高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積平均風(fēng)壓的研究介紹

梁 益

1 概述

風(fēng)荷載是控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載。工程中常常直接采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)上某個測點(diǎn)的最不利風(fēng)壓進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。但作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓并不是完全相關(guān)的，這導(dǎo)致總的風(fēng)荷載作用效果將隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的面積平均效應(yīng)[1]。因此，完全采用測點(diǎn)極值風(fēng)壓來進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可能導(dǎo)致過分保守的結(jié)果[2]。特別是在現(xiàn)代高層建筑中，幕墻結(jié)構(gòu)通常具有較大的面積，面積平均效應(yīng)可能較為明顯。為了安全而經(jīng)濟(jì)地設(shè)計這些大型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載的面積平均效應(yīng)是一個值得深入系統(tǒng)研究的課題。

本文歸納和介紹了目前研究高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓面積平均效應(yīng)的主要方法及相關(guān)成果，并總結(jié)了主要規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，以供我國相關(guān)研究和設(shè)計人員參考。

2 主要研究成果

2.1 直接平均法以及風(fēng)壓折減因子

面積平均風(fēng)壓極值的折減程度可用折減因子kp表示[11]:

其中，Cp，min(A)和 Cp，max(A)分別為作用面積為 A m2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積平均風(fēng)壓的極小值和極大值;Cp，min(1)和 Cp，max(1)分別為作用面積為1 m2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積平均風(fēng)壓的極小值和極大值。

折減因子可通過直接平均法獲得[4]:通過同步測壓得到測點(diǎn)的風(fēng)壓時程，并對這些時程按面積加權(quán)進(jìn)行瞬時相加后便可獲得測點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的面積平均風(fēng)壓的時程，進(jìn)而得到面積平均風(fēng)壓的極值及其折減因子。

目前，直接平均法在高層建筑的研究成果和規(guī)范應(yīng)用較少[4]。ASCE7-02[12]以及NBCC2005[13]中均只是簡單地將高層建筑墻面劃分為邊緣和內(nèi)部兩個區(qū)域(見圖1)。文獻(xiàn)[4]通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到了上述兩個區(qū)域內(nèi)的面積平均風(fēng)壓極值折減圖。圖2給出了由文獻(xiàn)[4]的部分結(jié)果、ASCE7-02中相關(guān)規(guī)定換算得到的極值負(fù)壓折減因子以及中國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的折減因子。

2.2 風(fēng)壓相關(guān)性分析

2.2.1 地貌的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[6][8]的研究，當(dāng)上游地貌粗糙度增加時，高層建筑側(cè)面的風(fēng)壓受斯脫羅哈頻率主導(dǎo)的效應(yīng)顯著減小，風(fēng)壓頻率分布在更廣泛的區(qū)域。同時地貌粗糙度增加時分離氣泡區(qū)變短，分離流附著點(diǎn)向建筑表面的上游移動。而分離氣泡區(qū)內(nèi)的風(fēng)壓受斯脫羅哈頻率主導(dǎo)，相關(guān)性較強(qiáng);再附著區(qū)域內(nèi)風(fēng)壓則相關(guān)性較弱。因而地表粗糙度的增加使得高層建筑側(cè)面的風(fēng)壓相關(guān)性變?nèi)?，空間折減效應(yīng)增加。

2.2.2 建筑外形尺寸的影響

對于高層建筑而言，截面長寬比對墻面風(fēng)壓分布(特別是建筑側(cè)風(fēng)墻面的風(fēng)壓分布)的影響是顯著的。文獻(xiàn)[15]研究了大量不同長寬比的矩形截面柱各個墻面0.8H高度處水平向的風(fēng)壓相關(guān)性。結(jié)果表明，對于迎風(fēng)面，隨著建筑寬度的增加，測點(diǎn)之間風(fēng)壓相關(guān)性變?nèi)?。對于?cè)風(fēng)面，風(fēng)壓相關(guān)性與來流分離、再附著以及再分離的過程有關(guān)，建筑截面的長寬比將影響這個過程的發(fā)生。

2.2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置的影響

高層建筑墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的折減程度受該圍護(hù)結(jié)構(gòu)所在位置的影響較為復(fù)雜。一般來說，側(cè)面的風(fēng)壓相關(guān)性要強(qiáng)于迎風(fēng)面，而迎風(fēng)面的風(fēng)壓相關(guān)性要強(qiáng)于背風(fēng)面。受來流分離、再附著以及再分離的影響，側(cè)面不同區(qū)域的風(fēng)壓相關(guān)性是不同的[6，15]。同時，由于三維繞流效應(yīng)，建筑中部區(qū)域的風(fēng)壓相關(guān)性要強(qiáng)于建筑頂部和建筑底部[6]。

2.3 移動平均法

對某個測點(diǎn)的風(fēng)壓時程進(jìn)行移動平均處理后計算得到風(fēng)壓峰值，并以此來代替該測點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)對應(yīng)面積的面積平均風(fēng)壓峰值，該方法稱為移動平均法[10，16]，用公式表示為:

其中，T為移動平均時長;V為來流平均風(fēng)速;L為結(jié)構(gòu)的特征尺寸，一般取圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對角線長度;K為與相干函數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]的實(shí)測結(jié)果，K的取值與高層建筑表面的位置以及來流特征密切相關(guān)。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為可取K=4.5作為一個合適的代表值。而文獻(xiàn)[16]則認(rèn)為應(yīng)采用移動平均濾波器對氣動導(dǎo)納函數(shù)曲線進(jìn)行擬合來得到K值。通過計算，文獻(xiàn)[16]建議K取1.0。

3 規(guī)范應(yīng)用簡介

3.1 北美規(guī)范[12，13]

美國ASCE7-02中規(guī)定了各類建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的極值風(fēng)壓。對于高度大于60ft的矩形截面的高層建筑，規(guī)范將建筑墻面劃分為邊緣和內(nèi)部兩個區(qū)域，并給出了各區(qū)域極值風(fēng)壓隨面積衰減的曲線。加拿大NBCC2005中的相關(guān)規(guī)定與ASCE7-02類似。

3.2 澳大利亞新西蘭規(guī)范[19]

AS/NZS 1170.2中采用面積折減因子Ka局部壓力因子Kl的組合來考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的面積平均效應(yīng)。Ka考慮風(fēng)壓作用于較大面積區(qū)域時的折減，用于主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，Kl則考慮風(fēng)壓在較小面積區(qū)域上相對較好的相關(guān)性，只用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。規(guī)范中對低矮和高層建筑均提供了詳細(xì)的規(guī)定。

3.3 其他規(guī)范[14]

除上述規(guī)范外，其他主要國家的風(fēng)荷載規(guī)范均沒有針對高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓面積平均效應(yīng)的規(guī)定。其中中國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年)中規(guī)定了圍護(hù)構(gòu)件的局部風(fēng)壓體型系數(shù)μsl(1)，適用于圍護(hù)構(gòu)件的從屬面積 A≤1 m2。當(dāng)圍護(hù)構(gòu)件的從屬面積A≥10 m2時，局部風(fēng)壓體型系數(shù) μsl(10)可乘以折減系數(shù)0.8。當(dāng)構(gòu)件的從屬面積1 m2＜A＜10 m2時，可按面積的對數(shù)線性插值。

4 結(jié)語

圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的面積平均效應(yīng)對于合理地進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要。目前的研究基本以風(fēng)壓相關(guān)性分析為主，研究者對地貌、建筑外形參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置等主要影響因素均進(jìn)行了考慮，但缺乏對應(yīng)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸范圍的風(fēng)壓相關(guān)性分析和便于工程應(yīng)用的成果?？蓞⒖家延械难芯砍晒捎弥苯悠骄椒▽Ω邔咏ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的面積平均效應(yīng)展開研究，得到面積平均因子等便于規(guī)范吸納采用的成果。另外，對于移動平均法中相關(guān)參數(shù)的取值仍存在較大爭議，應(yīng)對該方法展開仔細(xì)研究并在實(shí)際工程中予以應(yīng)用，以利用有限試驗(yàn)結(jié)果來獲得足夠信息。

[1] Stathopoulos，T.，D.Surry，A.G.Davenport.Effective wind loads on flat roofs[J].Journal of the Structral Division，ST2，1981，107(2):281-298.

[2] Wacker，J..Fluctuating wind load on cladding elements and roof pavers[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1991，38(2-3):405-418.

[3] Davenport，A.G.，D.Surry，T.Stathopoulos.Wind loads on low rise buildings:Final report of phasesⅠ andⅡBLWT-SS8-1977 ，Univ of Western Ontario:London，Ontario ，1997.

[4] Stathopoulos，T.，M.Dumitrescu-Brulotte.Design recommendations for wind loading on buildings of intermediate height[J].Canadian journal of civil engineering，1989，16(6):910-916.

[5] Uematsu ，Y.，N.Isyumov.Peak gust pressures acting on the roof and wall edges of a low-rise building[J].Journalof Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998(77-78):217-231.

[6] Kareem ，A.，J.E.Cermak.Pressure fluctuationson a square building model in boundary-layer flows[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1984 ，16(1):17-41.

[7] Kareem，A..Measurements of pressure and force fields on building modelsin simulated atmospheric flows[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990，36(1-3):589-599.

[8] Surry ，D.，D.Djakovich.Fluctuating pressures on models of tall buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995 ，58(1-2):81-112.

[9] Cook，N.J..The designer's guide to wind loading of building structures，Part 1，Background，damage survey，wind data and Structural classification.London:BRE Butterworths，1990.

[10] Lawson，T.V..The design of cladding[J].Building and Environment，1967(11):37-38.

[11] Uematsu，Y..Peak gust pressures acting on low-rise building roofs，in the Eighth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construetion.Nanyang Technological University，Singapore，2001.

[12] American Society of Civil Engineers(2003)Minimum design loads for buildings and other structures.ASCE/SEI 7-02，ASCE，New York.

[13] National Research Council of Canada(2005).National Building Code of Canada.Volumn 1.NBCC，Ottawa.

[14] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[15] Wacker，J.，E.J.Plate.Correlation structure of wind pressure buffeting on cuboidal buildings and corresponding effective area wind loads[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992 ，43(1-3):1865-1876.

[16] Holmes，J.D..Equivalent time averaging in wind engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997(72):411-419.

[17] Lawson，T.V..Wind effects on buildings，Design applications，London:Applied Science Publishers，1980.

[18] Newberry ，C.W.，K.J.Eaton ，et al.The nature of gust loading on tall buildings.Proc.Int.Res.Seminar on Wind Effects on Buildings and Structures，Ottawa，1967(50):399-428.

[19] Standards Australia，Standards New Zealand(2002)Structural design actions.Part 2:wind actions.Australian/New Zealand Standard，AS/NZS 1170.2:2002.Standards Australia，Sydney，and Standards New Zealand，Wellington.