鋼塔桅高聳結(jié)構(gòu)風荷載計算方法對比分析

王欣朋 楊 新 付舉宏 張 海 李 鵬

(中廣電廣播電影電視設(shè)計研究院塔桅所，北京 100045)

鋼塔桅高聳結(jié)構(gòu)風荷載計算方法對比分析

王欣朋 楊 新 付舉宏 張 海 李 鵬

(中廣電廣播電影電視設(shè)計研究院塔桅所，北京 100045)

對《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版和《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版兩本規(guī)范中風荷載的取值進行了對比，通過算例，了解了兩版規(guī)范對風荷載的影響，為以后的工程設(shè)計提供了參考依據(jù)。

高聳結(jié)構(gòu)，風荷載，規(guī)范對比，風壓高度變化系數(shù)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程不斷加快，越來越多鋼結(jié)構(gòu)的廣播電視發(fā)射塔、觀光塔等高聳結(jié)構(gòu)拔地而起，類似高聳結(jié)構(gòu)高度越來越高，造型越來越奇特。風荷載作為高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制荷載之一，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性，本文對《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版和《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版兩本規(guī)范中風荷載的取值進行對比，通過算例了解兩版規(guī)范對風荷載的影響，為以后的工程設(shè)計提供建議和指導(dǎo)。

1 風荷載計算理論

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版計算等效靜力風荷載采用的是第一振型的慣性風荷載法，采用以背景響應(yīng)系數(shù)B和共振響應(yīng)系數(shù)R來反映脈動風主要動力特性的表達形式，這樣表達使得概念比較明確?！朵撍Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》將風荷載作用分為平均風和脈動風兩部分，脈動風考慮了多階振型共同影響的結(jié)果。

2 高度變化系數(shù)

《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版中的風高度變化系數(shù)引用的是舊版的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，所以只劃分了3個粗糙度，而隨著國內(nèi)城市的發(fā)展，使得城市地貌下的大氣邊界層厚度與原來相比有所增加。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 2012版在劃分了4個粗糙度的情況下，適當將B類地貌風剖面指數(shù)從0.16調(diào)整到0.15，將C場地梯度風高度從400 m提高至450 m，D場地的梯度風高度為550 m，從而降低了各類場地風壓高度變化系數(shù)，具體情況詳見表1。

表1 風剖面指數(shù)對比表

風高度變化系數(shù)的計算公式：

其中，α和HG分別為風剖面指數(shù)和梯度風高度；αb和HG,b分別為B類地貌風剖面指數(shù)和梯度風高度,詳見表2。

3 風荷載的表達形式

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版：

風荷載的作用公式：

F=wkAf

(1)

其中，wk為風荷載標準值；Af為擋風面積。

風荷載標準公式：

wk=βzμsμzw0

(2)

其中，βz為高度z處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓。

表2 風壓高度系數(shù)對比表

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版中的風振系數(shù)采用共振響應(yīng)因子和背景響應(yīng)因子的形式表達：

(3)

(4)

(5)

其中，g為峰值因子；Bz為背景響應(yīng)因子；I10為10 m高度名義湍流強度；R為共振響應(yīng)因子。

規(guī)范中計算脈動風荷載時只考慮了第一振型的影響，這種情況適用于質(zhì)量和剛度沿高度均勻變化，對于不屬于這種情況的結(jié)構(gòu)，荷載規(guī)范中給出的公式就不能簡單套用了，因為規(guī)范中給出的參數(shù)是在質(zhì)量和剛度均勻變化時計算得出的。

《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版是適用于廣播電視行業(yè)的鋼塔、鋼桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的行業(yè)規(guī)范，在計算脈動風荷載時本規(guī)范考慮了多個振型的影響。

風荷載的作用效應(yīng)，應(yīng)按下式確定：

S=γSSS+γdSd

(6)

(7)

其中，S為風荷載作用效應(yīng)；SS為平均風作用效應(yīng)；Sd為脈動風作用效應(yīng)；Sdj為脈動風載j振型作用下的動力效應(yīng)，振型數(shù)m可取3個；γS,γd均為分項系數(shù)，一般取1.0。作用于結(jié)構(gòu)i質(zhì)點平均風力標準值：

Psi=wkiAi

(8)

wki=μsμzw0

(9)

作用于結(jié)構(gòu)第i質(zhì)點第j振型的脈動風標準值：

Pdji=MiYjiξjvjηj

(10)

(11)

其中，Pdji為j振型i質(zhì)點的脈動風標準值；Mi為結(jié)構(gòu)第i質(zhì)點的集中質(zhì)量；Yji為第j振型第i質(zhì)點的水平相對位移；ηj為結(jié)構(gòu)第j振型的參與系數(shù)；vj為結(jié)構(gòu)第j振型的空間相關(guān)系數(shù)；mi為第i質(zhì)點風荷載的脈動系數(shù)。

4 算例

4.1 單管塔計算

圓形截面單管塔計算參數(shù)見圖1，其示意圖見圖2，高度42 m，場地類別為B類，基本風壓0.45 kN/m2，離地高度1 m，在標高38，35，32，29處有平臺的集中質(zhì)量，周期T1=1.68 s，T2=0.338 s,T3=0.138 s。

4.2 格構(gòu)式電視塔計算

鋼結(jié)構(gòu)四邊形格構(gòu)式鐵塔(見圖3)，塔高130 m，底部邊寬20 m，桅桿段長15 m，頂部邊寬0.8 m，場地類別為B類，基本風壓0.4 kN/m2，離地高度130 m，周期T1=1.626 s，T2=0.564 s,T3=0.279 s，為了便于分析算例中加入了風振系數(shù)的概念。計算參數(shù)見圖4。

4.3 算例分析

1)根據(jù)單管塔算例，可以看到在除平臺以外的位置可以認為塔體是質(zhì)量和體型隨高度均勻變化的，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風荷載計算的理論不需要對外形加以修正，這種情況計算出的風荷載大小要高于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算的風荷載值3%～25%,這種荷載上的差異也是兩本規(guī)范對于這種質(zhì)量和塔型隨高度均勻變化結(jié)構(gòu)的基本趨勢。

2)對于上部有類似平臺這種集中質(zhì)量的位置，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算出的風荷載高于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》90%左右，出現(xiàn)這種大幅差異的原因在于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》在計算脈動風作用時，公式中的第j振型的參與系數(shù)nj與質(zhì)點集中質(zhì)量Mi成反比，質(zhì)量越大風振系數(shù)越小,相應(yīng)計算出的風荷載越小。

3)根據(jù)格構(gòu)式電視塔算例，可以看到對于多邊形格構(gòu)式的鐵塔，整個鐵塔高度的中下部按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算出的風荷載值要高于按《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算出的風荷載值2%～13%，而中上部按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算出的風荷載反而低于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 2%～50%，通過分析，產(chǎn)生這種情況的原因是由于這種類型的鐵塔，隨著高度的增加，結(jié)構(gòu)迎風面寬度不斷變小，這就導(dǎo)致在計算背景響應(yīng)因子BZ時需要乘以寬度修正系數(shù)，所以整個風振系數(shù)以及最后的風荷載會隨著高度增加而減小，最終在上部低于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的計算結(jié)果。

5 結(jié)語

1)通過兩本規(guī)范的計算公式和多個算例的計算結(jié)果，首先可以得出在風壓高度變化系數(shù)上，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版相比《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版有了明顯的降低，對于B類場地，降幅在0%～7%，具體和離地高度有關(guān)。2)在體型和質(zhì)量沿高度均勻變化的情況下，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版計算出的風荷載大于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2004版3%～25%不等，在體型和質(zhì)量不隨高度均勻變化的情況下，計算的風荷載與體型和質(zhì)量都有很大的關(guān)系。3)對于帶天線平臺的獨管塔設(shè)計，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算的風荷載與《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》在天線平臺位置差距很大，設(shè)計時應(yīng)特別注意。4)對于格構(gòu)式電視塔，塔身中下部由于振動位移較小，計算風荷載考慮多個振型情況意義不大，而上部結(jié)構(gòu)尤其是頂部桅桿段受到風作用較大，振動位移較大，所以采用《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算風荷載考慮多個振型的共同影響更符合實際。

[1] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GY 5001—2004，鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 黃本才，汪從軍.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應(yīng)用[M].第2版.上海：同濟大學(xué)出版社，2008.

On comparative analysis of calculation methodsfor wind loading at towering structure of steel tower mast

Wang Xinpeng Yang Xin Fu Juhong Zhang Hai Li Peng

(TowerMastInstitute,Radio,Film&TVDesignandResearchInstitute,Beijing100045,China)

The paper compares the evaluating of the wind loading in the two regulations,ArchitecturalStructuralLoadingRegulation2012 andStructuralDesignRegulationofSteelTowerMast2004, and indicates the influence of the two editions on the wind loading by the calculation examples, so as to provide some reference for following engineering design.

towering structure, wind loading, regulation comparison, wind pressure height change coefficient

2015-02-07

王欣朋(1986- )，男，助理工程師； 楊 新(1986- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)11-0033-02

TU391

A