三 阵风系数
计算直接承受风压的幕墙构件(包括门窗)风荷载时的阵风系数应按下文表格确定。
对其他屋面、墙面构件阵风系数取1.0。(※也就是围护结构中大多数构件可直接取为1.0,此处为2006版规范中新修订内容※)
计算风荷载的阵风系数,是参考国外规范的取值水平,按下述公式确定:
式中:为脉动系数;
为建筑物计算位置离建筑物地面的高度(m);
为地面粗糙度指数,对应A、B、C、D四类地貌,分别取0.12、0.16、0.22、0.30;
为地面粗糙度调整系数,对A、B、C、D四种类型,分别取0.92、0.89、0.85、0.80。
四 风荷载体型系数
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力(或吸力)与来流风的速度压的比值,它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律,主要与建筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。
规范表格中给定的系数是有局限性的,必须将风洞试验作为抗风设计辅助工具,尤其是对体型复杂而且性质重要的房屋结构。
房屋和构筑物的风载体型系数,可按下列规定采用:
1) 房屋和构筑物与下表中体型类同时,可按表格的规定采用;
2) 房屋和构筑物与下表中体型不同时,可参考有关资料采用;
3) 房屋和构筑物与下表中体型不同且无参考资料可以借鉴时,宜由风洞试验确定;
4) 对于重要且体型复杂的房屋和构筑物,应由风洞试验确定。
当多个建筑物,特别是群集的高层建筑,相互间距较近时,宜考虑风力相互干扰的群体效应;一般可将单独建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数,该系数可参考类似条件的试验资料确定;必要时宜通过风洞试验得出。
可根据《工程抗风设计计算手册》,采用对应的增大系数。当相邻房屋的间距小于3.5倍的迎风面宽度且两栋房屋中心连线与风向成45°时,可取大值;当房屋连线与风向一致时,可取小值;当与风向垂直时不考虑;当间距大于7.5倍的迎风面宽度时,也可不考虑。
风力作用在高层建筑表面,与作用在一般建筑物表面上一样,压力分布很不均匀,在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位(如阳台、雨棚等外挑构件),局部风压会超过表中平均风压。局部风压体型系数是考虑建筑物表面风压分布不均匀而导致局部部位的风压超过全表面平均风压的实际情况而作出的调整。对封闭建筑物,考虑到实际存在的个别孔口和缝隙,以及机械通风等因素,室内也可能存在正负不同的气压。
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:
一)外表面
1)正风压 按上表采用;
2)负风压
——对墙面,取-1.0;
——对墙角边,取-1.8;
——对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位),取-2.2;
——对檐口、雨棚、遮阳板等突出构件,取-2.0。
注:对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的0.1或房屋平均高度的0.4,取其小者,但不小于1.5m。
二)内表面
对封闭式建筑物,按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。
注:上述的局部体型系数是适用于围护构件的从属面积小于或等于1m2的情况,当围护构件的从属面积大于或等于10 m2时,局部风压体型系数可乘以折减系数0.8,当构件的从属面积小于10 m2而大于1 m2时,局部风压体型系数可按面积的对数线性插值,即:
五 风振系数
顺风向风振和风振系数
对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构,均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行,结构的自振周期应按结构动力学计算。
对于基本自振周期小于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,但经计算标明,这类结构的风振一般不大,此时往往按构造要求进行设计,结构已有足够的刚度,因而一般不考虑风振影响也不至于会影响结构的抗风安全性。但对于大跨度的屋盖结构(包括悬挑屋盖结构)的风振影响应予以考虑,这里的大跨度屋盖是指跨度在36m以上的屋盖(不包括索结构)。
近似的基本自振周期可按以下方法计算:
高耸结构
一般情况:
钢结构可取高值,钢筋混凝土结构可取低值。
具体情况:
1)烟囱
(1)高度不超过60m的砖烟囱:
(2)高度不超过150m的钢筋混凝土烟囱:
(3)高度超过150m,但低于210m的钢筋混凝土烟囱:
式中:为烟囱高度(m);
为烟囱1/2高度处的外径(m)。
2)石油化工塔架
(1)圆柱(筒)基础塔(塔壁厚不大于30mm):
当时
当时
(2)框架基础塔(塔壁厚不大于30mm):
式中:为从基础底板或柱基顶面至设备塔顶面的总高度(m);
为设备塔的外径(m);对变直径塔,可按各段高度为权。取外径的加权平均值。
(3)塔壁厚大于30mm的各类设备塔架的基本自振周期应按有关理论公式计算。
(4)当若干塔由平台连成一排时,垂直于排列方向的各塔基本自振周期可采用主塔(即周期最长的塔)的基本自振周期值;平行于排列方向的各塔基本自振周期可采用主塔基本自振周期乘以折价系数0.9
高层建筑
一般情况:
1)钢结构
2)钢筋混凝土结构
式中:为建筑层数。
具体结构
1)钢筋混凝土框架和框剪结构
2)钢筋混凝土剪力墙结构
式中:为房屋总高度(m);
为房屋宽度(m)。
对于一般悬臂型结构,例如构架、塔架、烟囱等高耸结构,以及高度大于30m,高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑,均可仅考虑第一振型的影响,结构的风荷载可按公式通过风振系数来计算,结构在高度处的风振系数可按下式计算:
式中:为脉动增大系数;
为脉动影响系数;
为振型系数;
为风压高度变化系数。
脉动增大系数,可按下式(下表)确定:
式中:为结构的阻尼比;对钢结构取0.01,对有墙体材料填充的房屋钢结构取0.02,对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05;
为考虑当地地面粗糙度后的基本风压,对A类、B类、C类和D类地区应按当地的基本风压风别乘以1.38、1.00、0.62和0.32;
为结构的基本自振周期。
注:计算时,对地面粗糙度B类地区可直接代入基本风压,而对A类、C类和D类地区应按当地的基本风压风别乘以1.38、0.62和0.32后代入。
脉动影响系数,可按下列情况分别确定:
1)结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等):
(1)若外形、质量沿高度比较均匀,脉动系数可按下表确定。
(2)当结构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时,上表格中的脉动影响系数应再乘以修正系数和。应为构筑物迎风面在高度处的宽度与底部宽度的比值,;按下表确定:
注:、分别为构筑物迎风面在顶部和底部的宽度。
2)结构迎风面宽度较大时,应考虑宽度方向风压空间相关性的情况(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀,脉动影响系数可根据总高度及其迎风面宽度的比值,按下表确定。
振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度近似确定:
结构振型系数的近似值
结构振型系数应按工程由结构动力学计算得出。在此仅给出截面沿高度不变的两类结构第1至第4的振型系数和截面沿高度规律变化的高耸结构第1振型系数的近似值。在一般情况下,对顺风向响应可仅考虑第1振型的影响,对横风向的共振响应,应验算第1至第4振型的频率,因此列出相应的前4个振型系数。
迎风面宽度远小于其高度的高耸结构,其振型系数可近似按下式(下表)确定:
迎风面宽度较大的高层建筑,当剪力墙和框架均起主要作用时,其振型系数可近似按下式(下表)采用:
对截面沿高度规律变化的高耸结构,其第1振型系数可按下表采用:
横风向风振
横风向风振参见《建筑结构荷载规范》(2006年版),这里从略。
六 风荷载标准值
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值,应按下述公式计算:
1)当计算主要承重结构时:
式中:为风荷载标准值(kN/m2);
为高度处的风振系数;
为风荷载体型系数;
为风压高度变化系数;
为基本风压(kN/m2)。
风振系数综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应,其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。
2)当计算围护结构时:
式中:为风荷载标准值(kN/m2);
为高度处的阵风系数(注意规范中直接受荷幕墙与其他围护构件的取值区别,且在2006年版规范中修正了取值);
为局部风压体型系数(注意在2006年版规范中修正了取值);
为风压高度变化系数;
为基本风压(kN/m2)。
对于围护结构,由于其刚性一般较大,在结构效应中可不必考虑其共振分量,此时可仅在平均风压的基础上,近似考虑脉动风瞬间的增大因素,原则上可通过局部风压体型系数和阵风系数来计算其风荷载。
对于房屋中直接承受风压的幕墙构件(包括门窗),按传统设计的经验,风荷载都是考虑脉动响应,按规定采用相应的阵风系数,对于非直接承受风压的幕墙构件,阵风系数可适当降低。对于其他的围护结构构件,处于传统设计经验,风荷载可仅通过局部风压体型系数予以增大而不考虑阵风系数。