8.4 顺风向风振和风振系数
8.4.1 对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋,以及基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构,应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。顺风向风振响应计算应按结构随机振动理论进行。对于符合本规范第8.4.3条规定的结构,可采用风振系数法计算其顺风向风荷载。
注:1 结构的自振周期应按结构动力学计算;近似的基本自振周期T1可按附录F计算;
2 高层建筑顺风向风振加速度可按本规范附录J计算。
8.4.2 对于风敏感的或跨度大于36m的柔性屋盖结构,应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。屋盖结构的风振响应,宜依据风洞试验结果按随机振动理论计算确定。
8.4.3 对于一般竖向悬臂型结构,例如高层建筑和构架、塔架、烟囱等高耸结构,均可仅考虑结构第一振型的影响,结构的顺风向风荷载可按公式(8.1.1-1)计算。z高度处的风振系数βz可按下式计算:
8.4.1 参考国外规范及我国建筑工程抗风设计和理论研究的实践情况,当结构基本自振周期T≥0.25s时,以及对于高度超过30m且高宽比大于1.5的高柔房屋,由风引起的结构振动比较明显,而且随着结构自振周期的增长,风振也随之增强。因此在设计中应考虑风振的影响,而且原则上还应考虑多个振型的影响;对于前几阶频率比较密集的结构,例如桅杆、屋盖等结构,需要考虑的振型可多达10个及以上。应按随机振动理论对结构的响应进行计算。
对于T<0.25s的结构和高度小于30m或高宽比小于1.5的房屋,原则上也应考虑风振影响。但已有研究表明,对这类结构,往往按构造要求进行结构设计,结构已有足够的刚度,所以这类结构的风振响应一般不大。一般来说,不考虑风振响应不会影响这类结构的抗风安全性。
8.4.2 对如何考虑屋盖结构的风振问题过去没有提及,这次修订予以补充。需考虑风振的屋盖结构指的是跨度大于36m的柔性屋盖结构以及质量轻刚度小的索膜结构。
屋盖结构风振响应和等效静力风荷载计算是一个复杂的问题,国内外规范均没有给出一般性计算方法。目前比较一致的观点是,屋盖结构不宜采用与高层建筑和高耸结构相同的风振系数计算方法。这是因为,高层及高耸结构的顺风向风振系数方法,本质上是直接采用风速谱估计风压谱(准定常方法),然后计算结构的顺风向振动响应。对于高层(耸)结构的顺风向风振,这种方法是合适的。但屋盖结构的脉动风压除了和风速脉动有关外,还和流动分离、再附、旋涡脱落等复杂流动现象有关,所以风压谱不能直接用风速谱来表示。此外,屋盖结构多阶模态及模态耦合效应比较明显,难以简单采用风振系数方法。
悬挑型大跨屋盖结构与一般悬臂型结构类似,第1阶振型对风振响应的贡献最大。另有研究表明,单侧独立悬挑型大跨屋盖结构可按照准定常方法计算风振响应。比如澳洲规范(AS/NZS1170.2:2002)基于准定常方法给出悬挑型大跨屋盖的设计风荷载。但需要注意的是,当存在另一侧看台挑篷或其他建筑物干扰时,准定常方法有可能也不适用。
8.4.3~8.4.6 对于一般悬臂型结构,例如框架、塔架、烟囱等高耸结构,高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋,由于频谱比较稀疏,第一振型起到绝对的作用,此时可以仅考虑结构的第一振型,并通过下式的风振系数来表达:
式中α为地面粗糙度指数,对应于A、B、C和D类地貌,分别取为0.12、0.15、0.22和0.30。I10为10m高名义湍流度,对应A、B、C和D类地面粗糙度,可分别取0.12、0.14、0.23和0.39,取值比原规范有适当提高。
式(6)为多重积分式,为方便使用,经过大量试算及回归分析,采用非线性最小二乘法拟合得到简化经验公式(8.4.5)。拟合计算过程中,考虑了迎风面和背风面的风压相关性,同时结合工程经验乘以了0.7的折减系数。
对于体型或质量沿高度变化的高耸结构,在应用公式(8.4.5)时应注意如下问题:对于进深尺寸比较均匀的构筑物,即使迎风面宽度沿高度有变化,计算结果也和按等截面计算的结果十分接近,故对这种情况仍可采用公式(8.4.5)计算背景分量因子;对于进深尺寸和宽度沿高度按线性或近似于线性变化、而重量沿高度按连续规律变化的构筑物,例如截面为正方形或三角形的高耸塔架及圆形截面的烟囱,计算结果表明,必须考虑外形的影响,对背景分量因子予以修正。
本次修订在附录J中增加了顺风向风振加速度计算的内容。顺风向风振加速度计算的理论与上述风振系数计算所采用的相同,在仅考虑第一振型情况下,加速度响应峰值可按下式计算:
- 上一节:8.3 风荷载体型系数
- 下一节:8.5 横风向和扭转风振