罩棚式低矮建筑风荷载特性及抗风措施研究
罩棚式低矮建筑风荷载特性及抗风措施研究
刘帅1谢壮宁2石碧青1
（1. 汕头大学土木系，广东汕头 515063; 2. 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510641）
摘要：采用模型的风洞试验详细研究了矩形和圆形罩棚屋面结构的平均风压和峰值风压分布特征，分析了屋面风致破坏的主要原因，在此基础上实施了7种不同的屋面局部修改方案的试验对比、从中筛选出可以有效消减屋面风荷载的抗风措施。结果显示：两种平顶的矩形和圆形罩棚屋面结构均以负压为主且最大平均风压系数分别为-1.83和-0.97，相应最大峰值负压系数为-5.41和-3.11，这个结果远高于采用平均风压乘以阵风系数的规范方法，这显示规范中的阵风系数方法并不适合于计算屋面围护结构的风压值。根据分析结果给出了平顶矩形和圆形罩棚屋面结构风压体型系数取值的建议值，所推荐的气动抗风措施可以消减风敏感区域的风压值达30％以上。
关键词：罩棚式低矮建筑，风荷载，平均风压，极值风压，风洞试验
中图分类号：文献标志码:
Testing Study on Behaviors of Wind Pressure on the flat roof of Canopied
Low-rise Building
LIU Shuai1，XIE Zhuangning1，2，SHI Biqing1
(1. Department of Civil Engineering，Shantou University，Shantou 515063，China;
2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract：Based-on wind tunnel tests of rectangular and circular canopy structures models，the distribution characteristics of roof for mean wind pressure and peak wind pressure is investigated. The main reasons for wind-induced damage on canopy roof are analyzed. Then seven kinds of different roofing partial revisional plans are contrasted by wind tunnel experiment, and several effective wind-resistant aerodynamic measures are selected. The result shows that the suction is the main wind load on roof of the flat-topped rectangular and circular half-houses, and the maximum mean wind pressure coefficients reaches -1.83 and -0.97, respectively, whereas the maximum peak negative pressure coefficients reached -5.41and -
3.11. These results are much more than the values obtained by code approach, which multiply mean pressure by gust factor. It means that the gust factor specification is not suitable for the calculation of roof pressure for the envelope structures. According to the analyzed results, the local shape wind pressure coefficients of the flat-topped rectangular and circular roof canopy are recommended, the wind-resistant aerodynamic measures this paper proposed can reduce more than 30% value of wind load on the roof’s sensitive locations.
Keyword：canopied low-rise building；wind load；mean wind pressure；extreme wind pressure；wind tunnel test
1引言
随着国民经济的快速发展，各种不同外形、不同使用功能的低矮建筑层出不穷。以加油站（或高速公路收费站）罩棚为代表的一类典型低矮建筑，通常以平屋顶为主，四面开敞，由按一定规则排列的柱将顶棚撑起，顶棚多采用球形网架结构，网架的上表面与周边用彩色压型钢板（或其它覆面材料）将其包裹。在强风作用下，罩棚式低矮建筑发生整体破坏的情况并不多见，但其屋面局部被掀开以致整个屋面遭受破坏的例子却屡见不鲜，严重影响了整个建筑使用功能的正常发挥。图1是一圆形罩棚式结构屋面在强风作用下覆面层发生破坏的典型例子。
风荷载是引起罩棚式低矮建筑覆面层破坏的主要原因。然而，我国现行的《建筑结构荷载规范》[1]却没有对此类建筑的风荷载取值情况做出明确的规定与说明；已有的一些针对矩形平屋面建筑的研究工作也多是以大跨度屋盖结构为背景进行的[2]～[5]，以低矮建筑为背景的研究多集中在以TTU（德州理工大学）标模为基础的试验研究上[6]，专门针对棚式低矮建筑的研究相对较少[7][8]，特别是针对平屋面的圆形棚式结构的研究更是少有涉及，这给此类建筑的结构设计
带来了诸多不便。本文通过矩形和圆形的两个典型的罩棚式结构模型的风洞试验研究，在分析其风压分布特点的基础上，给出了可直接用于此类结构覆面层设计的风荷载局部体型系数，以供设计人员参考。同时，在不影响建筑整体外观的情况下，对矩形和圆形罩棚式结构分别进行了几种气动抗风措施的对比试验研究，得到了一些能有效降低建筑屋面局部风荷载的方案措施。
图1 圆形罩棚式建筑屋面围护结构破坏
Fig. 1 Damage of the envelope structure on circular canopy roof
building
2风洞试验方法及数据处理
2.1. 试验模型
风洞试验中，矩形和圆形的两个测压模型均是通过实地调研，以实体建筑为原型，采用有机玻璃缩尺制作而成的（模型缩尺比1：30）刚性模型。模型自身具有足够的强度和刚度，在试验风速下不会发生变形，并且不出现明显的振动，其中：矩形罩棚模型的平面投影尺寸为：600mm×500mm，高为175mm，屋盖表面共布置了140个测压点，所有测压点均为双面布置测压孔。考虑到此类低矮建筑在斜风作用下，由于锥形涡等的影响将在屋角部位产生变化比较剧烈的强负压，故在屋角局部范围内对测点进行了加密，图2、图3分别是该模型的风洞试验照片和模型屋面上的测压孔布置图，图中填充线表示支撑柱的位置。圆形罩棚模型的尺寸为：半径300mm、高175mm，屋盖表面共布置了105个测压点，同样也采用双面布置测压孔的方式进行同步测压，根据以往经验和相关文献，整个圆形顶棚的外缘将是负压较大且容易发生破坏的区域，而中部风压则相对较小，因此在该模型的边缘布置了相对较多的测压孔，图4是圆形罩棚模型的风洞试验照片，图5是模型屋面上的测压孔布置图。根据建筑原型外观，两个模型的顶棚外缘还设有25mm高的一圈竖向围板，模型侧立面及屋面边缘的局部放大图见图6。
图2 矩形罩棚模型风洞试验照片
Fig. 2 Photo of the rectangular half-house testing model in wind
tunnel
图3 矩形罩棚模型屋盖测点布置图
Fig. 3 Tap locations on roof of the rectangular half-house model
图4 圆形罩棚模型风洞试验照片
Fig. 4 Photo of the circular half-house testing model in wind
tunnel
图5 圆形罩棚模型屋盖测点布置图
Fig. 5
Tap locations on roof of the circular half-house model
图6 矩(圆)形罩棚模型立面及屋面边缘局部放大图 Fig. 6 Model dimensions on face and view of the magnified
edge of the roof
2.2. 试验设备及风场模拟
风洞试验在汕头大学的大气边界层风洞中进行，
该风洞是一座具有串置双试验段的全钢结构的闭口回流式矩形截面风洞，主试验段宽3米、高2米、长20米，风速连续可调，最大风速可达45m/s 。
结合实际建筑周边情况，风洞中模拟风场的地貌粗糙度系数（指数率）按规范[1]中的B 类地貌考虑，即α＝0.16，同时考虑到低矮建筑的近地高湍流特性，试验前，参考TTU 实测的有关文献[9][10],首先对3种不同
缩尺比的TTU 模型在采用3种不同方法模拟出的B 类风场中进行了试验，最终确定采用一种适合低矮建筑风洞试验的高湍流度风场，它采用隔栅＋粗糙元方法，模拟出的近地湍流度可达24％，流场的风剖面、湍流度分布见图7，脉动风速谱较接近Karman 谱见图8。
试验中，用毕托管测得的60cm 高度处（即在缩尺比为1/30情况下对应于实际高度18m ）的试验风速为8.8m/s 。测压系统采用美国Scanivalve 扫描阀公司的DSM3200电子压力扫描阀系统对所有测点进行同步测压，采样样本长度为20480数据，采样频率为312.5Hz 。信号统计分析时根据压力传输管道的传递函数对脉动风压测试中的信号畸变进行了修正[11]。试验中以10°为间隔，分别测出了36个风向角下模型表面测点的风压数据。
图7 平均风速和湍流度剖面
Fig. 7 Mean velocity and
turbulence intensity profiles
图8 模型屋面高度处脉动风速功率谱密度图
Fig. 8 Fluctuating wind speed PSD at roof height of model
2.3. 试验数据处理
以模型屋面高度（17.5cm ）处的风压作为无量纲化的参考风压，根据测压结果可得到模型表面各点的风压系数时程：
2
5.0)()()(H
i i pi V p t p q p t p t C ρ∞
∞??=
＝ （1）
式中)(t p i 是模型表面某一测点上测得的瞬态风压，t 是时间，∞p 是参考静压，q 是模型屋面高度处的参考风压，ρ是空气密度，H V 是模型屋面高度H 处的平均风速可由实际参考风速由下式得到：
α)(r
r H Z H
V V =
（2）
r V 为模型试验参考高度Z r 的平均风速。对于本文研究
的罩棚式结构，任一测压点位置的风荷载是罩棚上、下表面测压孔风压的压差。相应的这种风压差系数时间历程描述为：
q
t p t p t C i L i U i p )
()()(?=
Δ
（3）
其中)(t p i U 及)(t p i L 是同一时刻分别在罩棚上、下表面测压孔测得的瞬态风压。为简明起见，统一用C pi (t)表示风压系数时间历程和风压差系数（时间历程），并且都称为风压系数。
由风压系数的时程关系，并考虑到测压管路对信号的衰减作用，可由下式计算得到测点的平均风压系数和均方根风压系数[11]：
∫=T
pi mean
pi dt t C
T
C 0
,)(1 （4）
∫
∞
=
2
,)
()(dn n H n S C Cpi rms pi （5）
其中)(n H 是测压管道的频率响应函数，)(n S i Cp 是所测风压系数时间历程的功率谱密度函数，n 是风压脉动频率。由此可以求得测点的极大风压系数和极小风压系数：
rms pi mean pi pi gC C C ,,max ,+= （6）
rms pi mean pi pi gC C C ,,min ,?=
（7）
式中，g 是峰值因子。综合有关文献[12][13]及围护结构
的风压分布特征，本文统一取g=4.0。
鉴于两个罩棚模型顶棚上的风压都以负压为主，同时实际的屋盖结构在大风中局部被卷起而损坏的原因也往往是由于峰值负压在屋盖表面产生的强大吸力。因此文中将主要对极小风压系数C pi,min 的变化进行分析对比。
由于式（1）中V 直接采用的是屋面高度处的风速，所以由公式（4）、（7）算得的测点平均风压系数C pi,mean 和极小风压系数C pi,min 也就是测点的平均局部体型系数μsi,mean 和极小局部体型系数μsi,min 。因此，建筑原型表面上对应试验模型第i 测点的风压标准值w ki 可表示如下：
0min ,0min ,min ,w w C q C w z si z p k p ki μμμ＝＝i i = （8）
式中q k 是与模型屋面高度相应的建筑原型上的风压值；μz 是风压高度变化系数，对于高度小于10m 的建筑，可按规范取1.0；w 0是按规范取得的基本风压。按有关国外文献[14][15]建议，由上述公式计算得到的风压值可直接作为围护结构外覆面的风压标准值，而不必再计入阵风系数βgz 。
3 风荷载特性分析
3.1. 风压系数分布特性
当风向角变化时，两个模型屋面上主要显示的是负压。屋盖上表面均以负压（吸力）为主且分布规律性较强，下表面均以正压（压力）为主，总体风压值较小且由于受顶棚网架的影响，分布规律性较差。 3.1.1. 方形罩棚模型
图9是方形罩棚模型屋面上表面在0°、40°和50°风向角下的平均风压系数分布图。0°风向角下，在迎风屋盖边缘由于气流分离，产生柱状涡[16][17]，致使该区域出现了高负压，且屋角区域的风压系数值往往要高于其它区域，大致在-1.0左右见图9a ；整个屋面上，较大的负压仅分布在靠近迎风屋盖边缘的的区域内，其它区域风压普遍较低，在90°风向角下的风压分布也体现出有类似特点。 40°和50°风向角下，屋角部位由于锥形涡[16]~[18] 的原因使得迎风的屋角部位出现了高负压，并有沿两侧屋面边缘向屋盖中心区域衰减、扩散的趋势；就整个屋盖而言，较大的负压主要分布在屋角和与屋角紧邻的两个屋面边缘区域上，且越靠近迎风屋角，负压越大见图9b 和c 。这
些特征和其它形式矩形平屋盖建筑的风洞试验结果[2]~[6]有很大的相似性。
(a) 0°风向角
(b) 40°风向角
(c) 50°风向角
图9 矩形模型屋盖上表面典型风向角下平均风压系数分布
Fig. 9 Distribution of the mean pressure coefficients at the
typical direction on upper surface roof of the rectangular model 以上三个风向角下极小风压系数的分布与相应平均风压系数的分布具有相似的分布趋势，限于篇幅，此处不再对此做过多阐述。
考虑不同风向的影响，计算屋盖表面所有位置风压差系数的包络值得到所谓的全风向风压分布，结果见图10。考虑到结构的对称性，图中仅仅给出模型1/4屋盖的全风向平均风压差和极小风压差系数等压线分布图。由图可以看出，平均风压差系数和极小风压差系数的峰值均出现在屋角附近，分别达到了-1.83和-5.41，且该区域风压差系数值的变化也比较剧烈；整个屋盖的屋角及其边缘是风压较大的区域，而屋盖中心的大部分区域上，平均、极小风压差系数绝对值分别在0.5和1.0以下，相对较低且较为平均，可以近似认为是等压区。
(a) 平均风压系数
(b) 极小风压系数
图10 矩形模型屋盖全风向角风压差系数包络分布
Fig. 10 Distribution of omnidirectional extreme pressure coefficients on roof of the rectangular model
3.1.2. 圆形罩棚模型
选择测点的加密区处在屋盖的迎风区的30°风向角风风压分布情况进行分析，结果见图11，从图中可以看出：屋面整体呈现负压，风压分布等压线的形状与屋面轮廓线比较一致，沿屋面边缘呈圆弧形分布,且具有很好的对称性；屋面高负压主要集中在迎风的屋面边缘附近，平均风压系数绝对值达到1.0以上，极小风压系数最大值（绝对值）达到2.75，同时，该区域上的平均风压系数变化梯度亦较大，而其他区域上风压系数值相对较小且变化缓慢。
(a) 平均风压系数
(b)极小风压系数
图11 圆形模型屋盖上表面典型风向角下风压系数分布Fig. 11 Distribution of the mean pressure coefficients at the typical direction on upper surface roof of the circular model
图12是圆形罩棚模型全风向角下屋盖压差的平均和极小风压系数等压线分布图。两图中的风压分布等压线基本沿屋面轮廓线呈环状分布，由外至内,各测点风压系数值(绝对值)逐渐减小；图12(a)中模型最外圈测点的平均吸力系数基本上分布在-0.92附近，最高不超过-0.97，屋面上以R/2为半径的中心区域风压值
相对较低且变化缓慢,可以做等压区看待；与图12(a)相比，图12(b)中靠近屋盖边缘的环状区域上，极小风压差系数值都比较接近,大致在-3.0左右。
（a）平均风压系数
(b) 极小风压系数
图12 圆形模型屋盖全风向角风压差系数包络分布Fig. 12 Distribution of omnidirectional pressure coefficients on
roof of the circular model
3.2. 用于设计的局部风压分块体型系数
为了便于应用，将屋面分块，取任意一块区域内
测点体型系数(μsi,min或μsi,mean)的最大值（绝对值）作为该分块区域的局部风压体型系数（平均风压体型系数
e
s,
μ或极小风压体型系数e s,?μ），对于围护结构设计而言，这种取值方法相对可靠且较为简捷，十分便于在工程中应用。
图13为矩形罩棚屋盖在全风向角下的分块体型系数，图中所示的各分块区域内，括号里的数据表示
的是该区域的平均体型系数
e
s,
μ，括号外的数据表示
的是该区域的极小体型系数
e
s,
?μ。考虑到圆形罩棚屋盖结构的对称性，图14直接给出了整个屋面上平均和极小体形系数沿半径方向的分布，图中平均和极小风压体型系数曲线中的峰值分别是-0.97和-3.11。
图13 矩形模型屋面分块局部体型系数
Fig. 13 Distribution of the local shape factors on roof of the
rectangular model
图14 圆形模型屋面分块局部体型系数
Fig. 14 Distribution of the local shape factors on roof
of the circular model
对于罩棚的围板部分，其风压体型系数分布直接列于表1，表中“＋”、“－”号分别表示风压作用方向朝向或背离围板外表面。在矩形罩棚的角区域（定义离角点1/10宽度的区域），由于气流分离的影响，该处围板在特定的几个风向下将会以风吸力为主，全风向下的极小风压体型系数达-4.0；角区以外的围板其风荷载则以正压为主，不同位置上风压体形系数的变化不大。圆形罩棚围板所受的风吸力明显低于其所受的风压力，全风向角下，其上各处风压较为接近。
表1 围板的体型系数分布
Table 15 Distribution of the local shape factors on boarding
结构类型区域平均峰值作用方向
0.8 2.6 ＋
角区
-1.35 -4.0 －
1.05① 3.15 ＋
矩形罩棚
围板
非角区
-0.75 -1.85 －
1.05① 3.11 ＋
圆形罩棚
围板
所有区
域-0.68 -1.59 －注①：平均正压系数大于1.0是由于考虑的是围板内外两面的分压差的缘故。
3.3. 关于阵风系数
屋面的极小体型系数和平均体型系数的比值在实质上就是规范中的阵风系数，对于矩形罩棚模型屋盖，由试验得到的阵风系数大致在2.5～3.5之间；圆形罩棚模型中，其屋盖边缘附近的阵风系数约为3.2，中心区域约为2.7，在0.7R～0.8R的环形区域上该比值则高达5.0以上；然而，按规范[1]根据屋面高度和所处地貌类型确定的阵风系数βgz值却仅有1.88，远小
于以上由试验方法得到的所有不同模型和位置的阵风系数。图14显示了风洞试验得到的极小风压体型系数和规范方法（阵风系数βgz与平均风压体型系数的乘积）得到的极小风压体型系数的对比结果。
以上表明，规范中通过阵风系数计算围护结构风压值的方法对建筑结构的屋面是不适用的，这主要是因为规范中给出的阵风系数基于风速脉动（瞬时风速幅值和10min平均风速的比值）的统计公式，而围护结构的设计风压（瞬时风压）通常由流动分离控制。一般来说，两者的作用机制不同。
3.4. 小结
以上分析表明，平顶罩棚类低矮建筑，屋面中心区域风压较小，而边缘区域的风压相对较大，特别是迎风屋面的前缘区域和屋角（矩形罩棚），在强风来临时往往会成为首先破坏的部位，因此，在进行屋面板及其连接件的设计时，有采取必要的构造措施，防止迎风屋盖边缘和屋角被风荷载掀起而破坏。
从屋面风压分布规律可以看出，罩棚类结构中来流分离是导致屋面局部高负压的主要原因，凡是屋面负压比较高的部位总是伴随有来流分离现象出现。对于矩形罩棚式结构，来流分离区主要集中在迎风的屋面边缘和转角部位，而圆形罩棚式结构则主要集中在迎风的屋面边缘附近。同时，屋盖上表面因流动分离而产生负压，而下表面却基本呈现微弱正压，这使得整个屋面的大部分区域处在上吸下顶的合力作用下，很容易在屋盖边缘的某一局部区域上形成较高的风荷载，导致屋面局部被掀开而损坏。
对比矩形和圆形两种不同形式屋盖表面风压分布可见：圆形罩棚结构屋盖表面的峰值负压要远低于矩形罩棚结构，屋面整体分压分布也较矩形罩棚结构更为均匀，具有相对较好的抗风气动性能。即便如此，这两种结构的峰值负压系数仍然偏高，矩形和圆形屋盖的峰值负压系数分别达到-5.41和-3.11，气动性能较好的圆形罩棚结构在强风作用下仍然出现破损（见图1），由此采用适当的气动措施减少屋面的风荷载无疑是提高结构自身抗风性能的一条重要途径。
4抗风措施研究
根据建筑结构自身特点，在尽量不改变建筑原有外形的条件下，对矩形罩棚模型进行了5种气动抗风措施的对比风洞试验，在此基础上又对圆形罩棚模型进行了2种抗风措施的对比风洞试验，图15是相应于不同抗风措施的模型局部修改方案示意图。图中所示各方案均是以图6A为原型经局部修改而得到的，其中方案①是在整个屋面板下方屋盖边缘处又加了一圈屋面板，而方案②则是在屋面板与侧面围板的交界处开了一圈上下贯通的透风槽；方案④、⑤是均以影响来流在屋盖边缘处的分离状态为出发点而设计的，方案④将屋盖边缘的直角切成了斜角，方案⑤则将围板上下做了弧形延长；方案③是方案②、⑤的结合。上述所有气动抗风措施，其最终目的都是为了能削减屋盖边缘上的高负压。
图15 矩(圆)形罩棚模型不同修改方案屋盖边缘局部放大图Fig. 15 Sketch of wind-resistant aerodynamic measures
4.1. 矩形罩棚屋盖
图16显示了方案②～⑤全风向角下屋面的极小风压差系数（屋盖上下表面压差）等压线的分布情况，将其与图10（b）对比发现：方案②③④都显示了十分显著的抗风效果，三种方案分别使原型屋面上的峰值负压由-5.41降至-3.69、-3.61和-3.71，降幅均在 30％以上,其中方案③在降低屋角部位负压的同时还会使屋面的高负压区向屋面中心区域移动，这对提高整个屋面的抗风能力是大有益处的；方案⑤不但
没有明显效果，反而使屋角上的负压进一步升高，是不利于结构抗风的方案。方案①极小风压差系数分布结果与原型一致故其分布图没有给出，这说明下屋面板对屋面的风压分布没有任何影响。
方案②
方案③
方案④
方案⑤
图16 矩形模型不同方案全风向角下风压系数分布对比Fig. 16 Omnidirectional extreme pressure coefficients on each
measure roof of rectangular model
图17 圆形模型不同方案屋面测点极小风压变化对比图
Fig. 17 Contrast with omnidirectional extreme pressure coefficients on different measures on roof of the circular model 4.2. 圆形罩棚屋盖
圆形罩棚屋盖表面风压因基本不受风向角变化的影响，故定义a为屋盖中心到其上某一测点的距离，R 为圆形罩棚模型的半径，将a/R相同的测点在36个风向角下的风压系数最大值（绝对值）取出后平均，则可通过对比该值的变化来评价相应方案的抗风效果。图17是两种修改方案与原型的对比结果图，图中可以看出：方案①在屋盖边缘处可降低35％的负压值，在a/R＝0.93处较原型亦可降低25％的风压，随a/R值的减小，其效果逐渐减弱且会使风压增大，但由于风压系数值增大区域的风压值本身不大而不会降低整个屋面的抗风能力；方案②也有一定的效果，但在负压较高的屋盖边缘处其作用并不显著。从重要性的角度对比而言，方案①要比方案②效果更佳。
5结论
通过以上分析可以得到了以下结论：
（1）对于罩棚式建筑的屋面，总体风荷载以负压为主，有很明显的上吸作用；屋面上平均风压分布和极小风压分布具有相似的规律，其规律与相应的封闭式平顶建筑屋面较为相似。
（2）从屋面总体向上的风吸力比较而言，矩形模型屋面上总的风吸力随风向角变化较为明显，而圆形模型上总的风吸力变化不大；就风压分布来看，圆形模型的风压分布也较方形的更为平均，屋面的最小负压系数值（绝对值）也远小于矩形结构，因此，圆形外观的罩棚要较矩形罩棚对抗风更为有利。
（3）按规范[1]中确定阵风系数的方法折算得到的罩棚类屋面的阵风系数βgz值都要远高于规范中的相应值，这说明规范中的阵风系数方法不适合于计算屋面的风压值。
（4）通过试验研究，筛选得到了几种有效的气动抗风方案，它们分别可以将屋面风敏感区域的峰值风压消减30％以上。
屋面边缘上下透风是方案②③能够改善整个屋面抗风性的主要原因，屋面边缘上下透风后能使发生在屋面边缘的分离漩涡和屋角的锥形涡减弱，从而使屋面高负压区的负压绝对值减小。方案③在屋面边缘上下透风的同时配以屋面局部外形的变化，得到不错的抗风效果。可以预见，将方案②和方案④结合后也将会获得比较满意的抗风效果。
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[J]. J.Wind .Eng.Ind. Aerodyn. ，1996,60:211-225.
等效风荷载计算方法分析
等效静力风荷载的物理意义 从风洞试验获取屋面风荷载气动力信息，到得到结构的风振响应整个过程来看，计算过程中涉及到风洞试验和随机振动分析等复杂过程，不易为工程设计人员所掌握，因此迫切需要研究简便的建筑结构抗风设计方法。 等效静力风荷载理论 就是在这一背景下提出的。其基本思想是将脉动风的 动力效应以其等效的静力形式表达出来，从而将复杂的动力分析问题转化为易于被设计人员所接受的静力分析问题。等效静力风荷载是联系风工程研究和结构设计的纽带[3] ，是结构抗风设计理论的 核心内容，近年来一直是结构风工程师研究的热点之一。 等效静力风荷载的物理意义可以用单自由度体系的简谐振动来说明 [45, 108] 。 k c P(t) x(t) 图1.3 气动力作用下的单自由度体系 对如图1.3的单自由度体系，在气动力 P t 作用下的振动方程为： mx cx kx P t (1.4.1) 考虑粘滞阻尼系统，则振动方程可简化为： 2 00 2 22P t x f x f x m (1.4.2) 式中 12 f k m 为该系统的自振频率， 2c km 为振动系统的临界阻尼比。 假设气动力为频率为 f 的简谐荷载，即 20i ft P t F e ，那么其稳态响应为： 202 00 1 2i ft F k x t e f f i f f (1.4.3) 进一步化简有： 2 i ft x t Ae (1.4.4) 其中 02 2 2 1 2F k A f f f f ， 2 2arctan 1 f f f f ， A 为振幅， 为气动力和 位移响应之间的相位角。 现在假设该系统在某静力 F 作用下产生幅值为A 的静力响应，那么该静力应该为：
风荷载 的统计与分析
Undergraduate Course "Loads & Structural Design Methods" Project #3 风荷载的基本原理与统计调查 杨冬冬，陈钿渊，王富洋，董文晨，葛文泽，赵远征 摘要：随着经济的发展，世界上出现了越来越多的高层、超高层建筑。在对这些建筑进行设计时，结构的抗风设计占着极其重要的地位。作为一种动荷载，作用到结构上时，风荷载将引发结构相应的动反应，使结构发生振动，这时需确定结构的最大动反应，以便做出合理的动力分析。而作为一种可变作用，风荷载的统计规律与时间有关，需采用合适的随机过程概率模型（如平稳二项随机过程）进行描述，进而根据相应的统计数据确定风荷载的代表值和荷载系数，然后便可以应用结构动力学和结构可靠性的相关知识对建筑结构的抗风进行科学而又经济的设计了。 1.引言 作为一种可变的动荷载，风荷载将引发结构很大的动反应。因为其统计随机性，需应用平稳二项随机过程进行描述，然后经过统计，得到荷载的代表值和相应系数，进而对结构进行抗风设计。 2.风荷载的基本原理 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性，从而在地球相同高度的两点之间产生压力差，这样，在不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动，就形成了风。从实测记录可以看出，可将风速看作为由两部分组成：第一部分是长周期部分，其周期大小一般在10min 以上，称为平均风；另一部分是短周期部分，是在平均风基础上的波动，其周期常常只有几秒至几十秒，称为脉动风。平均风的变化周期远离一般结构物的自振周期，对结构的作用属于静力作用。而脉动风的变化周期则与结构物的自振周期较为接近，对结构的作用属于随机的动力作用。风对结构的作用作为静力风和动力风的共同作用，是一个随机作用。 A）平均风描述 地面的摩擦对空气水平运动产生阻力，从而使气流速度减慢。该阻力对气流的作用随高度的增加而减弱，当超过了某一高度之后，就可以忽略这种地面摩擦的影响，气流将沿等压线以梯度风速流动，称这一高度为大气边界层高度。在边界层以上的大气称为自由大气，边界层以下的平均风速沿高度变化可以用指数率和对数率描述，指数率表示如下：
建筑结构抗风设计
建筑结构抗风设计在如今经济高速发展的同时，建筑的高度也飞速增高，而且建筑体型越来越复杂。高楼引来“风速杀手”。由于高层、超高层建筑鳞次栉比而引发峡谷效应，使城市街道风速加大，以致危及行人和行车安全。这种峡谷效应还表现在某些高楼部分外墙表面因风速过大产生巨大负压，玻璃幕墙或大墙板块会像雪崩一样脱落，高档门窗等也常常会发生突然崩塌、坠落伤人事故。所以，建筑高度的增高和复杂的体型使得建筑结构抗风设计的难度也在不断提高。我们要明白风对建筑的危害机理才能更好地进行抗风设计。风是紊乱的随机现象。风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法；摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害。风对建筑物表面的作用力大小，与建筑物体型、高度、建筑物所处位置、结构特性有关。 我国是世界上遭受台风灾害最为严重的国家之一,每年因台风灾害造成的经济 损失十分惨重。城市各类建筑物的损坏与倒塌是风灾直接损失的主要组成部分,快速预测和评估城市建筑物遭受风灾后的损伤情况,对城市防灾减灾工作至关重要,也是目前土木工程领域急待解决的一个问题。接下来让我们看一些比较成功的抗风设计的实例。 1974年美国芝加哥建成443m高（加上天线达500m）110层的西尔斯大楼成为当时世界最高的建筑，纽约的世界贸易中心大厦(412m，110层)只能让位，退居第二。大楼由9个标准方形钢筒体(22．9mx22．9m）组成。该结构由SOM设计．建筑师为FazlurKahn。建造到52层减少2个简体．到67层再减少2个简体．到92层再
风荷载标准值
For personal use only in study and research; not for commercial use For personal use only in study and research; not for commercial use 风荷载标准值 关于风荷载计算 风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一，结构抗风分析（包括荷载，内力，位移，加速度等）是高层建筑设计计算的重要因素。 脉动风和稳定风 风荷载在建筑物表面是不均匀的，它具有静力作用（长周期哦部分）和动力作用（短周期部分）的双重特点，静力作用成为稳定风，动力部分就是我们经常接触的脉动风。脉动风的作用就是引起高层建筑的振动（简称风振）。 以顺风向这一单一角度来分析风载，我们又常常称静力稳定风为平均风，称动力脉动风为阵风。平均风对结构的作用相当于静力，只要知道平均风的数值，就可以按结构力学的方法来计算构件内力。阵风对结构的作用是动力的，结构在脉动风的作用下将产生风振。 注意：不管在何种风向下，只要是在结构计算风荷载的理论当中，脉动风一定是一种随机荷载，所以分析脉动风对结构的动力作用，不能采用一般确定性的结构动力分析方法，而应以随机振动理论和概率统计法为依据。 从风振的性质看顺风向和横风向风力 顺风向风力分为平均风和阵风。平均风相当于静力，不引起振动。阵风相当于动力，引起振动但是引起的是一种随机振动。也就是说顺风向风力除了静风就是脉动风，根本就没有周期性风力会引起周期性风振，绝对没有，起码从结构计算风载的理论上顺风向的风力不存在周期性风力。 横风向，既有周期性振动又有随机振动。换句话说就是既有周期性风力又有脉动风。反映在荷载上，它可能是周期性荷载，也可能是随机性荷载，随着雷诺数的大小而定。 有的计算方法 根据现有的研究成果，风对结构作用的计算，分为以下三个不同的方面： （1）对于顺风向的平均风，采用静力计算方法 （2）对于顺风向的脉动风，或横风向脉动风，则应按随机振动理论计算 （3）对于横风向的周期性风力，或引起扭转振动的外扭矩，通常作为稳定性荷载，对结构进行动力计算
工程中风压-风荷载理论定义和计算方法
第一章风、风速、风压和风荷载 第一节风的基本概念 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。气流一遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。风速愈大，对结构产生的压力也愈大，从而使结构产生大的变形和振动。结构物如果抗风设计不当，或者产生过大的变形会使结构不能正常地工作，或者使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。 风引起对结构作用的风荷载，是各种工程结构的重要设计荷载。风荷载对于高耸结构(如塔、烟囱、桅杆等)、高层房屋、桥梁、起重机、冷却塔、输电线塔、屋盖等高、细、长、大结构，常常起着主要的作用。因而，风力的研究，对工程结构，特别对上述工程结构，是设计计算中必不可少的一部分。 对结构安全产生影响的是强风，可分为热带低压、热带风暴、台风或飓风、寒潮风暴、飑风、龙卷风等。 不同的季节和时日，町以有不同的风向，给结构带来不同的影响。每年强度最大的风对结构影响最大，此时的风向常称为主导风向，可从该城市(地区)的风玫瑰图得出。由于风玫瑰图是由气象台得出的，建筑所在地的实际风向可能与此不同，因而在结构风丁程上，除了某些参数需考虑风向外，一般都可假定最大风速出现在各个方向上的概率相同，以较偏于安全地进行结构设计。关于需考虑风向的参数将在下面有关章节中加以说明。 风可以有一定的倾角，相对于水平一般最大可在±10°到—10°内变化。这样，结构上除水平分风力外，还存在上下作用的竖向分风力。竖向分风力对细长的竖向结构，例如烟囱等，一般只引起竖向轴力的变化，对这类工程来讲并不重要，因而只有像大跨度屋盖和桥梁结构，竖向分风力才应该引起我们的注意。但其值也较水平风力为小，但属于同一数量级。 根据大量风的实测资料可以看出，在风的时程曲线中，瞬时风速。包含两种成分：一种是长周期部分，其值常在10min以上；另一种是短周期部分，常只有几秒左右。图1—1是风从开始缓慢上升至稳定值后的一个时程曲线示意图。根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风(即稳定风)和脉动风(即阵风脉动)来加以分析。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，考虑到风的长周期远远地大于一般结构的自振周期，因而这部分风 虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用相近，因此可认为，其作用性质相当于静力。脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作用性质完全是动力的。 研究表明，脉动风的影响与结构周期、风压、受风面积等有直接影响，这些参数愈大，影响也愈大，兼之结构上还有平均风作用，因而对于高、细、长、大等柔性结构，风的影响起着很大的、甚至决定性的作用。 第二节风力强度表示法 不同的风有不同的特征，但它的强度常用风速来表达。最常用的风速分类有两种，即范围风速和工程风速。 一、范围风速 将风的强度划分为等级，用一般风速范围来表达。常用的有：蒲福风速表；福基达龙卷风风力等级表。 (一)蒲福风速表
高层建筑结构的抗风设计
高层建筑结构的抗风设计 【摘要】随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。根据建设规模，我国城市建设中占据比例最大的是高层建筑，而高层建筑结构的多变性和复杂性，使得结构设计工作成为建筑施工的重点和难点。面对高层建筑结构设计的相关问题，本文将对高层建筑抗风结构常见结构的问题进行分析。 【关键词】高层，建筑结构，抗风设计 一.前言 随着我国经济的快速发，在建筑方面高层建筑结构与低层建筑结构一样，需要同时承受结构自身自重（及其他荷载）产生的垂直作用和风荷载产生的水平作用，相对于低层建筑结构水平荷载对整个结构受力影响通常较小的状况，在高层建筑结构中水平风荷载会成为高层（超高层）建筑结构设计的受力控制因素。针对我国高层建筑结构的抗风设计进行深入的研究和探讨。 二.高层建筑结构抗风设计中存在的问题 1.设计风压等级的确立 设计风压等级的建立需要考虑多种因素的影响。目前，我国还没有对结构设计风压等级给出明确定义，具体的划分原则和范围界定还需进一步的研究探讨。 2.风振系数的确定 我国目前确定结构风震系数时采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所获取的阻尼比实测值确定的，而抗风设计所取的风载是30-100年一遇的大风荷载。此时，结构的振动将不是微小振动，而是有较大位移的振动，而大位移振动与微振的结构阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，将使风振系数减小。因此目前我国进行高层建筑钢结构抗风设计所取的风振系数可能偏大。 3.风振舒适度的考虑 《高规》中规定重现期为10年的最大加速度限值为：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文认为存在如下有待完善之处：首先，重现期取为10年已不能满足要求。《建筑荷载设计规范》中对一般结构基本风压重现期已规定为50年，且对特殊结构还要进行重现期为100年的舒适度验算；其次，该规定只将民用建筑分为公共建筑和公寓建筑两类，不够具体；再次，将峰值加速度限值仅定为0.28m/s2和0.20m/s2，不够精确。 三.高层建筑的抗风设计
建筑结构抗风设计
体育场网架屋盖结构风振浅析 XXX （学校，南京，210016） 摘要：伴随着的材料科学发展和土木工程施工工艺的进步，新建的体育场看台多用外形美观、结构新颖的大跨度柔性结构方向发展，这不仅满足了结构使用功能的需要，同时也给观众提供了开阔的视野。大跨度网架屋盖结构在风荷载下会受到强大的吸力，并引起柔性屋面的振动。本文简要介绍了大跨结构表面风压分布特征，风致破坏机理和风洞试验在大跨屋盖结构的应用。 关键词：大跨网架屋盖结构；风致破坏；风洞试验 A Brief Analysis of Study on Wind Induced Dynamic Response of Long Span Grid Roof Structures XXX ( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics, Nanjing, 210016, China) Abstract：Along with the development of science and technology，the stands of stadium are often covered with long—span flexible roof structures with beautiful shapes and new structural systems.It not noly meets the function of use,but also provide the audience with good view.When wind flows around roofs,the airflow will be separated to form a high suction zone，and the flexible roofs will suffer from wind—induced buffeting response.The article made a brief introduction of the issue Key words：Long-span grid structures；wind damage；wind tunnel test 引言 风灾是自然灾害的主要灾种之一，虽然其作用幅度比一般地震荷载小，但其作用频度却比地震荷载高得多。随着结构规模的增加，风荷载变得越来越重要，以至于最后成为结构设计中控制性荷载，近年来，国内外建造了大量的重大工程建筑结构，在这些重大工程的设计中，强风作用下结构的风荷载往往决定着结构的安全性能。典型的实例是大跨度网架屋盖结构，此类结构不断出现在体育场馆、机场、文体活动中心和展览馆等大型公共建筑中。国内著名的大悬挑屋盖体育场有上海虹口足球场、青岛体育中心、上海八万人体育场以及台州体育中心主体育场等，国外实例有意大利罗马体育场、美国亚特兰大奥运会主体育场、加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场等。此类建筑造价颇高，作为公共建筑，社会效益显著，多为当地标志性建筑。 此类体育场屋盖具有质量轻、跨度大、柔性大、阻尼小、自振频率低的特点，而且这类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域，再加上屋顶形状多不规则，绕流和空气动力作用十分复杂，风在体育场内形成了一个大的三维空间的非定常湍流场，体育场内风流动的机理很复杂，所以这种大跨屋盖对风荷载十分敏感。风荷
关于风荷载体型系数取用-2
关于门式刚架单层房屋体型系数的选用，目前国内主要有两种，一种是按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002，一种是按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)。如何选用这两种规范的体型系数和在结构设计软件PKPM中的具体应用成了结构设计人员必须解决的问题，本文就两种规范体型系数的区别和各自的适用范围通过算例进行验证，并提出笔者的看法。 在《建筑结构荷载规范》(以下简称GB50009)中，7.1.1条明确指出，计算主要承重结构和围护结构时，分别采用7.1.1-1式和7.1.1-2式，体型系数分别采用主体结构体型系数和围护结构的局部风压体型系数。主体结构体型系数根据7.3.1条取用，而围护结构局部风压体型系数按照7.3.3条规定，考虑边角区的影响和有效受风面积的修正。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（以下简称CECS102）中，主体结构和围护结构均采用相同的公式附录A.0.1式。刚架和围护结构等的体型系数按照表A.0.2中的相应数据。其中区分端区、中间区、边角区等，同样也有有效受风面积的修正。 GB50009已在我国沿用了50多年，积累了丰富的实际工程经验，它是面对所有结构形式的建筑房屋，因此具有通用性，也是工程设计和软件应用的主要参考依据。CECS102是参考美国金属房屋制造商协会MBMA的相关试验数据和资料编制的，主要针对门式刚架低矮房屋，已为世界多个国家采用。CSCE102有其相对较强的针对性，也就有其特定的适用范围，关于风荷载计算适用范围在CECS102附录A.0.2中已有明确表述，对于门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度不大于10度、屋面平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1、檐口高度不小于房屋的最小水平尺寸时，风荷载体型系数可以按照CECS102附录A的规定进行取用。此时的风荷载计算结果是比较接近相关的试验数据的，用于工程设计是没有问题的。而试验分析同时也表明，当柱脚铰接且刚架的L/H大于2.3和柱脚刚接且L/H大于3.0时，按《荷规》风荷载体型系数计算所得控制截面的弯矩已经偏离试验数据较多，再按此风荷载体型系数取用已经严重不安全。因此，在工程设计中对于房屋高宽比不大于1的，应该严格按照CECS102的体型系数进行取用。 下面通过算例比较《荷载规范》和《门规》的风荷载体型系数的计算结果，对于主体结构，封闭式房屋中间区的体型系数： 算例一，跨度L＝24m，高度H＝8m，L/H=3.0, 50年一遇基本风压W0＝ 0.50KN/m2，地面粗糙度B类，恒载0.30KN/m2，活载0.50KN/m2。 1、按GB50009取用风荷载体型系数： 左风左柱弯矩图：
第二部分 风荷载计算
第二部分 风荷载计算 一：风荷载作用下框架的弯矩计算 （1）风荷载标准值计算公式：0k z s z W w βμμ=??? 其中k W 为垂直于建筑物单位面积上的风荷载标准值 z β为z 高度上的风振系数，取 1.00z β= z μ为z 高度处的风压高度变化系数 s μ为风荷载体型系数，取 1.30s μ= 0w 为攀枝花基本风压，取00.40w = 该多层办公楼建筑物属于C 类，位于密集建筑群的攀枝花市区。 （2）确定各系数数值 因结构高度19.830H m m =<，高宽比19.8 1.375 1.514.4 H B ==<，应采用风振 系数z β来考虑风压脉动的影响。该建筑物结构平面为矩形， 1.30s μ=，由《建筑结构荷载规范》第3.7查表得0.8s μ=（迎风面）0.5s μ=-（背风面），风压高度变化系数z μ可根据各楼层标高处的高度确定，由表4-4查得标准高度处的z μ值，再用线性插值法求得所求各楼层高度的z μ值。 （3）计算各楼层标高处的风荷载z q 。攀枝花基本风压取00.40/w KN mm =，取②轴横向框架梁，其负荷宽度为7.2m,由0k z s z W w βμμ=???得沿房屋高度分布风荷载标准值。 7.20.4 2.88z z s z z s z q βμμβμμ=?=，根据各楼层标高处的高度i H ，查得z μ代入上式，可得各楼层标高处的()q z 见表。其中1()q z 为迎风面，2()q z 背风面。 风正压力计算： 7. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.790.8 2.370/z s z q z KN m βμμ==????= 6. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.770.8 2.306/z s z q z KN m βμμ==????= 5. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.8 2.216/z s z q z KN m βμμ==????= 4. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.8 2.216/z s z q z KN m βμμ==????= 3. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.8 2.216/z s z q z KN m βμμ==????= 2. 1() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.8 2.216/z s z q z KN m βμμ==????= 1. 1() 2.88 2.880.00 1.300.740.80.000/z s z q z KN m βμμ==????= 风负压力计算： 7. 2() 2.88 2.88 1.00 1.300.790.5 1.480/z s z q z KN m βμμ==????= 6. 2() 2.88 2.88 1.00 1.300.770.5 1.441/z s z q z KN m βμμ==????= 5. 2() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.5 1.385/z s z q z KN m βμμ==????= 4. 2() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.5 1.385/z s z q z KN m βμμ==????= 3. 2() 2.88 2.88 1.00 1.300.740.5 1.385/z s z q z KN m βμμ==????=
风荷载作用下排架内力分析
风荷载作用下排架内力分析 1.左吹风时计算简图如图（1）所示 q 2 (1) 对于A 柱： λ=0.288 n=0.15 411311113110.34218111.8614.60.3429.287() A n C n R q HC KN λλ????+- ???????==????+- ???????=-=-??=-← 对于C 柱； λ=0.288 n=0.244 411321113110.35718110.9314.60.357 4.847()C n C n R q HC KN λλ????+- ???????==????+- ?????? ?=-=-??=-← A C W R R R F =+-=-9.287-4.847-9.54=-23.674KN （←） 各柱顶的剪力分别为： A η=0.361 B η=0.545 C η=0.094 A A A V R R η=-=-9.287+0.361×23.674=-0.741KN(←) B B V R η=-=0.545×23.647=12.902KN(→) C C C V R R η=-=-4.847+0.094×23.674=-2.622KN(←)
排架内力如下图： A B C A B C 2.右吹风时计算简图如图（2）所示 F w （2） 对于A 柱： n=0.146 11C =0.342 A R =-2q H 11C =0.93×14.6×0.342=4.644KN ( )
对于C 柱： n=0.244 11C =0.357 111C R q HC =-=-1.86×14.6×0.357=9.695KN(→) A C W R R R F =+-=4.644+9.695+9.54=23.879KN(→) 各柱顶的剪力分别为 A η=0.361 B η=0.545 C η=0.094 A A A V R R η=-=4.644-0.361×23.879=-3.976KN(←) B B V R η=-=-0.545×23.879=13.014KN(→) C C C V R R η=-=9.695-0.094×23.879=7.450KN(→) 排架内力图如下所示 A B C A B C 5. Max T 作用于AB 跨柱： 当AB 跨作用吊车横向水平荷载时，排架计算简图如下图（ ）所示 1.当Max T 向右作用时对于A 柱n=0.146 λ=0.288 , 得a=(4.2m-1.2m)/4.2m=0.714 ,
风荷载计算方法与步骤
1风荷载 当空气的流动受到建筑物的阻碍时，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建 筑物所受的风荷载。 1.1单位面积上的风荷载标准值 建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。 垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值ω（KN/m2）按下式计算： ω 风荷载标准值（kN/m2）=风振系数×风荷载体形系数×风压高度变化系数×基本风压 1.1.1基本风压 按当地空旷平坦地面上10米高度处10分钟平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇的最大值确定的风速v0(m/s)，再考虑相应的空气密度通过计算确定数值大小。 按公式确定数值大小，但不得小于0.3kN/m2，其中的单位为t/m3，单位为kN/m2。也可以用公式计算基本风压的数值，也不得小于0.3kN/m2。 1.1.2风压高度变化系数 风压高度变化系数在同一高度，不同地面粗糙程度也是不一样的。规范以B类地面粗糙程度作为标准地貌，给出计算公式。 粗糙度类别 A B C D 300 350 450 500 0.12 0.15 0.22 0.3 场地确定之后上式前两项为常数，于是计算时变成下式： 1.1.3风荷载体形系数 1）单体风压体形系数 （1）圆形平面；
（2）正多边形及截角三角平面，n为多边形边数； （3）高宽比的矩形、方形、十字形平面； （4）V形、Y形、L形、弧形、槽形、双十字形、井字形、高宽比的十字形、高宽比，长宽比 的矩形、鼓形平面； （5）未述事项详见相应规范。 2）群体风压体形系数 详见规范规程。 3）局部风压体形系数 檐口、雨棚、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，不宜小于 2.0。未述事项详见相应规范规程。 1.1.4风振系数 对于高度H大于30米且高宽比的房屋，以及自振周期的各种高耸结构都应该考虑脉动风压对结构发生顺向风振的影响。（对于高度H大于30米、高宽比且可忽略扭转的高层建筑，均可只考虑第一振型的影响。） 结构在Z高度处的风振系数可按下式计算： ○1g为峰值因子，去g=2.50；为10米高度名义湍流强度，取值如下： 粗糙度类别 A B C D 0.12 0.14 0.23 0.39 ○2R为脉动风荷载的共振分量因子，计算方法如下： 为结构阻尼比，对钢筋混凝土及砌体结构可取； 为地面粗糙修正系数，取值如下： 粗糙度类别 A B C D 1.28 1.0 0.54 0.26 为结构第一阶自振频率（Hz）； 高层建筑的基本自振周期可以由结构动力学计算确定，对于较规则的高层建筑也可采用 下列公式近似计算： 钢结构 钢筋混凝土框架结构
高层建筑结构的抗风设计 刘桐良
高层建筑结构的抗风设计刘桐良 发表时间：2019-07-19T16:03:20.703Z 来源：《基层建设》2019年第12期作者：刘桐良 [导读] 摘要：随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。 身份证号码：41048219900729XXXX 河南汝州 467599 摘要：随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。根据建设规模，我国城市建设中占据比例最大的是高层建筑，而高层建筑结构的多变性和复杂性，使得结构设计工作成为建筑施工的重点和难点。面对高层建筑结构设计的相关问题，本文将对高层建筑抗风结构常见结构的问题进行分析。 关键词：高层；建筑结构；抗风设计 1 前言 随着我国经济的快速发，在建筑方面高层建筑结构与低层建筑结构一样，需要同时承受结构自身自重（及其他荷载）产生的垂直作用和风荷载产生的水平作用，相对于低层建筑结构水平荷载对整个结构受力影响通常较小的状况，在高层建筑结构中水平风荷载会成为高层（超高层）建筑结构设计的受力控制因素。针对我国高层建筑结构的抗风设计进行深入的研究和探讨。 2 高层建筑结构抗风设计中存在的问题 2.1 设计风压等级的确立 设计风压等级的建立需要考虑多种因素的影响。目前，我国还没有对结构设计风压等级给出明确定义，具体的划分原则和范围界定还需进一步的研究探讨。 2.2 风振系数的确定 我国目前确定结构风震系数时采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所获取的阻尼比实测值确定的，而抗风设计所取的风载是30-100年一遇的大风荷载。此时，结构的振动将不是微小振动，而是有较大位移的振动，而大位移振动与微振的结构阻尼比是不同的，一般前者比后者大；而阻尼比增大，将使风振系数减小。因此目前我国进行高层建筑钢结构抗风设计所取的风振系数可能偏大。 2.3 风振舒适度的考虑 《高规》中规定重现期为10年的最大加速度限值为：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文认为存在如下有待完善之处：首先，重现期取为10年已不能满足要求。《建筑荷载设计规范》中对一般结构基本风压重现期已规定为50年，且对特殊结构还要进行重现期为100年的舒适度验算；其次，该规定只将民用建筑分为公共建筑和公寓建筑两类，不够具体；再次，将峰值加速度限值仅定为0.28m/s2和 0.20m/s2，不够精确。 3 高层建筑的抗风设计 3.1 高层建筑结构在风荷载作用下的破坏形式 主体结构开裂或损坏，如位移过大引起框架、剪力墙、承重墙裂缝或结构主筋屈服；层间位移引起非承重隔墙开裂；局部风压过大引起玻璃、装饰物、围护结构破坏；建筑物的频繁、大幅度摆动使居住者感到不适；长期的风致振动引起结构疲劳，导致破坏。 3.2 高层建筑结构抗风的一搬设计原则 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作用下的位移，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、女儿墙及其它围护构件必须有足够的强度并与主体结构可靠地连接，防止局部破坏。 3.3 风荷载的计算 我国规范GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》对荷载统计采用50年设计基准期，并且用平稳二项随机过程来描述荷载的随机过程。气流遇到建筑物时，在建筑物表面上产生压力或吸力，即形成风荷载，其大小主要与近地风的性质、风速、风向有关，也与建筑的高度、形状和地表面状况有关。根据新规范进行主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。 3.4 风荷载作用下高层建筑的振幅、震动速度和加速度控制 根据现行的建筑结构设计规范，对于高层建筑结构在风荷载作用下的变形响应主要作以下两方面的限制： （一）限制结构的顶端水平位移u与总高度H的比值（u/H），目的是控制结构的总变形量。 （二）限制相邻两层楼盖间的相对水平位移Δh与层高h的比值（Δu/h），一般Δu /h在结构的各层中具有不同的比值，且往往最大的Δu/h 要超过u/H的限值。限制最大的Δu/h目的是防止填充墙、装饰部件的损坏，避免电梯轨道和管道等设施产生过大的变形。 高层建筑结构的变形控制对于控制风振侧移是非常重要的，结构侧移特别是层间侧移是决定建筑物破坏程度的因素，因此能否将侧移控制在允许限度内，是检验抗侧力体系有效性的重要指标。 3.5 高层建筑结构抗风加固的方法 （一）增大截面法。增大构件的截面面积，提高承载能力及截面刚度，改变自振频率，减小结构的动力风荷载效应。多用于加固结构中的梁、板、柱和钢结构中的柱及屋架以及砖墙、砖柱等。此法会减小使用空间，增加结构自重。 （二）外包钢加固法。在结构构件四周包以型钢进行加固，分干式外包钢和湿式外包钢两种形式。在保持原构件截面尺寸的同时提高构件承载力、延性和刚度，适用于混凝土柱、梁、屋架和砖窗间墙以及烟囱等结构构件的加固。但用钢量较大、维修费用较高。 （三）预应力加固法。外加预应力钢拉杆对结构进行加固。在几乎不改变使用空间的条件下，提高构件的承载力。广泛用于受弯构件以及混凝土柱、钢梁及钢屋架的加固。加固效果好而且经济，很有发展前景；不足的是增加了施加预应力的工序和设备。 （四）改变受力体系加固法。增设支点或采用托梁拔柱的办法改变结构的受力体系。大幅度提高结构构件的承载力，减小挠度、裂缝宽度。多用于大跨度结构。 （五）外部粘钢加固法。用胶粘剂在构件外部粘贴钢板。施工简易周期短，加固后几乎不改变构件的外形和使用空间，大大提高构件
风荷载标准值计算方法
按老版本规范风荷载标准值计算方法： 1.1风荷载标准值的计算方法 幕墙属于外围护构件，按建筑结构荷载规范(GB50009-2001 2006年版)计算： w k =β gz μ z μ s1 w ……7.1.1-2[GB50009-2001 2006年版] 上式中： w k ：作用在幕墙上的风荷载标准值(MPa)； Z：计算点标高：15.6m； β gz ：瞬时风压的阵风系数； 根据不同场地类型,按以下公式计算(高度不足5m按5m计算)： β gz =K(1+2μ f ) 其中K为地面粗糙度调整系数，μ f 为脉动系数 A类场地：β gz =0.92×(1+2μ f ) 其中：μ f =0.387×(Z/10)-0.12 B类场地：β gz =0.89×(1+2μ f ) 其中：μ f =0.5(Z/10)-0.16 C类场地：β gz =0.85×(1+2μ f ) 其中：μ f =0.734(Z/10)-0.22 D类场地：β gz =0.80×(1+2μ f ) 其中：μ f =1.2248(Z/10)-0.3 对于B类地形，15.6m高度处瞬时风压的阵风系数： β gz =0.89×(1+2×(0.5(Z/10)-0.16))=1.7189 μ z ：风压高度变化系数； 根据不同场地类型,按以下公式计算： A类场地：μ z =1.379×(Z/10)0.24 当Z>300m时，取Z=300m，当Z<5m时，取Z=5m； B类场地：μ z =(Z/10)0.32 当Z>350m时，取Z=350m，当Z<10m时，取Z=10m； C类场地：μ z =0.616×(Z/10)0.44 当Z>400m时，取Z=400m，当Z<15m时，取Z=15m； D类场地：μ z =0.318×(Z/10)0.60 当Z>450m时，取Z=450m，当Z<30m时，取Z=30m； 对于B类地形，15.6m高度处风压高度变化系数： μ z =1.000×(Z/10)0.32=1.1529 μ s1 ：局部风压体型系数； 按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)第7.3.3条：验算围护 构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数μ s1 ： 一、外表面 1. 正压区按表7.3.1采用； 2. 负压区 -对墙面，取-1.0 -对墙角边，取-1.8 二、内表面 对封闭式建筑物，按表面风压的正负情况取-0.2或0.2。 本计算点为大面位置。 按JGJ102-2003第5.3.2条文说明：风荷载在建筑物表面分布是不均匀的，在檐口附近、边角部位较大。根据风洞试验结果和国外的有关资料，在上述区域风吸力系数可取-1.8，其余墙面可考虑-1.0，由于围护结构有开启的可能，所以
超高层建筑结构抗风性能研究
超高层建筑结构抗风性能研究 发表时间：2018-11-27T11:18:27.293Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第21期作者：白旭涛1 袁王辉2 李超然3 [导读] 在结构设计中我们需要考虑高层建筑与多层建筑的区别，且高层建筑由于整体高度，结构内部受力情况也更加复杂。对于高层建筑而言，风荷载引起的效应在总荷载效应中所占的比重比较大，所以要做好高层建筑结构抗风设计工作，提高建筑结构的科学性和合理性，从而为人们提供一个舒适的居住环境，以此促进高层建筑的发展和进步。 白旭涛1 袁王辉2 李超然3中国启源工程设计研究院有限公司陕西省西安市 710018摘要：高层建筑数量的不断增加更加充分利用土地资源，在结构设计中我们需要考虑高层建筑与多层建筑的区别，且高层建筑由于整体高度，结构内部受力情况也更加复杂。对于高层建筑而言，风荷载引起的效应在总荷载效应中所占的比重比较大，所以要做好高层建筑结构抗风设计工作，提高建筑结构的科学性和合理性，从而为人们提供一个舒适的居住环境，以此促进高层建筑的发展和进步。 关键词：超高层；建筑结构；抗风；性能 1高层建筑结构抗风设计理论高层建筑一般具备较大的高宽比，同时其抗侧刚度较小；并且地震作用和风荷载都是其主要承担的水平荷载。相比较地震作用，风荷载出现的频率比较高。所以，在高层建筑结构中，主要设计的荷载是风荷载。 1.1基于性能的结构抗风设计理论 基于性能的结构抗风设计理论，主要目标是在不一样强度水平风振的影响下，对建筑结构的安全和舒适度进行有效的控制，从而确定不同性能水准，确保在整个生命周期内的建筑物，在承担可能会出现的风振作用下，其总体成本费用是最小的。 1.2结构风振性能水准 1. 2.1风振系数 作为我国目前使用得荷载规范的一个重要系数，风振系数对风载值的作用比较大。 1.2.2人体舒适度 在侧向力的影响下，高层建筑会出现振动的情况，如果振动处于某一个限值时，人们会产生不舒服的感觉。人体得舒服度可以分为六个不同的等级，分别是无振感、轻微振感、中等振感、烦恼和非常烦恼以及无法忍受。 1.2.3结构风振性能水准 性能水准，主要是指所设计的建筑物，在可能会遭受的特定风作用下，所明确的最大容许舒服度，或者所容许的最大破坏度。主要是从舒适度和变形两个方面确定性能水准的指标。 1.3结构性能目标 性能目标，主要指的是所设计的建筑物，在设计风压等级的需求下，满足性能水准的总和。结构性能目标，要综合考虑建筑物的使用要求、功能要求的重要性等等要素。 1.4结构抗风计算 1.4.1理论计算 在计算分析的工作中：①要充分的考量结构的线性，同时要充分的考量非线性恢复力特性，从而完成模型分析工作；②选择科学的计算方法，计算模拟风场，同时分析风振的动力时程；③按照不一样的性能目标，选择有效的分析方法；④推广实用性较强和容易掌握的计算方法，降低计算量，重视前后处理软件程序的开发和利用工作。 1.4.2风洞试验 风洞试验的主要目标，是对大气边界层风对建筑物产生的作用进行测量。高楼会导致比较强的地面风，对地面的破坏作用也比较大；如果高层建筑集聚在一起，群体效应会危害建筑物和建筑物之间的通道，上述情况都可以利用风洞试验完成分析工作。 2提高超高层建筑稳定性的相关方法超高层建筑会有正常的摆动，顶层会有一个自动配重的装置，主要用于预防地震。这个配重装置的学名叫做风阻尼器(tunedmassdump-er)。这是一个几百吨重的悬挂在楼顶部的大铁球，它调整了房屋的共振频率，使房屋在强风，地震情况下减少震动幅度，调整振动频率避免共振。房屋在大风中引起的晃动，包括建造过程中，是主要靠地基来保证建筑的整体完整性的。超大型建筑的保险系数是很高的，比一般小高层之类的要稳得多。另外在结构较高时，风阻尼器的安装，会减少震动幅度，也是为了减少人在内部活动的眩晕感，对于建造好的建筑结构如何做抗震与抗风设计的。建造过程中，并不是抗震的最不利状态。所以在设计过程中，有一个原则或者方法:对最不利状态进行设计。所谓最不利，就是各种情况下，对结构物危害最大的情况。一个结构物，受力状态多种多样，设计者不可能对每一个状态都进行计算，只能选择最不利的状况进行设计计算。最不利状况没有问题了，那么其他状况也就自然满足。值得指出的是，与最优化问题类似，通常也没法找到最不利(对应全局最优)的状况，只能找到若干个次不利(对应局部最优)的状况，以此作为依据进行结构稳定设计。回到这个问题本身，在建造过程中，如果将施工辅助设施牢固的固定在建筑物上，这时候如果发生地震，似乎并不是结构的最不利状况。因为地震荷载与几个因素有关，结构物的质量，结构物的刚度，结构物的高度。在建筑物达到最高处，建造完毕时，此时结构物的质量最大，刚度最小，高度最高。这时候，似乎才是结构物的最不利状况。这时候，抗震性能满足要求，那么建造过程中的抗震性能就自然满足了。 3高层建筑结构抗风措施 3.1横向风控制 高层建筑具有高而柔的特点，其一阶自振频率往往与风荷载峰值频率比较接近，在风荷载作用下很容易产生强烈的共振效应，导致结构响应放大。从横风向风力形成以及横风向响应的特点来看，控制横风向风致响应可以采用气动措施和结构措施。气动措施包括：减小横风向风力和改变建筑周边漩涡脱落频率，改变横风向风力功率分布；结构措施包括改变结构刚度或改变结构阻尼。 3.1.1气动措施
高层建筑结构的抗风设计
高层建筑结构的抗风设计 一、前言 当前，我国高层建筑的高度不断增加，加之全球气候和环境问题，使得高层建筑抗风设计受到人们的广泛关注。 二、高层建筑抗风的研究方法 结构抗风性能研究的主要方法有风洞试验、CFD数值模拟、理论分析和现场实测四种。 1、风洞试验方法 风洞试验，即在大气边界层风洞中用模型试验来模拟实际结构在风的作用下静力和动力效应。常用的风洞试验方法包括刚性模型测压试验、高频动态天平试验、节段模型测力试验、节段模型测振试验和气动弹性模型试验等。刚性模型测压试验也就是按照外形几何相似的原则，以一定缩尺比例制作测压模型进行风洞测压试验。这种试验方法是一种结构表面上的所有压力测点的同步压力测试法，它要求所有测点同步测试，结构响应的计算可以考虑多模态的影响，但较多测点的同步测试需要较好的试验测试设备。 高频动态天平试验得到理想状态下的结构响应，较容易实现，在高层建筑模型的风洞试验中该方法应用较广，但是它只能考虑一阶直线型模态，不能考虑高阶模态影响，一般只能从理论上进行修正或加入一定的假定来弥补试验的不足。节段模型测力试验和节段模型测振试验一般使用刚性或弹性支座模型，通常用于桥梁结构，也可以用于其它细长形状的结构。气动弹性模型试验能够全面考虑结构和气流的相互耦合作用，较为真实地反映结构在大气边界层中的动力响应形式，是进行结构风致响应研究的一种重要手段，但是模型制作和试验都比较复杂。 2、计算流体力学数值模拟的方法 CFD数值模拟，即应用计算流体力学(CFD)技术在计算机上模拟建筑物周围的风压场变化并求解建筑物结构表面的风荷载分布。它拥有直接模拟实际风环境的能力，但是，建筑物位于大气边界层中，气流在大气边界层中的流动状态十分复杂，往往是计算流体力学中最难模拟的内容。同时，钝体建筑物周围流场也十分复杂，它是由撞击、分离、回流、环绕和旋涡等组成的，因此就目前来说，CFD 数值模拟方法还是无法替代风洞试验。