高层建筑不同平面结构形式的风效应影响分析.pdf

2 0 0 7年 6月 第 4 卷 第 2期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 2 J U N 2 0 0 7 高层建筑不同平面结构形式的风效应影响分析 吉柏锋 1武汉理工大学土木工程与建筑学院 杨临泉 z 2 平顶 山煤业集 团建 安总 公司土建公司 【 摘要】通过对四种不同类型的高层建筑平面结构形式在风荷载作用下的风荷载标准值的计算对比分析， 对高层建筑平面结构布置方法提出了一些改进意见， 从而达到在高层建筑建筑设计和概念设计阶段不低 估设计基准期 内不同平面结构形式的风荷载效应。 【 关键词】平面结构形式高层建筑风荷载风效应 1引言 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动形 成的[ 。结构物如果抗风设计不 当，或者结构物在 风荷载作用下产生过的变形使结构不能正常地工作， 或者使结构产生局部破坏， 甚至整体破坏。 风荷载是 各种工程结构的重要设计荷载 ，对 高层建筑尤其重 要 。 在进行高层建筑设计结构选型时， 应充分了解高 层建筑结构设计的主要特点[ z - 。 1 水平荷载在高层建筑结构设计中起控制作用 在多层建筑中控制结构设计的是以重力为代表的 竖 向荷载，而在高层建筑 中，即使重力荷载仍然对 结构设计具有重要的影响 ，但起控制作用 的则是水 平荷载 风荷载和地震作用。 2 在竖 向荷载作用下，竖向构件中的轴力 N随 结构高度H 呈线性关系增长， 而水平荷载作用下的结 构底部弯矩 M 则是随结构高度H的二次方关系而急剧 增长。 并且 大量 的灾 害调查获得 的经验 显示 ，建 筑 物 ，特 别是高层建筑平面结构形式对建筑物遭受的 风荷载大小影响很大 。 因此 ，有必要对不 同类 型的高层建筑平面结构 形式在风荷载的作用下的风荷载值进行研究分析 。 2建筑结构风荷载计算的基本理论 空气流动形成的风遇到建筑物时 ，在建筑物 的 吉柏锋， 男， 武汉理工 大学土木工程 与建筑学院 ，硕士研 究生 地址 武汉市武汉理工大学马房 山校区西院 2 3 9 信箱 邮编 4 3 0 0 7 0 E - m a i 1 j b f O 9 1 4 y a h o o ． t o m ． c n 表面产生的压力或吸力即为建筑物 的风荷载 [ 。风 荷载的大小主要和近地风的性质、 风速 、 风 向有关， 同 时和该建筑物所在地的地貌及周 围的环境有关， 最后 还与建筑物本身的高度、形状 以及表面状况有关 。 2 ． 1 单位面积上的风荷载标准值 风 对建筑 物表面 的作用 与建筑 物 的高度 、体 型、表面状况有关 ，也与风的作用高度有关，我 国 建筑结构荷载规范 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 [ ] 给出的垂 直于建筑物表面的风荷载标准值 KⅣ／ 由下式 计 算 wk 1 式 中 一 z高度处 的风振系数 ； 一 z高度处 的风压高度变化系数； 一 Z风荷载体型系数 一 Z高层建筑基本风压值 2 ． 2风振系数 风的作用不是规则的，风压会随着风速、风 向 的变化而不停的改变 。通常的考虑 中把风的作用看 作是稳定风压 ，即平均风压 。实际上风压是在不断 波动的随机过程。平均风压使建筑物产生一定 的侧 移 ，而波动风压使建筑物产生动力效应 。而这种动 力效应对高度较高或刚度较小的高层建筑可能产生一 些不可忽视的作用 ，在设计 中必须加 以考虑 。目前 采用 的方法是采用风振系数 。设计是用它来加大 维普资讯 2 0 0 7年 6月 第 4卷 第 2 期 深圳土木与建筑 风荷载 ，采取静力计算 。但是如果建筑物的高度很 高 比如 2 0 0 m以上 ，特别是相对较柔 的建筑 ，需 要进行风洞试验来确定波动风压 的动力效应。 我国 高层规程规 定，风振系数可 以 按 下 式计 算 P z 1 2 z 式 中 一 振型系数 ，计算时可仅考虑第一振型的 影响 ； 一 脉动增大系数 ； 0一脉动影响系数； ， 一 风压高度变化系数。 2 ． 3总风荷载标准值 在进行结构设计计算时，应采用总风荷载计算 风荷载作用下结构的内力和位移 。总荷载是建筑物 各个表面承受风力 的合力 ，是沿着建筑物高度变化 的线荷载 。通常，按 X ， Y两个互相垂直的方 向分别 计 算总风荷载 。 总风荷载是 z高度 处的线荷 K N ／ m 。考虑各 个面的体型系数组合计算 ， 可以有 1 推导 出来。如下 式 w z P z , z W o ∑ f C O S i 3 i l 式中n一建筑 外表面的个数 i l ， 2 ， 3 ． n 一 第个表面 的宽度 取垂直于风 向的最大 投影宽度 ； 一 第个表面 的宽度的平均风荷载体型系 数 ； 一 第个表面法线与风作用方向夹角。 3计算模型 3 ． 1 选用的四种高层建筑平面结构形式 考虑到选择的结构形式的代表性 ，本文选取了 四种常见的高层建筑平面结构形式 ，见图 3 一l 。同 时，为了考虑不同平面结构形式之间的可 比性，取 四种平面结构形式的平面建筑面积尽可 能的接近 。 四种平面结构形式的平面建筑面积见表 3 一 l 。 3 0 ＼ R I 构 O ． 8 I 2 l I - o 0 0 , 7 占 ④ - o 7 0 口I 2 o n - _ u 一 I I - o ． - o ． 5 商- o ． ， 品 } ④ 螽 ． -o．● ／ ， ＼＼ o．8 图3 - 1四种不同类型的平面结构形式 四种平 面结构形式 的平面建筑面积 表 3 - 1 I 型结构 Ⅱ 型结构 Ⅲ型结构 Ⅳ型结构 表面数 n 1 4 6 9 宽度 B m 2 0 2 0 2 0 2 3 ． 8 6 建筑面积 J ， l 3 1 4 3 0 0 3 0 4 2 8 3 3 ． 2工程条件 该高层 的结构形式为框架 一剪 力墙 结构，2 2 层 ，总高度 为 8 0 m。质 量和 刚度沿高度均匀分布 。 体型系数 已经标定与图3 - 1 各具体形式中。地面粗糙 度为 B类地区。该地区标准风压值为 0 ． 6 4 。风 向Y 轴 正 方 向 。 4 模型计算 以Ⅳ型结构为例 说明计算过程。 4 ． 1 分别计算每个表面的风荷载 列表计算，因为Ⅳ型结是对称结构，表中只列 出右半边计算结果 ，总荷载将结果乘 以2倍 。本结 构平面外形有9 个表面，表面序号在图中。标出， 分 别计算每一个表面 的风荷载，计算列表进行 ，见表 2 一l 。因为结构是对称 的，因此表 中只列出了右半 边 的 计 算 结 果 ， 总 荷 载 即 由 ∑ 2 l Z w , 可 得 出 。 维普资讯 2 0 0 7 年 6月 第 4卷 第 2期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 2 J U N 2 0 0 7 Ⅳ型结构 表4 ～ 1 由 1 ． 3 0 KNI ／ m 和 B 类地区，查脉动增大系 序号 C O S Z i ／ x T v ／ ,n 1 8 ． 1 ． 0 ． 0 ． 6 4 0 ． 8 6 6 4 ． 4 3 2 i 0 ． - 0 ． 7 宰 0 ． 6 4 0 ． 5 2 ． 2 4 3 8 木 0． 5 5木 0 ． 6 4 - 0 ． 8 6 6 2 ． 2 2 4 8 木 - o ． 5 5 宰 0 ． 6 4 0 0 5 聃 ． o ． 5 宰 0 ． 6 4 1 1 _ 6 ∑ 木 w l ⋯ H 2 ．。 2 ／ m 4 ． 2 周期的计算 框架剪力墙结构 ，按照 建筑 结构荷载规 范 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 其基本 自振周期 ，可 以由下式 计算 得 出 0． 2 50． 5 31 。 一 n 2 其 中 ， 对 于 该 类 型 ， 。H8 0 Il l ， B 2 1 O 4 3 ． 8 4 3 2 3 ． 8 6 m 取垂直于风 向的最 3 2 ’ ⋯ ⋯ 大 投 影 宽 度 。 则T 1 0 ． 2 5 0 ． 5 3 x 1 0 - 3 2 8 3 0 ． 2 1 ． 4 3 4 ． 3脉动增大系数 和高层建筑的脉动影响系数 。的 计 算 0 ． 6 4x1 ． 4 3 1 ． 3 0 KNI ／ m 数 表 ，得 出 1 ． 4 6 。 由高宽 比Z 1 ． 3 0 KNI ／ m 和 B 类地区，查高层 建筑的脉动影响系数o 0 ． 5 0 4 ． 4风荷载标准值的计算 Wz ,a z z ∑ 4 其 中 fl z 1 警 5 将 5 式代人 4 可得 ∑ 6 5 式 中 ， 1 ． 4 6 ， o 0 ． 5 0 ， ∑ 1 2 ． 0 2 KN／ m ，代 入 6 式得到 Wz ,U z O ． 7 0 o z X 1 2 ． 0 2 K N／ m 7 其中，因为结构的质量和刚度分布均匀，按照 建筑结构荷载规范 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 其振型系 数可以 按 万 计 算。 而风压高 度变化系 数 ， 则可以依据地面粗糙度类别 B查风压高度变化系数 表 得到 。 下面给出列表计算各分段高度处风荷载标准值， 见表 4 2。 4 ． 5计算结果 同样道理，计算出其它三种平面结构形式 的各 分段 高度处风荷载标准值 。见表 4 3 ，4 - 4，4 5 。 Ⅳ型结构各分段高度处风荷载标准值 表4 - 2 离地面高度z m 振型系 数‘ p 0 ．7 0 k p 0 ． 7 0 K p rⅣ／ m 8 0 ． 1 0 ． 0 7 1 ． 0 1 ． 0 7 1 2 ． 8 6 1 6 0 ． 2 0 ． 1 4 1 ． 1 6 1 ． 3 0 1 5 ． 6 3 2 4 0 ． 3 0 ． 2 1 1 _ 3 2 1 _ 5 3 1 8 ． 3 9 3 2 0 ． 4 0 ． 2 8 1 ． 4 4 1 _ 7 2 2 0 ． 6 7 4 0 0 ． 5 0 ． 3 5 1 ． 弱 1 ． 9 1 2 2 ． 9 6 4 8 0 ． 6 0 ． 4 2 1 _ 6 4 2 ． 0 6 2 4 ． 7 6 5 6 0 ． 7 0 ． 4 9 1 _ 7 2 2． 2 1 2 6 ． 5 6 6 4 0 ． 8 0 ． 5 6 1 _ 8 2 2． 3 8 2 8 ． 6 0 7 2 0 ． 9 0 ． 6 3 1 ． 8 8 2． 5 1 3 0 ． 1 7 8 0 1 _ 0 0 ． 7 0 1 ． 9 5 2 ． 6 5 3 1 ． 8 5 3 1 维普资讯 2 0 0 7 年 6月第 4卷 第 2 期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 2 J U N 2 0 0 7 I 型结构各分段高度处风荷载标准值 。 表4 3 离 地 面 高 度z m 振 型 系 数 0 ． 9 9 p 0 ． 9 9 p K N／ m 8 0 ． 1 0． 1 0 1 ． 0 1 ． 1 0 1 1 ． 2 6 1 6 0 ． 2 0． 2 0 1 ． 1 6 1 ． 3 6 1 3 ． 9 3 2 4 0 ． 3 0 ． 3 0 1 ． 3 2 1 ． 6 2 1 6 ． 5 9 3 2 0 ． 4 0 ． 4 o 1 ． 4 4 1 ． 8 4 1 8 ． 8 4 4 0 0 ． 5 0 ． 5 0 1 ． 5 6 2 ． o 6 21 ． 0 9 4 8 0 ． 6 0 ． 6 0 1 ． 6 4 2 ． 2 4 2 2 ． 9 4 5 6 0 ． 7 0 ． 7 0 1 ． 7 2 2 ． 4 2 2 4 ． 7 8 6 4 0 ． 8 0 ． 8 0 1 ． 8 2 2 ． 6 2 2 6 ． 8 3 7 2 0 ． 9 0 ． 9 0 1 ． 8 8 2 ． 7 8 2 8 ． 4 7 8 0 1 ． 0 0 ． 9 9 1 ． 9 5 2 ． 9 5 3 0 ． 2 1 Ⅱ型结构各分段高度处风荷载标准值 表4 - 4 离 地 面 高 度z m 振 型 系 数 0 ． 9 9 p 0 ．9 9 p K N／ m 8 0 ． 1 0 ． 1 0 1 ． 0 1 ． 1 0 1 8 ． 3 0 1 6 0 ． 2 0 ． 2 0 1 ． 1 6 1 ． 3 6 2 2 ． 6 3 2 4 0 ． 3 0 ． 3 0 1 ． 3 2 1 ． 6 2 2 6 ． 9 7 3 2 0 ． 4 0 ． 4 o 1 ． 4 4 1 ． 8 4 3 0 ． 6 2 4 0 0 ． 5 0 ． 5 0 1 ． 5 6 2 ． o 6 3 4 ． 2 8 4 8 0 ． 6 0 ． 6 0 1 ． 6 4 2 ． 2 4 3 7 ． 2 7 5 6 0 ． 7 0 ． 7 0 1 ． 7 2 2 ． 4 2 4 o ． 2 7 6 4 0 ． 8 0 ． 8 0 1 ． 8 2 2 ． 6 2 4 3 ． 6 8 7 2 0 ． 9 0 ． 9 0 1 ． 8 8 2 ． 7 8 4 6 ． 2 6 8 0 1 ． 0 0 ． 9 9 1 ． 9 5 2 ． 9 5 4 9 ． 0 9 Ⅲ型结构各分段高度处风荷载标准值 表4 - 5 离 地 面 高 度z m 振 型 系 数 o ．9 9 0 ． 9 9 p K N／ m 8 0 ． 1 0 ． 1 0 1 ． 0 1 ． 1 0 1 8 ． 2 1 1 6 0 ． 2 0 ． 2 0 1 ． 1 6 1 ． 3 6 2 2 ． 5 1 2 4 0 ． 3 0 ． 3 0 1 ． 3 2 1 ． 6 2 2 6 ． 8 1 3 2 0 ． 4 0 ． 4 0 1 ． 4 4 1 ． 8 4 3 0 ． 4 5 4 0 0 ． 5 0 ． 5 0 1 ． 5 6 2 ． o 6 3 4 ． 0 9 4 8 0 ． 6 0 ． 6 0 1 ． 6 4 2 ． 2 4 3 7 ． 0 7 5 6 0 ． 7 0 ． 7 0 1 ． 7 2 2 ． 4 2 4 0 ． 0 5 6 4 0 ． 8 0 ． 8 0 1 ． 8 2 2 ． 6 2 4 3 ． 3 6 7 2 0 ． 9 0 ． 9 0 1 ． 8 8 2 ． 7 8 4 6 ． 0 1 8 0 1 ． 0 0 ． 9 9 1 ． 9 5 2 ． 9 5 4 8 ． 8 2 5结果分析 根据计算结果做出四种类型结构分别在z 8 ． O m ， 4 0 ． 0 m ， 8 0 ． 0 m处风荷载标准值的对比图。见图 5 - 1 ， 图 5 2 ，图 5 3 。并做出四种类型结构沿着高度变化 的风荷 载标准值的变化图。 从 图 5 1 ，图 5 2 ，图5 3可 以看 出，随着建 筑高度 的增加 ，风荷载大小也是在增加 。同时可 以 看出，无论在何种高度情况下 ， I 型结构和Ⅳ型结 构的风荷载值始终是小于 Ⅱ型结构和Ⅲ型结构。 并且 Ⅱ型结构和Ⅲ型结构的风荷载标准值一直 比 3 2 较接近 ，这一点从 5 4图上可 以明显看出，Ⅱ型结 构和Ⅲ型结构的风荷载标准值沿着高度变化 曲线非常 接近，而且这两种结构形式的曲线比 I型结构和Ⅳ 型结构在纵坐标上高出很多 。 可 以看 出 1 圆形或椭 圆形平面的结构形式，垂直于风向 的表面积最小，有助于减少风荷载，因此 ，表面风压 比矩 形房屋要 小得多。 2 在平面转角处采用圆角或平角处理方法能减 少风压集 中，Ⅳ型结构在共有 9个表面，3个转角 ， 维普资讯 2 0 0 7年 6月 第 4卷 第 2 期 深圳土木与建筑 g 2 0 ＼ 量 l 5 藿 l0 耱 萎 0 四 种类型 结构在 8 ． O m 处 风荷载 标准 值对比 8 高度8 ． 0 lII 4 0 3 5 柱 1 0 匿 5 0 四 种类型结构在4 0 ． 0 m 处风荷载标准值对比 4 0 高度4 0 ． O m ■ I 型结 ■Ⅱ 型结 O l ff 型结 Ⅳ型结 图5 - 1四种类型结构在8 ． O m 处风荷载标准值对比 图5 - 2四种类型结构在4 O ． 0 |T l 处风荷载标准值对比 点 6 0 5 0 趔 4 0 萎 30 2 0 1 0 0 四 种结构在8 0 ． 0 m 处 风荷载标准值对比 8 0 高 度8 0 ． 0 m 图5 3四种类型结构在8 O ． 0 | Tl 处风荷载标准值对比 图5 4四种类型结构在不同高度处风荷载标准值变化 其转角 的角度都是 1 2 0度，是钝角 ，从计算结果可 以看出，这样的效果就比Ⅲ型结构 9 0度的转角更有 益于减 小风压 的集 中。 3 I I 型作为矩形结构 ，当其长边恰好 如本例 中即是 是迎风 面时，其迎风面积过大 ，因此受到 的风荷 载就很大 。 建筑物表面 的风压分布， 在同一平面范围内一般 体现为正迎风面为正压， 背风面为负压， 侧风面风压变 化 比较复杂。黄本才等从众多的风洞试验和现场 的 实测结果发现， 在纵向， 高层建筑截面变化突然的部位 较易出现高负压， 在平面方向， 建筑较突出的棱角附近 部位较易出现高负压 在建筑群中， 建筑物之间的狭缝 处较 易出现 高负压。另外，建筑物的外轮廓形状一 般都是非流线形的， 因而流场不可避免地伴随着分离 流动、旋涡的脱落和振荡， 并由此引起结构和流体 的 藕合振荡 ，使得在考虑风荷载 的情况更加复杂 。 6结 论 本文通过实例对高层建筑不同的平面结构形式的 风荷载效应进 行 了研究 。结 果表 明 1 圆形或近圆形的平面结构形式相 比其他结构 形式其直于风 向的表面积最小， 其表面风压较小 ， 有 助于减轻风荷载 的作用 。 2 在平面转角处采用圆角或平角处理方法能减 少风压集中， 从而 比直接采用直角受到风荷载的作用 小 。 3 不同的平面结构形式对高层建筑的风荷载效 应有很大不 同， 做好平面结构形式的设计对减轻风荷 载效应具有重大意义。 参考文献 [ 1 ] 张相庭． 结构风工程 [ M l北京 中国建筑工业 出版社，2 0 0 6 [ 2 ] 王心 田． 建筑 结构体 系与选 型[ M ] 上海 同济大学出版 社，2 0 0 3 [ 3 ] 黄本才． 结构抗风分析原理及应用[ 上海同济大学出版社， 2 0 0 l [ 4 ] G B 5 0 0 0 9 2 0 0 l 建筑结构荷载规范 [ s ] [ 5 ]M G U ， F Y e ． A l o n g - 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