鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
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摘 要：風(fēng)荷載是高層建筑的主要側向荷載之一，鑒于越來(lái)越多的國外工程設計的要求，了解并掌握國際常用規范中風(fēng)荷載的計算分析相關(guān)規定非常重要。結合超高層混合結構科威特中央銀行總部大樓的實(shí)際工程，對美國規范風(fēng)荷載的相關(guān)規定及本工程的風(fēng)洞試驗進(jìn)行了介紹和研究，以期對類(lèi)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過(guò)，結構抗風(fēng)分析是高層建筑設計計算的一個(gè)非常重要的環(huán)節?？仆刂醒脬y行的新總部大樓(Central Bank of Kuwait New Headquarters Building，簡(jiǎn)稱(chēng)CBK)為非規則鋼筋混凝土筒體與外側鋼框架的超高層混合結構，設計采用美國規范，因而需要了解并掌握美國規范風(fēng)荷載分析的相關(guān)規定，另外對于這種體型復雜的結構，既有規范很難確定建筑表面的風(fēng)壓分布具體數值，可以借助風(fēng)洞試驗來(lái)比較客觀(guān)真實(shí)的確定。
1 風(fēng)荷載基本參數
當風(fēng)以一定的速度向前運動(dòng)遇到建筑物時(shí)，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(guò)伯努利方程表示。風(fēng)壓值因高度、地貌、平均風(fēng)速的時(shí)距、最大風(fēng)速的樣本時(shí)間以及基本風(fēng)速的重現期等影響因素的不同而取值不同[1,2]，各國規范在考慮這幾個(gè)影響因素的的規定時(shí)不盡相同。
例如，風(fēng)速隨時(shí)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(gè)規定時(shí)間內（稱(chēng)為時(shí)距）的平均風(fēng)速作為計算的標準。顯然對于工程設計來(lái)說(shuō)最大風(fēng)速值與時(shí)距的大小有關(guān)。而當前世界各國所采用的平均時(shí)距標準并不一致，中國時(shí)距取10min，前蘇聯(lián)取2min，英國根據建筑物或構件的尺寸不同分別取3s、5s和15s，日本取瞬時(shí)，美國以風(fēng)程1英里作為確定平均風(fēng)速的標準，這相當于對不同風(fēng)速取不同的平均時(shí)距。因而各國基本風(fēng)壓值的標準也有差別。
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)設計及計算，必須規定一個(gè)標準條件下的風(fēng)壓，在指定的地貌、高度、時(shí)距等確定的風(fēng)壓稱(chēng)為基本風(fēng)壓，它是抗風(fēng)設計與計算中的基本參數。在實(shí)際工程結構的抗風(fēng)設計與計算時(shí)，需要考慮非標準條件情況，此種條件下的的風(fēng)壓可以根據一定的換算關(guān)系由標準風(fēng)壓來(lái)?yè)Q算。
2 風(fēng)荷載計算
對于主要承重結構，風(fēng)荷載標準值的表達可有兩種形式，其一為平均風(fēng)壓加上由脈動(dòng)風(fēng)引起導致結構風(fēng)振的等效風(fēng)壓；另一種為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數。由于在結構的風(fēng)振計算中，通常來(lái)說(shuō)是第一振型起主要作用，因而我國與大多數國家相同，采用后一種表達形式，即采用風(fēng)振系數來(lái)綜合考慮結構在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應[3]。
美國規范風(fēng)荷載也包括主要抗風(fēng)系統和構件及圍護結構兩部分。主要抗風(fēng)系統是指用來(lái)支承次要構件及圍護結構的主要結構構件的組合，該系統主要承受來(lái)自相應間接位置的風(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]。
我國荷載規范中規定的主要承重結構風(fēng)荷載標準值的計算公式為：
美國UBC97規范規定的風(fēng)荷載設計值的計算公式為：
美國ASCE 7-05規范中規定的主要抗風(fēng)系統的風(fēng)荷載設計值（方法一）的計算公式為：
上述公式中 和 均為體型系數，兩者相同； 與 均為高度變化的陣風(fēng)影響系數，兩者的數值有所不同； 、 以及 為基本風(fēng)壓，均根據當地的風(fēng)速確定，風(fēng)速取值標準不同； 及 均為建筑結構重要性系數； 是考慮建筑物的不同高度及不同地貌的調整系數； 是地形影響系數。
除了主要承重結構，對于圍護結構，中國規范中指出，由于其剛性一般較大，在結構效應中可以不必考慮其振動(dòng)分量，此時(shí)可僅僅在平均風(fēng)壓的基礎上，近似考慮脈動(dòng)風(fēng)瞬間的增大因素，原則上可以通過(guò)局部風(fēng)壓體型系數和陣風(fēng)系數來(lái)計算風(fēng)荷載。對于房屋中直接承受風(fēng)壓的幕墻構件，按傳統設計的經(jīng)驗，風(fēng)荷載都是考慮脈動(dòng)響應，應按照規范規定采用相應的陣風(fēng)系數，對非直接承受風(fēng)壓的幕墻構件，陣風(fēng)系數可以適當降低。對于其他的圍護結構構件，出于傳統設計經(jīng)驗，風(fēng)荷載可以?xún)H僅通過(guò)局部風(fēng)壓體型系數予以增大而不用考慮陣風(fēng)系數。在美國規范中，構件及圍護結構部分的風(fēng)荷載的設計值的計算公式與主要抗風(fēng)系統的類(lèi)似，僅僅在各個(gè)參數的取值上有所不同。
美國Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures規范中規定的主要抗風(fēng)系統的風(fēng)荷載設計值（方法二）的計算公式如下。
1）對于剛性結構
2）對于柔性結構
其中的 及 為速度風(fēng)壓， 及 為陣風(fēng)系數，而 及 分別為外部壓力系數和內部壓力系數。
中國GB5009-2001是根據比較空曠平坦的地面上10m高的50年一遇10min內的最大風(fēng)速；而UBC97是根據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。美國規范基本風(fēng)速取3s時(shí)距，比中國小，風(fēng)速取值要比中國規范大，但是不能由此推斷美國規范抗風(fēng)計算結果一定比中國大，因為討論效應要由風(fēng)荷載總效應來(lái)對比，它取決于各個(gè)參數的綜合貢獻，不能由一個(gè)系數來(lái)評述。按我國規范計算結果，比美國規范計算結果小一些或大一些，都不能說(shuō)明我國規范偏于不安全或偏于保守，而是按我國結構可靠指標要求而確定。當采用美國UBC97配套設計時(shí)，根據當地的基本風(fēng)壓必須按照UBC97的取值標準提供。不同國家風(fēng)荷載的計算可以有不同的結果，決定于適于每個(gè)國家自己的國情的安全度標準，以及長(cháng)期以來(lái)的工程實(shí)踐。
CBK工程項目中，基本風(fēng)速按90mph(即144km/h)，按照美國規范Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures的相關(guān)章節查出場(chǎng)地類(lèi)別、重要性系數、地形影響系數等等參數，再根據本工程結構的特性結合美國規范的具體條文規定計算得出陣風(fēng)系數0.88，在Etabs軟件中按照每隔15o自動(dòng)定義了一個(gè)風(fēng)荷載工況，共考慮72個(gè)風(fēng)荷載工況。
3 風(fēng)洞試驗
結構體型對風(fēng)荷載有重要影響，確定風(fēng)荷載的最精確的觀(guān)測是建立在原型結構上的。為了得到更一般的結論，必須研究所有重要參數的影響，然而這在實(shí)踐中是不可能的。因此，確定風(fēng)荷載的最適當的方法就是進(jìn)行結構模型風(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的設計方法和規范，大型建筑物如大橋、電視塔以及高層建筑群等，規定必須要進(jìn)行風(fēng)洞試驗，而且模型必須模擬實(shí)物的剛度(即彈性模型)，測量風(fēng)振特性。
風(fēng)洞，是指在一個(gè)管道內，用動(dòng)力設備驅動(dòng)一股速度可控的氣流，用以對模型進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗的一種設備。風(fēng)洞實(shí)驗的基本原理是相對性原理和相似性原理。一般來(lái)說(shuō)高層建筑的迎風(fēng)面積比較大，如果要做到實(shí)際尺寸的模型來(lái)進(jìn)行風(fēng)洞試驗，其動(dòng)力消耗將是驚人的。根據相似性原理，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，地上40層地下2層（不包括夾層部分），整個(gè)結構由底部的L形逐漸向三角形過(guò)渡，結構建筑標高為238.475m，其外觀(guān)如圖1所示。該建筑兩直角邊為鋼筋混凝土剪力墻結構，斜邊采用逐漸內收的交叉鋼管混凝土斜柱形成斜面，斜柱通過(guò)短梁與樓層邊梁的腹板連接。
工程設計階段，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，按照設計時(shí)各風(fēng)向角對應的剪力、彎矩組合系數定義了6個(gè)風(fēng)荷載工況。
為了進(jìn)行對照，同時(shí)又委托了英國BMT公司根據塔樓模型進(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(dòng)定義風(fēng)荷載。除了結構整體風(fēng)荷載外，還考慮了幕墻表面風(fēng)荷載，作為幕墻設計依據。風(fēng)洞試驗的示意圖片見(jiàn)圖2，風(fēng)洞試驗的部分風(fēng)壓分布圖見(jiàn)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計時(shí)悉尼大學(xué)風(fēng)洞試驗中心給出的風(fēng)荷載值大，這是由于在結構初步方案時(shí)所估計的質(zhì)量較實(shí)際工程小所造成的。實(shí)際工程設計時(shí)按照Etabs自動(dòng)生成的風(fēng)荷載組合和BMT公司提供的風(fēng)荷載共同進(jìn)行設計。
圖3 不同工況（1秒和3秒陣風(fēng)）下結構的外表面風(fēng)壓分布云圖(超高層建筑的風(fēng)荷載)
4 結語(yǔ)
CBK工程項目設計采用美國規范，而美國規范中風(fēng)荷載分析的相關(guān)規定與其它國家規范相比有不同之處，本文對比分析了中國與美國規范在風(fēng)荷載參數取值以及計算方面的異同，能為類(lèi)似工程風(fēng)荷載分析計算提供一點(diǎn)參考。
該工程為非規則鋼筋混凝土筒體與外側鋼框架的超高層混合結構，對于這種體型復雜的結構，既有規范很難確定建筑表面的風(fēng)壓分布具體數值，可以借助風(fēng)洞試驗來(lái)比較客觀(guān)真實(shí)的確定。
參考文獻
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[2] 張相庭編著(zhù)，高層建筑抗風(fēng)抗震設計計算[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1997
[3] GB5009-2001,建筑結構荷載規范[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
（上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司，上海201908）
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