工程设计中钢结构电视塔风振舒适度的计算

刘 坤 付举宏 邱 晖 朱 悦 张 海

(中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045)

·结构·抗震·

工程设计中钢结构电视塔风振舒适度的计算

刘 坤 付举宏 邱 晖 朱 悦 张 海

(中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045)

以宿迁市广播电视发射塔为例，采用不同规范的计算方法计算了钢结构电视塔风振舒适度，并对计算结果进行了比较，同时和风洞试验结果作了对比，找出了比较适用的计算方法。

电视塔，风振舒适度，计算，结果

电视塔是高耸结构的一种，自19世纪50年代以来，随着电视的普及，许许多多的电视塔在世界各地相继建成。随着时代发展，电视塔的高度越来越高，结构外形向纤细、多变的方向发展，其功能也从传统的广播电视发射转变为集广播电视、商务、观光等于一体，成为城市的地标和名片，结构类型也相应的从“构筑物”转变为“建筑物”，风振舒适度成为了设计过程中的一个非常重要的指标。钢结构由于其重量轻，施工快，抗风抗震性能好等一系列优点，在电视塔中出现的越来越多。但是钢结构电视塔构件较多，结构复杂，通常分为外部塔架、内部井架、塔座、塔楼等部分，风荷载及舒适度计算较为复杂。

1 工程实例

宿迁市广播电视发射塔，高333 m，主要部分为外塔架、内部井架、塔座、塔楼和桅杆段。主塔体高235.9 m，平面为正十六边形，桅杆段高97.1 m，平面为正四边形。塔座部分包括地下1层和地上3层，塔楼分4层。发射塔的建筑结构类型属于空间格构式筒体，塔座为莲叶造型，塔楼为莲花造型，效果图见图1。

由于结构的质量和刚度沿高度方向有突变，所以风荷载的计算不能只考虑第一振型，因此荷载规范、高耸规范等风载计算方法都不适用。本工程按照钢塔桅规范的相关条文，采用振型分解法计算，振型数量取7个。风振舒适度按照GB 50135—2006高耸结构设计规范(下文简称高耸规范)进行计算，规定如下：

在审图过程中，有专家提出，风振舒适度尚应按照JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程(下文简称高钢规)的规定，取10年重现期的风压进行计算。高钢规第5.5.1条规定如下：

公共建筑类钢结构在风荷载作用下的顺风向和横风向顶点最大加速度不应超过0.28 m/s2。顺风向顶点最大加速度:

其中，aw为顺风向顶点最大加速度，m/s2;μs为风荷载体型系数；μr为重现期调整系数，取重现期为10年时的系数0.83；ω0为基本风压,kN/m2，按现行国家标准GBJ 9建筑结构荷载规范的规定采用；ξ,v分别为脉动增大系数和脉动影响系数，按现行国家标准GBJ 9建筑结构荷载规范的规定采用；A为建筑物总迎风面积,m2；mtot为建筑物总质量,t。

上式中，直接将μrω0换成10年重现期的风压值代入。

由于塔楼并非电视塔顶点，按文献[2]内容换算塔楼处加速度。任意高度Z处的加速度为awz=awφz，φz为第一振型z高度处的相对位移。

2 计算结果

本工程风振舒适度计算结果如下：1)按照《高耸结构设计规范》进行核算，结果如下。基本风压按0.4 kN/m2(50年重现期)计算，在脉动风的频遇组合下，塔楼处的水平位移为0.107 4 m，基频为0.927 6 rad/s，计算得风振加速度为0.092 m/s2，满足规范要求。2)按照《高层民用建筑钢结构技术规程》进行核算，结果如下。基本风压按0.25 kN/m2(10年重现期)计算，自振周期为6.773 4 s，查得ξ=3.87，v=0.79，∑μsiAi=4 108m2，mtot=22 179 t，φz=0.484，计算得a=0.069 m/s2，满足规范要求。由以上结果可知，高钢规中计算风振加速度的公式对于带有塔楼的综合性电视塔计算结果明显偏小，可能的原因是公式中的参数ξ和v，按GBJ 9建筑结构荷载规范的规定采用，只是针对刚度和质量分布均匀或者沿高度线性变换的结构的，对于带塔楼的电视塔结构并不适用。因此，按照高钢规的风压取值，按照高耸规范的计算方法，再次对电视塔的风振舒适度进行了计算，结果如下。基本风压按0.25 kN/m2计算，在脉动风的标准组合下，塔楼处的水平位移为0.156 8 m，基频为0.927 6 rad/s，计算得风振加速度为0.135 m/s2，满足规范要求。

3 风洞试验结果

本工程还通过风洞试验(高频底座天平测力试验)给出了塔楼处的风振加速度，结果如下：1)取50年重现期的风荷载频遇值，得到塔楼处的最大加速度为0.15 m/s2(阻尼比1.5%)；2)取10年重现期的风荷载，得到塔楼处的最大加速度为0.19 m/s2(阻尼比1.5%)。

4 结语

通过以上的计算结果和试验结果可知：1)电视塔结构顶部桅杆段鞭梢效应非常明显，计算风荷载时必须要考虑高阶振型的影响。高耸规范也明确指出，对于结构外形或质量有较大突变的高耸结构，风振计算均应按随机振动理论进行。但是用随机振动理论计算风荷载，在工程设计上有着很大难度，希望能尽快制定或修订适用于这种结构形式的国家标准来指导计算风荷载。2)由钢塔桅规范的风荷载计算公式可知，当其他条件一致时，不同风压下脉动风的值与风压成正比，所以塔楼处位移与风压成正比。由文献[3]可知，由50年重现期风压换算到10年重现期风压，换算系数约为0.73。而风荷载的频遇值组合系数为0.4，相当于将风压缩小至0.4倍。因此，按高耸规范计算时，10年重现期脉动风的标准组合得到的加速度值要大于50年重现期脉动风频遇组合得到的加速度值。设计时，建议按10年重现期的风荷载计算。3)风洞试验结果与规范计算结果间往往存在一定的误差，经分析，本次试验与设计值的差异，主要是由于计算方法及部分参数取值差异引起。但是风洞试验仍然是高耸结构设计过程中一个很好的验算手段，有条件的话建议做试验来校核和对比。

[1] 米曦亮.高耸电视塔结构风振控制研究[D].上海:同济大学,2007.

[2] 陈 丰,金新阳.结构顺风向风振加速度分析与计算[A].第十九届全国高层建筑结构学术会议论文[C].2006：671-678.

[3] 赵 洋,颜卫亨,王振锋.不同重现期风压转换方法探讨[J].工业建筑,2010(sup):725-728.

Calculation of steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort in engineering design

Liu Kun Fu Juhong Qiu Hui Zhu Yue Zhang Hai

(RadioFilmandTelevisionDesignandResearchInstitute(DRFT),Beijing100045,China)

Taking Suqian television launch tower as an example, applying different calculation methods, the paper calculates the steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort, compares the calculation results, and compares it with wind tunnel testing results, and finally finds out suitable calculation methods.

TV tower, wind-induced vibrating comfort, calculation, result

2015-01-20

刘 坤(1986- )，男，工程师； 付举宏(1962- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)10-0027-02

TU391

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