建筑结构中抗风设计原则与方法
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作者: 黄曙华 孙立新
摘要:建筑工程受到风的自然特性、结构的动力特性以及风和结构的相互作用的制约.本文阐述高层建筑受风荷载的影响效应和抗风设计中风振系数、水平位移等参数的正确选取等问题,可为高层建筑抗风设计提供参考,目前工程数值仿真技术的发展已为抗风设计研究提供了有利保障。风荷载是高层建筑所承受的主要侧向荷载之一结构抗风分析包括风荷载、内力、位移、加速度等是高层建筑结构设计中的重要环节.
关键词:建筑工程;风振系数;水平位移;风荷载
一、建筑结构风荷载与风振系数分析
风对建筑物的作用是不规则的,风压随风速、风向的紊乱变化而不停地改变。通常把风作用的平均值看成稳定风压或平均风压,实际风压是在平均风压上下波动的。平均风压使建筑物产生一定的侧移,而波动风压使建筑物在该侧移附近左右振动。对于高度较大,刚度较小的高层建筑,波动风压会产生不可忽略的动力效应,在设计中必须考虑。目前采用加大风荷载的办法解决这个动力效应问题,在风压值上乘以风振系数。结构上的风荷载可分为两种成分:平均风和脉动风。对应的,风对结构的作用也有静力的平均风作用和动力的脉动风作用。平均风的作用可用静力方法计算,而脉动风是随机荷载,它引起结构的振动,一般采用随机振动理论对其振动进行分析。
风振系数是指结构总响应与平均风压引起的结构响应的比值。对于风振系数,高度小于30m的单层工业厂房仍可按以往实践经验不考虑风振系数,阵风系数是考虑到瞬时风较平均风大而乘的系数,一般是阵风风速与时距10min的平均风速之间的比值。对于阵风系数,现行规范提供的阵风系数主要是对高层建筑的玻璃幕墙结构参考国外规范而加以制定的,但低矮房屋是否合适,仍需通过今后的设计和科研实践给以完善。
风荷载计算,是根据美国有关设计手册中的试验资料确定,更能符合实际,风荷载影响较大的结构一般都要考虑风振系数,具体如何取值只能参考以往的相关类似工程。对于屋盖结构(如大跨度的看台)不应当成“围护结构”而只考虑阵风系数建筑水平位移观测点的位置应选在墙角、柱基及裂缝两边等处。标志可采用墙上标志,具体形式及其埋设应根据点位条件和观测要求确定。
二、建筑结构中抗风设计原则
空气的流动形成风,风作用在建筑物上,使建筑物受到双重的作用:一方面风对建筑物产生一个基本上比较稳定的风压力;同时又使建筑物产生风力振动(风振)。因此风力使建筑物既受到静力作用,又受到动力作用。
(一)高层建筑结构抗风分析
风速在不同的地区是不一样的。在沿海、山口等地方风速大,在城市中心风速会小一些。在我国的《建筑结构荷载规范》中,已经给出了各城市、地区设计用的基本风压,这个基本风压是以各地气象台站多年的气象观测资料为依据,取当地30年一遇的、10m高度上的10min平均风压值来计算的。对于高层建筑物,风荷载是主要荷载,宜采用50年一遇的风力更为妥当,所以,在高层建筑抗风设计中应采用将荷载规范给出的基本风压值乘以系数1.1的值。
离地面越高,空气流动受到地面摩擦影响越小,风速越大,风压也越大,风压随高度变化呈指数规律变化,增长程度与地面粗糙度有关。目前规范将地面粗糙程度分为三类:A类:海面;海岛、海岸、湖岸、沙漠地区;B类:田野、乡村、丘陵、房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区;C类:有密集建筑群的大城市市区。
高层建筑主要位于B,C两类地区。高层建筑主要位于B,C两类地区。荷载规范给出的基本风压是10m高度上的,不同高度上的风压要乘以高度系数。风压在建筑物上的分布是非常复杂的,取决于其平面形状、立面体型和高宽比。一般用体型系数来反映风对建筑物的作用。通常,在建筑物的迎风面产生风压力,侧风面和背风面产生风吸力。这些风压力和风吸力在建筑物表面的分布也是不均匀的,在迎风面上沿中轴线风压值最大,在背风面和侧风面靠近角区风吸力最大。
(二)高层建筑物抗风设计原则
在高层建筑的抗风设计中,应考虑下列问题:保证结构具有足够的强度,能可靠地承受风荷载作用下的内力;结构必须具有足够的刚度,控制高层建筑在水平荷载下的位移,保证良好的居住和工作条件;选择合理的结构体系和建筑外形。采用较大的刚度可以减少风振的影响;圆形、正多边形平面可以减少风压的数值;尽量采用对称平面形状和对称结构布置,减少风力偏心产生的扭转影响;外墙、玻璃、女儿墙及其他围护构件必须有足够的强度并与主体结构可靠地连接,防止局部损坏。
三、建筑结构中抗风设计方法
根据风对建筑物造成的破坏来分析,我们的抗风设计要求必须保证结构在使用过程中不出现破坏等现象,主要涉及以下几个方面:
结构抗风设计必须满足强度设计要求,也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载共同作用下内力必须满足强度设计的要求。确保建筑物在风力作用下不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏现象,以保证结构的安全。
结构抗风设计必须满足刚度设计要求,也就是说要使结构的位移或者相对位移满足有关的规范要求,以防止建筑物在风力的作用下引起隔墙的开裂、建筑装饰和非结构构件因位移过大而损坏。高层建筑的强度和刚度都可由结构顶部水平位移或结构层间相对水平位移来控制。对于不同的结构和隔墙类型,其值差别也较大。顶部水平位移或结构层间相对水平位移界限值分别由顶部位移与结构高和层间相对位移与层高的比值来决定。
结构抗风设计必须满足舒适度设计要求,以防止居住者和工作人员在风力作用下引起的摆动造成的不舒适。影响人体感觉不舒适的主要因素有振动频率、振动加速度和振动持续的时间。由于振动持续的时间取决于风力作用的时间,结构振动频率的调整又十分困难,因此一般采用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的设计要求。根据对人体振动的舒适界限标准可得到结构舒适度的控制界限。当然在具体选择舒适度的控制界限时是应根据结构层的不同使用功能来定。
结构抗风设计满足疲劳破坏设计要求,风振引起高层建筑结构或构件的疲劳破坏是高周疲劳累积损伤的结果。结构或构十的疲劳寿命由实验或统计分析得到的S-N曲线决定。S-N曲线的解析表达式为NSm=C,式中S为响应水平,N为在响应水平S下结构或构件疲劳失效的循环次数,m、C为经验参数。
四、我国建筑结构中抗风设计的发展
我国目前的建筑结构技术、大跨度空间结构技术等已达到或者已接近国际先进水平。随着经济持续快速发展和城镇化进程的加快,我国已成为建筑结构和大跨度空间结构的大国。在一些高层和超高层建筑的设计、建造过程中,我国的科研、设计和施工水平不断提升。从单纯的学习,到逐渐掌握再到创新,完成了很多有特色的工程。在高层建筑混合结构这一符合中国经济发展特色的领域取得了丰富的研究成果和实践经验。
风作用在建筑物上虽然没有地震那么强烈,但由于风的作用极为频繁,实际上因风对建筑物产生的灾害比地震灾害大得多。在以后的研究中要考虑到基本风速(风压)的风剖面的主要因素,然后分析随机振动理论的风振响应方法,最后分析在风荷载作用下的基底剪力、基底弯矩和顶点顺风向水平位移的响应,并找到引起差异的原因。当前,我国工程建设的规模巨大,我们应抓住大规模工程建设的机遇,迎接挑战,加强研究,加快促进我国由建筑结构大国向强国发展。
参考文献:
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