考慮脈動作用的附著式鋼結構廣告牌的風荷載分析

李 鋒，高涌濤，周長秋

(1.四川工程職業(yè)技術學院建筑工程系，四川德陽 618000；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 610059)

隨著廣告業(yè)的興旺，各種新穎的廣告牌得到了較大規(guī)模的應用。大型廣告牌屬永久性建筑物,其位置多處在公共場所、繁華鬧市地帶,并且多數(shù)是建在已建建筑群中,因此,在滿足廣告效果的前提下,其結構的安全性尤其重要。本文以西安市某大廈外墻附著式廣告牌為例，對其進行了風荷載分析，為此類廣告牌的設計提供參考。

風是自然界一種常見現(xiàn)象，根據(jù)測試記錄，發(fā)現(xiàn)自然界的風包含兩部分：即長周期的靜力風和瞬時的脈動風。靜風由于其波動周期長，很難引起建筑物的強振動，而瞬時風則由于其周期短，容易接近結構的自振周期，尤其是輕型薄壁結構，所以其產(chǎn)生的作用屬于隨即動荷載。平均風可以按照結構高度、自振周期及重現(xiàn)期來表述，但脈動風屬紊流特性，是導致結構振動的主要部分。對于附著式鋼結構廣告牌這種小剛度結構，應該考慮脈動風所產(chǎn)生的風振效應[1]。參考美國規(guī)范[2]推導了考慮脈動作用的附著式廣告牌的風荷載計算公式，為此類結構的抗風設計提供參考。

1 脈動風特性

脈動風實際上是三維的風湍流，它包括順風向、橫風向和垂直向的湍流[3]。由于垂直向湍流數(shù)值很小，對結構影響可以不計。風的脈動效應就是由于氣流中的湍流所引起的，所以脈動風的特性可以由其湍流積分尺度、湍流強度、湍流脈動風速自譜和互譜來描述。

1.1 湍流積分尺度

湍流積分尺度是湍流中渦旋平均尺寸的度量，是通過某一點的氣流中的脈動，可以認為是由平均風運送過來的一系列渦旋相互疊加和作用的結果[4]。若定義渦旋的波長就是渦旋大小的量度，湍流積分長度Lu則是湍流中湍流渦旋平均尺寸的量度，即

1.2 湍流強度

(1)

GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》[5]沒有明確給出湍流強度的計算公式，參考文獻[2]的湍流計算公式來推導考慮脈動風作用的附著式廣告牌風荷載計算公式。

(2)

式中:c為與地形有關的參數(shù)(表1)。

1.3 順風向脈動風速功率譜

文獻[2]中采用的是Solari提出的脈動風速功率譜，其中湍流積分長度Lu隨著離地高度z的變化而不同，即：

(3)

式中:vz為高度z處的平均風速；l、E為與地面粗糙度有關的參數(shù)(表1)；z為結構計算高度。

表1 相關計算參數(shù)

2 脈動風壓系數(shù)

脈動風壓系數(shù)是為了反映脈動風壓在整個順風向風壓中所占比例沿高度變化的參數(shù)。其具體表達式為

(4)

式中:μ為保證系數(shù)，一般取2.0～2.5；k為系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)。

由于公式中的系數(shù)k為Davenport在建立脈動風速譜時所確定的用來反映地面粗糙度的一個系數(shù)，故其離散型很大，為了方便計算，將式(4)寫成

(5)

3 工程應用

3.1 工程概況

東方之星商廈位于西安市新城區(qū)南新街路口，地處東大街繁華地段，項目業(yè)主為了達到良好的宣傳效果，特意在臨街正立面上安裝一塊大型廣告牌。該廣告牌不落地，總高26.5 m，從墻面向外懸挑5.5 m，采用鋼結構制作(圖1)。

圖1 東方之星商廈效果圖

該廣告牌要求懸掛于建筑外墻。因此其受風荷載的影響最甚，采取何種有效措施來保證廣告牌與墻面的可靠連接就成為其設計的關鍵所在。該地區(qū)基本風壓為0.3 kN/m2。

3.2 廣告牌的結構形式

經(jīng)過多次的結構形式比選,決定該廣告牌結構形式采用桁架式(圖2)。其理由是:第一,廣告牌結構的控制設計荷載是風載,風壓直接作用在面板上,再由面板傳至骨架,在不同高度上的幾道主梁可把風載較均勻地傳至結構主體；其次,平行式桁架結構主梁采用槽鋼,使結構外形平整,便于廣告面板掛靠,并可加強面板與主骨架的連接,從而減小了面板的變形,以確保廣告面的感觀效果；除此之外,平行式桁架結構,形式簡潔、美觀,受力明確,節(jié)點構造簡單,施工方便,從而能保證施工質(zhì)量。

圖2 廣告牌立面

3.3 脈動風荷載

由于脈動風壓為高斯平穩(wěn)隨即過程，且其具有空間相關性的特點，故對廣告牌上的脈動風荷載必須建立起它的自功率譜和互功率譜密度函數(shù)。假設廣告牌上的脈動風荷載向量為{P}，根據(jù)已得到的脈動風壓自功率譜密度函數(shù)和脈動風壓與脈動風荷載的關系，則脈動風荷載的自功率譜密度函數(shù)為：

(6)

式中：σwf(Zi)為在第i個質(zhì)點高度處脈動風壓的標準差；ΔAi為第i個脈動風荷載的作用面積，i=1,2，…，n。

由式(4)和平均風壓計算公式可以導得脈動風壓標準差σwf的計算公式，將其代入式(6)可得到：

3.4 計算結果分析

對以上廣告牌分別采用荷載規(guī)范計算方法、廣告牌規(guī)范計算方法和本文方法進行風荷載計算，計算結果見表2。

表2 不同方法計算結果對比 kN/m

由表2可看出，采用GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》和cECS148:2003《戶外廣告設施鋼結構技術規(guī)程》計算的風荷載大小差異很小，僅1 %；而按本文考慮脈動風作用的計算公式計算的結果比前兩者大約18 %，說明風中的動力成分對于這種小剛性附著式鋼結構廣告牌的振動效應是很明顯的。

4 結束語

針對附著式鋼結構廣告牌的特點，考慮風中的動力成分，參考美國規(guī)范建立了基于脈動風的放大效應的該類廣告牌的風荷載計算公式，并與實際工程按國內(nèi)規(guī)范計算的風荷載值進行了比較，驗證了所建立公式的實用性，為此類廣告牌結構設計的風荷載計算提供了參考。