17.2~24.4米/秒,风力8-9级;

强热带风暴(STS):最大风速为24.5~32.6米/秒,风力10-11级;

台风(TY):最大风速为32.7~41.4米/秒,风力12-13级;

强台风(STY):最大风速为41.5~50.9米/秒,风力14-15级;

超强台风(Super TY):最大风速为51.0以上米/秒,风力16级或以上。


35m/s(对应0.75kPa)的风速相当于台风级别,风力大概在12~13级。看起来好像还不够大,因为我们经历过的超强台风风速都是在50m/s以上,但别忘了,气象预报给出的最大风速和我们规范中统计的最大风速是不同的。气象站测量的风速,“是以正点前2min至正点内的平均风速作为该正点的风速”。而《荷载规范》是以“离地10m高,10min内的平均风速作为统计风速”。如果按《荷载规范》的方法换算,气象预报的50m/s风速是要小于50m/s的。参考最早的《浦福风力等级表》,空旷平地上标准高度10m处的风速为32.7~36.9m/s,即是最高级别12级,被描述为“海上引起14m高的巨浪,陆上绝少见,摧毁力极大”。我们可以想象一下,这是什么样的风力。


结论是,按规范风荷载反算的风速及风级,事实上比想象中大。我们极少听到按规范设计的主体结构,在台风中被刮倒或摧毁的案例。真正在台风中被破坏的多数为附属结构,比如雨蓬、幕墙、阳台、出屋面构架等。


风振系数与阵风系数


在结构主体计算时,我们采用风振系数,在计算围护结构时,却采用阵风系数,这两者有何区别呢?可能很多工程师并不一定明白。


我们把风对结构的作用分为静力的平均风作用以及动力的脉动风作用。静力风压使建筑物产生一定的侧移,而脉动风压使建筑物在该侧移附近左右振动。对高度较大、刚度较小的高层建筑,脉动风压会产生不可忽略的动力效应,在设计中必须考虑。那该如何考虑呢?即在静力风压的基础上乘一个风振系数,以考虑这个动力效应,因此,风振系数有点类似动力放大系数的概念。


对围护结构来说,我们需要考虑的是局部风压作用,围护结构的局部刚度一般相对较大,风振影响一般很小可以忽略。围护结构风压计算,直接采用瞬时风压,所以,阵风系数,其实就是瞬时风较平均风的增大系数,即阵风风速与时距10min的平均风速的比值。在高度越高、越开阔平坦的场地,瞬时风与平均风越接近(仅有一个时距的差异),其阵风系数也越小。这就是规范8.6.1表格变化规律的由来。


总的来说,风振系数是把风成份中的脉动风引起的风振效应转换成等效静力荷载所乘的系数。阵风系数是在不考虑风振系数时,考虑到瞬时风比平均风要大所乘的系数。这两者虽然都是针对平均风所采用的增大系数,但概念截然不同。


风荷载计算中的其他细部概念,有待大家一起挖掘讨论。


以上仅为个人观点,欢迎讨论,关注公众号~


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