高层建筑结构顺风向的风力计算

李 文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

高层建筑结构顺风向的风力计算

李 文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

高层建筑结构可以简化成竖直伸臂式结构。采用规范计算法和脉动风的上界力计算法以及平均风的压力计算法等计算结构上的风力，对计算方法做了详细说明和例题计算，可以计算出结构顺风向的风力上限值和设计用值。

高层建筑 上界力 加固

高层建筑结构可简化成竖直伸臂式结构，风荷载和地震荷载一样为高层建筑结构的主要荷载。风力计算方法有按规范计算的方法(规范法)、反应谱法、平均风压力计算法，脉动风上界力计算方法等。对加固已建成的高层建筑结构，如刚度不知，由于结构的频率、周期、振型是估算，计算精度难以确定。采用规范法、平均风压力计算法和脉动风上界力法，将计算结果进行比较，取用较合理的数据进行设计，是一种可行的办法。

1 按规范计算

计算主要承重结构时，顺风向风力计算式为[3，4]

Wk=βzμsμzwo

式中Wk是风压荷载标准值(kN/m2)，βz为高度z处的风振系数，μs为风荷载体型系数，μz为风压高度变化系数，wo为基本风压(kN/m2)

2 按脉动风上界力法计算

如图1所示，m为集中质量，i，j，k为质点序号(i，j，k=1，2…n)。刚度分布任意。由风反应谱定义可知，在顺风向脉动风荷载作用下，截面i-(i+1)的剪力反应为[1,2]

图1 脉动风上界力法计算

(1)

式中，m为各层质量，u为振型位移，DW′为风拟加速度反应谱，α为振型参与因数，有

(2)

(3)

式中KZ=0.38，h=0.607H(H—结构总高度)。

剪力式(1)改写为

(4)

取j层等效质量

(5)

振型参与因数为

(6)

式(4)改为

(7)

采用积函数极值法求风振剪力的上限值。积函数极值法是定义参与因数与振型反应的乘积为积函数，如式(7)所示，对积函数取极值求剪力上限值。在顺风向脉动风荷载作用下，经过推导求得风振剪力的主上限值和次上限值为[2]

(8)

(9)

式中

(10)

(11)

(12)

(13)

如考虑剪力主次上限值的组合，可采用平方和开平方的方法求剪力组合值。结构在平均风压力作用下，结构剪力另算。

3 例题

3.1 按脉动风的上界力法计算

如图2所示，计算中刚架结点的风力，已知迎风面宽度为B=7.5 m(取J层质点至左右中点距离之和)。

图2 中刚架结点风力计算

m1=116.62×103kg；m2=110.85×103kg；m3=59.45×103kg。

T1=0.78 sT2=0.269 sT3=0.183 s

计算等效质量

Kz=0.38，h=0.607H，(H—结构总高度)

C2=

0.884 1

k=0.03

计算EMj，Hj取j层至上下层中点距之和

1点：

EM1=

2点：

EM2=

3点：

EM3=

计算剪力Q12

EM3A3=1.432 6×10-4

次上界力

计算Q23

计算Q01

282.04 kN

3.2 按规范计算

风力计算式为WK(z)=βzμsμzwo，含平均风和脉动风的压力；

按荷载规范8.4.3～8.4.5式计算,1点：β1=1.830 3；2点：β2=2.436 4；3点：β3=2.492 1

计算结点风力：P=WK(z)A

P1=45.86 kNP2=54.27 kNP3=30.38 kN

平均风的压力计算式为

WK(z)=μS(z)μz(z)w0

结点平均风压力为

4 结束语

由算例可知，脉动风主上界压力大于由规范算得的脉动风压力，脉动风主上界压力加上平均风压力大于由规范算得的风压力。脉动风上界压力是由极值条件求得，大于由规范算得的脉动风压力是合理的。上述各种计算方法有赖于各种系数的正确选择，系数不同，计算结果也不同。各种计算结果可用来比较，按规范做出正确判断，取用合理的数据。对于加固已建高层建筑结构，由于刚度不知，频率周期、振型只能估算，上述计算方法用来比较是可行的。

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Calculation of Following Wind Lord in High Storeyed Construction

LI Wen

2014-02-19

李 文(1981—)，男，2008年毕业于武汉大学，工程师。

1672-7479(2014)02-0109-04

TU973

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