淺談等效靜力風荷載在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

引言

大多數(shù)的情況下,大跨度、高層、異形結(jié)構(gòu)建筑對于風荷載效應(yīng)非常敏感,風荷載成為此類建筑設(shè)計分析過程中的主要控制因素之一。結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常涉及到風洞試驗和非確定性振動分析等復(fù)雜的過程,結(jié)構(gòu)設(shè)計師難于掌握,因此急切需要探索簡單的抗風設(shè)計方法[1]。為了解決以上的問題,國內(nèi)外專家對等效靜力風荷載的理論進行探討。

一、物理意義

所謂等效靜力風荷載是指這樣一種靜風荷載,當把它有效地作用于一個結(jié)構(gòu)上時,在其上導致的靜荷載響應(yīng)與外來氣動荷載產(chǎn)生的極大脈動響應(yīng)一致[2]。值得一提的是,這里的“等效”指的是某一設(shè)計關(guān)注的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標,讓建筑結(jié)構(gòu)在某類假設(shè)模式的荷載作用下靜力風振響應(yīng)與實際風荷載作用導致的極值脈動風振響應(yīng)一致。

二、等效靜力風荷載計算方法

等效靜風荷載并非真實存在,而是出于設(shè)計需要而假設(shè)的一種風荷載模式，主要有以下幾種計算方式。

(一)陣風荷載因子(GLF)法?！瓣囷L荷載因子”的概念由davenport在1967年提出,用來表征脈動風荷載對建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的擴大,這種簡便可行的方法被推廣于實際的工程,并逐漸成為了制定高聳結(jié)構(gòu)風力規(guī)范的重要依據(jù)[3]。其計算方法為:

其中,g是峰值因子,σr(z)是計算得到的某個響應(yīng)的均方根值。

(二)慣性風荷載(IWL)法。慣性力法實際上也屬于陣風荷載因子法,它的陣風荷載因子與慣性力有關(guān)。其基本思路是，從結(jié)構(gòu)動力學方程出發(fā)，用結(jié)構(gòu)的一階振型慣性力來表示等效風荷載。其計算方法為:

式中,m(z)是集中質(zhì)量;n1為結(jié)構(gòu)基頻；σy1(z)是一階振型均方差。

(三)荷載響應(yīng)相關(guān)(LRC)法。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學,結(jié)構(gòu)低頻區(qū)域響應(yīng)抵御外力作用的僅有彈力。基于此理論,荷載-響應(yīng)相關(guān)法充分考慮了結(jié)構(gòu)上脈動風力間的關(guān)聯(lián)性,用準靜風荷載的方式計算出結(jié)構(gòu)的等效背景風荷載。

PeB(z)=gBρr,PσP(z)

式中,gB是背景風振響應(yīng)相關(guān)的峰值因子；ρr,P是為z0處的背景風振響應(yīng)與z2位置處風力間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；σP(z)是脈動風的標準差。

(四)三分量法。根據(jù)davenport把各種順風向響應(yīng)分別處理為平均、背景和共振等三個部分的思想,用這三個部分的組合來表征等效靜風荷載。三分量法的計算方法為:

(五)基底彎矩陣風荷載因子(MGLF)法

1.MGLF法對背景等效風荷載的簡化處理。背景等效風荷載的表達式為：

式中，GYB是唯一對應(yīng)背景陣風荷載因子；gB是背景極值系數(shù)；Ih是參考高度處紊流度；B是與結(jié)構(gòu)高寬比相關(guān)的背景因子。

2.MGLF法對共振等效風荷載的簡化處理。為了便于用上高頻底座力天平測得的數(shù)據(jù),Zhou&Kareem在論文中[4]提出了將底座力矩響應(yīng)共振部分分配到各層的方法。對共振等效靜風荷載的計算方法為:

MR=GMRM

式中，S是尺寸折算系數(shù)；E是陣風能量系數(shù)；ζ1是結(jié)構(gòu)初階的阻尼比；MR是共振峰值基底彎矩。

則共振等效風荷載的計算方式為：

式中,φ(z)是模態(tài)振型。

(六)五種方法研究對比

1.GLF法與IWL法雖然廣泛地運用于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,但其在物理上的意義實際上都是不準確的,都只能得到在數(shù)學理論上近似的響應(yīng)值。

2.LRC法的主要優(yōu)點是，它利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)和靜風荷載兩者的相關(guān)系數(shù)來計算等效靜力風荷載,這致使所求等效靜力風荷載實際有幾率存在。LRC方法的主要缺點是,應(yīng)用于大跨屋面結(jié)構(gòu)時,只適用于計算強剛性屋面結(jié)構(gòu)的等效靜風力分布,而對于弱剛性或強撓性屋面結(jié)構(gòu)的計算則不可用,因為此時風振響應(yīng)作用占有很大比重。

3.三分量法把等效靜風荷載分為平均、背景和共振三個基本分量,具有明確的物理概念,雖然其分析和計算的過程不容易,但對深刻解讀靜力等效靜風荷載具有實際意義。

(4)MGLF法能夠大范圍運用于順風向、橫風向及扭轉(zhuǎn)方向靜力等效風荷載的計算,其所需風荷載數(shù)據(jù)量少,計算快速,很好地適用于網(wǎng)絡(luò)云運算。至今國內(nèi)外很多的風工程學者研發(fā)的大型超高層結(jié)構(gòu)抗風互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫正是充分運用了此算法。

三、總結(jié)

等效靜風荷載是溝通結(jié)構(gòu)設(shè)計師和風工程師的橋梁,是結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理論的核心問題之一。等效靜風荷載實質(zhì)是對風振響應(yīng)分析結(jié)果的一種等效化處理。在這方面，國內(nèi)外風工程學者進行了大量研究，提出了多種分析方式。因此,尋求一種能適用于多種風振響應(yīng)分析,安全且有效的等效靜風荷載的計算方式是風工程學者們熱衷探索的方向。