风荷载计算软件方法与规范方法进行比较

风荷载是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关。中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风。其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。一《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中所规定的顺风向风荷载的具体计算1顺风向风荷载2012规范关于顺风向风荷载的计算公式没有形式上的变化，仍然采用平均风压乘以风振0zsz（1）其中：k—风荷载标准值（kN/m2）；z—高度z处的风振系数；s—风荷载体型系数；z—风压高度变化系数；0—基本风压。如果不考虑结构在风荷载作用下的动力响应，则由平均风压引起的静荷载取决于体型系数、风压高度变化系数及基本风压这三项因素，下面讨论顺风向作用下的静荷载计算：1.1基本风压中国规定的基本风压w0以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准，按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年，特别重要的结构为100年)，统计得最大风速v（即年最大风速分布的96.67%分位值，并按w0=ρv2/2确定。式中ρ为空气质量密度；v为风速）。根据统计，认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压，统计分布可按极值I型考虑。基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，由台风造成。东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。其他内陆地区风压都较小。风速风速随时间不断变化，在一定的时距Δt内将风速分解为两部分：一部分是平均风速的稳定部分；另一部分是指风速的脉动部分。为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压，一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。建筑设计中的取用：基本风压应按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录E中附表E.5给出的全国各地区的风压采用数值。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。当城市或建设地点的基本风压值在本规范全国基本风压图上没有给出时，基本风压值可根据当地年最大风速资料，按基本风压定义，通过统计分析确定，分析时应考虑样本数量的影响。当地没有风速资料时，可根据附近地区规定的基本风压或长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定；也可按本规范附录E中全国基本风压分布图近似确定。风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4和0。其中徐州地区50年一遇的基本风压为0.35kN/m2。1.2体型系数也称空气动力系数，它是风在工程结构表面形成的压力（或吸力）与按来流风速算出的理论风压的比值。它反映出稳定风压在工程结构及建筑物表面上的分布，并随建筑物形状、尺度、围护和屏蔽状况以及气流方向等而异。对尺度很大的工程结构及建筑物，有可能并非全部迎风面同时承受最大风压。对一个建筑物而言，从风载体型系数得到的反映是：迎风面为压力；背风面及顺风向的侧面为吸力；顶面则随坡角大小可能为压力或吸力。对于高度超过45m的矩形截面高层建筑需考虑深宽比D/B对背风面体型系数的影响。当平面深宽比D/B≤1.0时，背风面的体型系数由-0.5增加到-0.6，矩形高层建筑的风力系数也由1.3增加到1.4。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表8.3.1中详细分析了不同结构体型的风荷载体形系数。1.3风压高度变化系数从某一高度的已知风压（如高度为10米的基本风压），推算另一任意高度风压的系数。风压高度变化系数随离地面高度增加而增大，其变化规律与地面粗糙度及风速廓线直接有关。设计工程结构时应在不同高度处取用对应高度的风压值。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表8.2.1确定。地面粗糙度是地面因障碍物形成影响风速的粗糙程度。风（气流）在接近地面运动时，受到树木、房屋等障碍物的摩擦影响，消耗了一部分动能，使风速逐渐降低。这种影响一般用地面粗糙度衡量。地面粗糙度愈大，同一高度处的风速减弱愈显著。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：A类——指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类——指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类——指有密集建筑群的城市市区；D类——指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度类别，由表8.2.1确定外，还应考虑地形条件的修正，修正系数η分别按下述规定采用:1对于山峰和山坡，修正系数应按下列规定确定：1)顶部B处的修正系数可按下述公式采用：2)]5.21(tan1[HzB(2)式中:tanα—山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当tanα0.3时，取tanα=0.3；k—系数，对山峰取2.2，对山坡取1.4；H—山顶或山坡全高(m)；z—建筑物计算位置离建筑物地面的高度(m);当z2.5H时，取z=2.5H。2）对于山峰和山坡的其他部位，可按图1所示，取A、C处的修正系数A、C为1，AB间和BC间的修正系数按η的线性插值确定。2山间盆地、谷地等闭塞地形=0.75～0.85；3对于与风向一致的谷口、山口=1.20～1.50。图1山峰和山坡的示意1.4高度z处的风振系数《建筑结构荷载规范》GB50009-2012知，低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按公式（1）计算确定。高度z处的风振系数z可按下式计算：210121RBgIzz（3）式中：g——峰值因子，可取2.5；10I——10m高度名义湍流强度，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；R——脉动风荷载的共振分量因子；zB——脉动风荷载的背景分量因子。脉动风荷载的共振分量因子R可按下式计算：3/4)211(21xxR（4）5,30111xkfxow（5）式中：1f——结构第1阶自振频率（Hz），wk——地面粗糙度修正系数，对A类、B类、C类和D类地面粗糙度分别取1.28、1.0、0.54和0.26，1——结构阻尼比，对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02，对其他结构可根据工程经验确定。脉动风荷载的背景分量因子可按下列规定确定：1对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，可按下式计算：zzxzzkHB)(1a1（6）式中：)(1z——结构第1阶振型系数；H——结构总高度（m），对A、B、C和D类地面粗糙度，H的取值分别不应大于300m、350m、450m和550m；x——脉动风荷载水平方向相关系数；z——脉动风荷载树直方向相关系数；k、1a——系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009—2012表8.4.5-1取值。2对迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化的高耸结构，式（6）计算的背景分量因子zB应乘以修正系数B和V。B为构筑物在z高度处的迎风面宽度与底部宽度的比值；V可按《建筑结构荷载规范》GB50009—2012表8.4.5-2确定。竖直方向的相关系数可按下式计算：HeHHz60601060/（7）式中：H——结构总高度（m）；对A、B、C和D类地面粗糙度，H的取值分别不应大于300m、350m、450m和550m；水平方向的相关系数可按下式计算：BeBHx50501060/（8）式中：B——结构迎风面宽度（m），B2H。对于迎风面宽度较小的高耸结构，水平方向相关系数可取为1。二《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中所规定的横风向风荷载的矩形平面结构的横风向风振按2012规范8.5.1条，“对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。”由于判断是否需要考虑横风向风振的影响比较复杂，涉及建筑的高度、高宽比、结构自振频率及阻尼比等因素，因此条文说明中给出“建筑物高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑可出现较为明显的横风向效应”这一条件。横风向风振的荷载可以通过风洞试验获得，也可以通过计算获得，2012规范在附录中给出规则结构的计算方法。有关风洞试验的数据可以通过文件的形式接入PKPM的计算，这里主要讨论规范附录中提供的计算方法。２.１基本计算公式根据规范，对矩形截面高层建筑横风向风振等效风荷载标准值计算公式整理如下：2'L0LK1LzRCgww（９）式中：LKw——横风向风振等效风荷载标准值(2m/kN)；'LC——横风向风力系数；LR——横风向共振因子；g——峰值因子，可取2.5；0w——基本风压；z——风压高度变化系数。横风向风振等效荷载主要受高宽比、深宽比、扭转周期、阻尼比、削角和凹角、地面粗糙度等的影响。三规范公式的检验3.1振型对风荷载作用效果的影响（以上海电视塔结构为例）试验将时将上海电视塔结构抽象为16个质点，通过计算和分析，可以得到如下结论：高振型的影响。现以顶点、观光塔和上塔楼的水平风振位移进行分析。现假设第一振型风振力作用下上述三点的水平风振位移为1，第二振型和第三振型的水平位移与第一振型的水平位移比值一并列于表1-2中，表中量纲为1。表1-2高振型对水平位移的影响由表1-2可以看出，第一振型的水平位移占有绝对优势，除第二振型在顶部附近有影响外，观光塔以下各点高振型的影响很小。所以在计算一般高层建筑风荷载时，对顺风向响应只需考虑第一振型的影响。与规范计算方法相符。3.2风荷载计算软件方法与规范方法进行比较（以深圳中国海洋石油大厦为例）要图不要表深圳中国海洋石油大厦地上共50层，高175.10m,钢筋混凝土筒体结构体系，五个标准层，结构体型是不规则的。建筑物前三阶y方向自振周期T1=3.51s,T2=0.92s,T3=0.46s；x方向自振周期T1=3.41s,T2=1.20s,T3=0.41s。该大厦进行了刚性模型风洞试验，试验模型比例为1:50，C类地面粗糙度类别，风洞试验所得y方向各段（标准层，由上至下）的风载平均体型系数s1=2.07,s2=1.58,s3=1.36,s4=0.94,s5=0.67。本例题采用软件方法与规范方法进行比较。两种方法均取试验值的体型系数，但软件方法选取实际振型，而规范方法选取规范本身规定的振型。表1-1列出了底部剪力、底部弯矩的比较，图1-1、图1-2、图1-3分别绘出了风压、风剪力、位置振型顶点(459.0m)观光塔（348.5m）上塔楼（272.5m）第一振型1.0001.0001.000第二振型0.2440.013-0.002第三振型0.036-0.017-0.005风弯矩沿高度的分布规律。表1-1底部剪力、底部弯矩的比较由本例看出，软件方法与规范方法相比，底部剪力小8%左右，底部弯矩小5%左右。软件计算结果基本能够满足规范要求。图1-3中规范方法风压沿高度有几处突变，这完全是由采用试验值的各段体型系数变化引起的。3.3风荷载计算软件方法与试验进行比较（以金茂大厦为例）要图金茂大厦位于上海浦东新区，它由高度为365m的主塔楼和约40m高的群楼组成，主楼平面近似为宽55.5m的正方形，随高度逐渐收缩。金茂大厦结构设计主要由风荷载控制，加拿大西安大略大学对金茂大厦进行了详细的风洞试验研究。风洞试验选取3个有代表性的高度处数值模拟结果进行比较，高度分别为H=67m，145m，286m。比较了3个高度上平均压力系数的比较结果，风洞试验和数值模拟的风向都为90°。平均风压系数的定义为25.0HppC，其中p为测点上的风压值，H为H=365m高度处的来流风速，为空气密度。由图比较