矩形高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)計算討論

雷思維，樊浩，閆羽璇 （長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

1 引言

風(fēng)荷載作為水平荷載，對高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)等長細(xì)比較大的結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用，尤其是對低烈度地震區(qū)，風(fēng)荷載成為控制建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性指標(biāo)的主要因素。主結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用下式進行計算[1]：

式中：wk--風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βz--高度z 處風(fēng)振系數(shù)；μs--風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz--風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0--基本風(fēng)壓（kN/m2）。

其中風(fēng)壓高度變化系數(shù)主要與地面粗糙度以及建筑物高度有關(guān)，風(fēng)振系數(shù)主要與建筑物剛度有關(guān)，基本風(fēng)壓為地區(qū)統(tǒng)計的最大風(fēng)壓值，均由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）計算和查表得出。

風(fēng)荷載體型系數(shù)（即空氣動力系數(shù)），反映出穩(wěn)定風(fēng)壓在工程結(jié)構(gòu)及建筑物表面形成的壓力和吸力，是作用在建筑物表面一定面積范圍內(nèi)所引起的平均壓力（或吸力）與來流風(fēng)速度壓的比值，它主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。由于它涉及的是關(guān)于固體與流體相互作用的流體動力學(xué)問題，對于規(guī)則形體建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的計算，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）（以下簡稱《荷載規(guī)范》）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）（以下簡稱《高規(guī)》）針對矩形建筑分別給出了不同的計算取值方法，本文就這兩種方法計算主結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)展開討論。但對于不規(guī)則形體，問題較為復(fù)雜，無法給出理論上的結(jié)果，一般應(yīng)由試驗確定[2]。

2 兩種規(guī)范計算方法

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）第8.3.1 條[1]，針對不同建筑體型提供了不同的體型系數(shù)值，本文只討論最常見的矩形平面建筑。規(guī)范表8.3.1第30、31 條，高度不超過45m 的矩形建筑，迎風(fēng)面風(fēng)荷載壓力系數(shù)為0.80，背風(fēng)面風(fēng)荷載吸力為-0.50，則迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)取0.80-（-0.50）=1.30；高度超過45m 的矩形截面高層建筑，其風(fēng)荷載體型系數(shù)取值如圖1、表1所示。

表1 《荷載規(guī)范》風(fēng)荷載體型系數(shù)

表2 《高規(guī)》風(fēng)荷載體型系數(shù)

圖1 《荷載規(guī)范》風(fēng)荷載體型

圖2 《高規(guī)》風(fēng)荷載體型

從《荷載規(guī)范》給出的計算方法可以看出，取值主要與建筑平面的長寬比值有關(guān)。當(dāng)建筑平面接近方形時，即迎風(fēng)面長寬比不大于1 時，單個建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.4；隨著建筑平面長寬比增大，單個建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)逐漸減小，當(dāng)長寬比不小于4時，此系數(shù)為1.1。

《荷載規(guī)范》提供的體型系數(shù)取值方法不考慮建筑物高度的影響，其風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算通過風(fēng)壓高度變化系數(shù)來體現(xiàn)不同高度處風(fēng)荷載的大小變化。

《高規(guī)》第4.2.1條[2]提供的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算方法與《荷載規(guī)范》一致，均考慮風(fēng)壓高度變化、地面粗糙度及風(fēng)荷載體型系數(shù)，但對于風(fēng)荷載體型系數(shù)計算方法不同。按照《高規(guī)》附錄B 提供的矩形平面風(fēng)荷載體型系數(shù)計算方法，迎風(fēng)面風(fēng)荷載壓力為0.8 不變，而背風(fēng)面風(fēng)荷載吸力與建筑物高度和迎風(fēng)面寬度的比值有關(guān)。

由《高規(guī)》的計算方法可知，風(fēng)荷載體型系數(shù)與建筑物平面長寬比無關(guān)，而與高度和迎風(fēng)面寬度的比值有關(guān)。建筑物越高、迎風(fēng)面越窄，則此背風(fēng)面風(fēng)荷載吸力越大，該方向上的風(fēng)荷載體型系數(shù)越大；反之則越小。

3 工程實例應(yīng)用計算比較

對比《荷載規(guī)范》和《高規(guī)》，二者在計算風(fēng)荷載體型系數(shù)上有明顯差別，以下通過兩個實際工程項目計算說明。

實例一是由武漢龍湖置業(yè)開發(fā)337地塊新建的居住、商務(wù)、商業(yè)項目8#樓，為一棟170m 高的框架核心筒結(jié)構(gòu)辦公樓。地震設(shè)防烈度6 度，50 年一遇基本風(fēng)壓0.35kN/m2。標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸如圖3 所示，建筑平面規(guī)整，長度44.8m，寬度30.1m。

圖3 框架核心筒辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

實例一根據(jù)《荷載規(guī)范》，建筑長寬比D/B=44.8/30.1=1.488，線性插值計算所得X 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.464+0.8=1.264，Y 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.40。根據(jù)《高規(guī)》附錄B，X方向建筑高寬比H/B=170/30.1=5.648，計算所得X 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.649+0.8=1.449；Y 方向H/D=170/44.8=3.795，所得Y 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.594+0.8=1.394。

實例二是武漢廣申房地產(chǎn)有限公司開發(fā)的老關(guān)村城中村改造K3 地塊項目23#樓，為170m 高剪力墻住宅樓。地震設(shè)防烈度6 度，50 年一遇基本風(fēng)壓0.35kN/m2。標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖4 所示，為長矩形平面，建筑長度59.9m，風(fēng)荷載計算典型寬度15.06m。

圖4 長矩形剪力墻住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖5 風(fēng)洞荷載試驗風(fēng)向角及主軸示意圖

圖6 80°風(fēng)向角平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖

圖7 160°風(fēng)向角平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖

圖8 體型系數(shù)統(tǒng)計最大值分布圖

圖9 體型系數(shù)統(tǒng)計最小值分布圖

實例二由《荷載規(guī)范》計算所得X 方向長寬比D/B=59.9/15.06=3.977，風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.318+0.8=1.103；Y方向B/D＜1，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.40。由《高規(guī)》附錄B 計算所得X 方向高寬比H/B=170/15.06=11.288，風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.819+0.8=1.619；Y 方向高寬比H/D=170/59.9=2.838，風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.565+0.8=1.365。

兩種規(guī)范方法計算結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 實例工程風(fēng)荷載體型系數(shù)計算對比

通過典型樓棟對比計算可得出如下結(jié)論。

①兩種計算方法算得的風(fēng)荷載體型系數(shù)在建筑平面寬度（較小尺寸）方向上差別較大，而在建筑物平面長度（較大尺寸）方向上差別較小。

②建筑平面長度與寬度的尺寸差距越大，由此計算的寬度方向風(fēng)荷載體型系數(shù)差別越大；反之則兩個方向風(fēng)荷載體型系數(shù)差距較小。

③《荷載規(guī)范》僅規(guī)定高度大于45m 高層建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)計算方法，未對高度做出限制，對于高度較高的高層建筑，其計算方法適用性值得商榷；《高規(guī)》計算方法主要針對高層建筑，是基于風(fēng)洞荷載試驗統(tǒng)計分析的結(jié)果，在計算上更能代表較高的高層建筑風(fēng)荷載計算。

④《荷載規(guī)范》中給出的系數(shù)是有局限性的，對于體型復(fù)雜且重要的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計，風(fēng)洞試驗仍是抗風(fēng)設(shè)計重要的輔助工具。

4 風(fēng)洞荷載試驗結(jié)果分析

選取上述長矩形剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓風(fēng)洞試驗結(jié)果來說明兩種計算方法計算所得風(fēng)荷載體型系數(shù)差異性。其中K3地塊23#樓風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ捅壤?:200，地面粗糙類別為B類。

根據(jù)《高規(guī)》附錄B 計算所得X 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.620、Y 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.365，考慮群體相互干擾系數(shù)1.10 后分別為1.78 和1.50。根據(jù)荷載規(guī)范計算并考慮干擾系數(shù)后所得X方向體型系數(shù)1.21、Y方向1.54。

根據(jù)風(fēng)荷載方向角，80°（正X）方向角風(fēng)洞荷載試驗下，如圖5～圖9所示，建筑物寬度方向上迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)1.4～1.7。170°（正Y）方向角風(fēng)洞荷載試驗下，建筑物迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)1.3～2.3左右，且呈現(xiàn)出頂部小而底部大的變化趨勢[3]。

風(fēng)洞試驗測壓結(jié)果與風(fēng)荷載靜力等效計算如表4 和表5 所示。根據(jù)風(fēng)荷載基底剪力及傾覆彎矩計算對比風(fēng)洞試驗結(jié)果可知，采用《高規(guī)》整體靜力計算的風(fēng)荷載均大于試驗值，采用《荷載規(guī)范》計算的X 方向基底剪力及傾覆彎矩均小于風(fēng)洞試驗值，而Y 向與《高規(guī)》計算結(jié)果基本一致，且均大于風(fēng)洞試驗值。故可直接采用高層規(guī)范計算方法對結(jié)構(gòu)進行整體風(fēng)荷載計算分析。

表4 風(fēng)洞試驗整體荷載最大值（單位：kN·m）（最不利工況）

5 結(jié)論

《荷載規(guī)范》提供的矩形建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)計算適用范圍較小，其計算主要與建筑平面長寬尺寸有關(guān)，建議適用于高度45～60m、長寬比不大于3的普通矩形平面。

《高規(guī)》提供的矩形建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)計算與建筑高度和平面尺寸均相關(guān)，適用于高度60m 以上高層建筑風(fēng)荷載計算；對于長矩形建筑平面，X、Y 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)采用附錄B 計算，但Y方向風(fēng)荷載體型系數(shù)取值建議包絡(luò)，不小于1.40。

風(fēng)洞試驗得出的建筑物表面體型系數(shù)呈現(xiàn)底部大而上部小的規(guī)律，實際工程靜力等效計算時可分段分區(qū)計算；風(fēng)洞試驗所得結(jié)構(gòu)最不利風(fēng)向角下的基底剪力及傾覆彎矩均小于采用《高規(guī)》計算值，故可采用《高規(guī)》計算風(fēng)荷載進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。