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超高层建筑的风荷载及风洞试验研究

标签:超高,高层,高层建筑,建筑,荷载,风洞,风洞试验,试验 发布时间:2018年07月24日 点击217

风荷载是高层建筑分外是超高层建筑的重要侧向荷载之一。高层建筑在风荷载作用下遭到破坏的工程事故在近代中外都曾出现过,结构抗风分析是高层建筑设计计算的一个特别很是紧张的环节。科威特中间银行的新总部大楼(Central Bank of Kuwait New Headquarters Building,简称CBK,见图1)为非规则钢筋混凝土筒体与外侧钢框架的超高层混合结构,设计采用美国规范,因而必要了解并掌握美国规范风荷载分析的相干规定,另外对于这种体型复杂的结构,既有规范很难确定建筑外观的风压分布详细数值,可以借助风洞试验来比较客观真实的确定。

图1 科威特中间银行新总部大楼

1 风荷载基本参数

当风以肯定的速度向前活动碰到建筑物时,将对建筑物产生压力,形成风压。风速与风压的关系可以通过伯努利方程透露表现。风压值因高度、地貌、平均风速的时距、最大风速的样本时间以及基本风速的重现期等影响因素的不同而取值不同[1,2],各国规范在考虑这几个影响因素的的规准时不尽雷同。

例如,风速随时间赓续转变,因此如何取值对抗风分析很有影响,通常取一个规准时间内(称为时距)的平均风速作为计算的标准。显然对于工程设计来说最大风速值与时距的大小有关。而当前世界各国所采用的平均时距标准并不同等,中国时距取10min,前苏联取2min,英国根据建筑物或构件的尺寸不同分别取3s、5s和15s,日本取瞬时,美国以风程约1.6km(1mi)作为确定平均风速的标准,这相称于对不同风速取不同的平均时距。因而各国基本风压值的标准也有差别。

为了抗风设计及计算,必须规定一个标准条件下的风压,在指定的地貌、高度、时距等确定的风压称为基本风压,它是抗风设计与计算中的基本参数。在现实工程结构的抗风设计与计算时,必要考虑非标准条件情况,此种条件下的的风压可以根据肯定的换算关系由标准风压来换算。

2 风荷载计算

对于重要承重结构,风荷载标准值的表达可有两种情势,其一为平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压;另一种为平均风压乘以风振系数。因为在结构的风振计算中,通常来说是第一振型起重要作用,因而我国与大多数国家雷同,采用后一种表达情势,即采用风振系数来综合考虑结构在风荷载作用下的动力相应[3]

美国规范风荷载也包括重要抗风体系和构件及围护结构两部分。重要抗风体系是指用来支承次要构件及围护结构的重要结构构件的组合,该体系重要承受来自响应间接位置的风荷载,如刚性框架及撑系框架、空间桁架、楼面及屋面板、剪力墙、杆系支持框架等[4]

我国荷载规范中规定的重要承重结构风荷载标准值的计算公式为:

wkzμsμzw0                                                    (1)

美国UBC97规范规定的风荷载设计值的计算公式为:

P=CeCqqsIw                                                       (2)

美国ASCE 7-05规范中规定的重要抗风体系的风荷载设计值(方法1)的计算公式为:

ps=λKztIps30                                                     (3)

公中:μsCq均为体型系数,两者雷同;βzμzCe均为高度转变的阵风影响系数,两者的数值有所不同;w0qs以及ps30 为基本风压,均根据当地的风速确定,风速取值标准不同;Iw 及均为建筑结构紧张性系数;λ是考虑建筑物的不同高度及不同地貌的调整系数;Kzt是地形影响系数。

除了重要承重结构,对于围护结构,中国规范中指出,因为其刚性一样平常较大,在结构效应中可以不必考虑其振动分量,此时可仅仅在平均风压的基础上,近似考虑脉动风瞬间的增大因素,原则上可以通过局部风压体型系数和阵风系数来计算风荷载。对于房屋中直接承受风压的幕墙构件,按传统设计的经验,风荷载都是考虑脉动相应,应按照规范规定采用响应的阵风系数,对非直接承受风压的幕墙构件,阵风系数可以适当降低。对于其他的围护结构构件,出于传统设计经验,风荷载可以仅仅通过局部风压体型系数予以增大而不用考虑阵风系数。在美国规范中,构件及围护结构部分的风荷载的设计值的计算公式与重要抗风体系的类似,仅仅在各个参数的取值上有所不同。

美国ASCE7-05规范中规定的重要抗风体系的风荷载设计值(方法2)的计算公式如下。

1)对于刚性结构:

P=qGCp-qiGCpi                                              (4)

2)对于柔性结构:

P=qGfCp-qiGCpi                                              (5)

式中:q及qi为速度风压,G及Gf为阵风系数,而CpGCpi分别为外部压力系数和内部压力系数。

GB5009-2001是根据比较空旷平坦的地面上10m高的50年一遇10min内的最大风速;而美国UBC97规范是根据比较空旷平坦的地面上10m高的50年一遇的最大风速(相称于3s平均风速);两者差值反映在风压上,UBC97取值约比中国大1.5倍。美国规范基本风速取3s时距,比中国小,风速取值要比中国规范大,但是不能由此推测美国规范抗风计算效果肯定比中国大,由于讨论效应要由风荷载总效应来对比,它取决于各个参数的综合贡献,不能由一个系数来评述。按我国规范计算效果,比美国规范计算效果小一些或大一些,都不能说明我国规范偏于不安全或偏于保守,而是按我国结构可靠指标要求而确定。当采用美国UBC97规范配套设计时自动化生产线,根据当地的基本风压必须按照UBC97规范的取值标准提供。不同国家风荷载的计算可以有不同的效果,决定于适于每个国家本身的国情的安全度标准,以及长期以来的工程实践。

CBK工程项目中,基本风速按90mph(即144km/h),按照美国规范ASCE7-05的相干章节查出场地类别、紧张性系数、地形影响系数等等参数,再根据本工程结构的特征结合美国规范的详细条则规定计算得出阵风系数0.88,在Etabs软件中按照每隔15°主动定义了一个风荷载工况,共考虑72个风荷载工况。

3 风洞试验

结构体型对风荷载有紧张影响,确定风荷载的最正确的观测是建立在原型结构上的。为了得到更一样平常的结论,必须研究所有紧张参数的影响,然而这在实践中是不可能的。因此,确定风荷载的最适当的方法就是进行结构模型风洞试验。 对建筑物模型进行风载荷试验,从根本上改变了传统的设计方法和规范,大型建筑物如大桥、电视塔以及高层建筑群等,规定必须要进行风洞试验,而且模型必须模仿实物的刚度(即弹性模型),测量风振特征。

风洞,是指在一个管道内氧化硼,用动力设备驱动一股速度可控的气流,用以对模型进行空气动力实验的一种设备。风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。一样平常来说高层建筑的迎风面积比较大,假如要做到现实尺寸的模型来进行风洞试验,其动力消费将是惊人的。根据相似性原理,可以将高层建筑做成几何相似的小尺度模型。

CBK工程项目地处中东海湾地区,地上40层地下2层(不包括夹层部分),整个结构由底部的L形渐渐向三角形过渡,结构建筑标高为238.475m,其表面如图1所示。该建筑两直角边为钢筋混凝土剪力墙结构,斜边采用渐渐内收的交叉钢管混凝土斜柱形成斜面,斜柱通过短梁与楼层边梁的腹板连接。
工程设计阶段,悉尼大学风洞试验中间对团体塔楼做了1:500的缩尺风洞试验,风洞试验报告给出了NE-SW及SE-NW方向的最大弯矩、加速度和变形,并根据45o、270o、315o风向作用,给出了名义分配弯矩、剪力和总分配弯矩、剪力,按照设计时各风向角对应的剪力、弯矩组合系数定义了6个风荷载工况。
为了进行对照,同时又委托了英国BMT公司根据塔楼模型进行了风洞试验,两家单位的风洞试验分别自力进行。BMT风洞试验报告给出了320o、240o、330o、120o、310o、270o、0o、100o、260o共9种最不利风荷载工况下的各楼层剪力及扭矩,并给出了风荷载的作用中间,方便在Etabs软件中主动定义风荷载。除了结构团体风荷载外,还考虑了幕墙外观风荷载,作为幕墙设计依据。风洞试验的示意图片见图2,风洞试验的部分风压分布图见图3。



图2 科威特中间银行新总部大楼风洞试验示意(超高层建筑的风荷载)

经比较新疆人事考试中心网,英国BMT公司提供的风荷载值最大比初步设计时悉尼大学风洞试验中间给出的风荷载值大,这是因为在结构初步方案时所估计的质量较现实工程小所造成的。现实工程设计时按照Etabs主动生成的风荷载组合和BMT公司提供的风荷载共同进行设计。



图3 不同工况(1秒和3秒阵风)下结构的外外观风压分布云图(超高层建筑的风荷载)

结语
CBK工程项目设计采用美国规范,而美国规范中风荷载分析的相干规定与其它国家规范相比有不同之处,本文对比分析了中国与美国规范在风荷载参数取值以及计算方面的异同百度优化排名,能为类似工程风荷载分析计算提供一点参考。
该工程为非规则钢筋混凝土筒体与外侧钢框架的超高层混合结构,对于这种体型复杂的结构,既有规范很难确定建筑外观的风压分布详细数值,可以借助风洞试验来比较客观真实的确定。