浅谈等效静力风荷载在建筑结构领域的研究

(华南理工大学 广东 广州 510641)

引言

大多数的情况下,大跨度、高层、异形结构建筑对于风荷载效应非常敏感,风荷载成为此类建筑设计分析过程中的主要控制因素之一。结构分析中经常涉及到风洞试验和非确定性振动分析等复杂的过程,结构设计师难于掌握,因此急切需要探索简单的抗风设计方法[1]。为了解决以上的问题,国内外专家对等效静力风荷载的理论进行探讨。

一、物理意义

所谓等效静力风荷载是指这样一种静风荷载,当把它有效地作用于一个结构上时,在其上导致的静荷载响应与外来气动荷载产生的极大脉动响应一致[2]。值得一提的是,这里的“等效”指的是某一设计关注的结构响应指标,让建筑结构在某类假设模式的荷载作用下静力风振响应与实际风荷载作用导致的极值脉动风振响应一致。

二、等效静力风荷载计算方法

等效静风荷载并非真实存在,而是出于设计需要而假设的一种风荷载模式，主要有以下几种计算方式。

(一)阵风荷载因子(GLF)法。“阵风荷载因子”的概念由davenport在1967年提出,用来表征脉动风荷载对建筑结构响应的扩大,这种简便可行的方法被推广于实际的工程,并逐渐成为了制定高耸结构风力规范的重要依据[3]。其计算方法为:

其中,g是峰值因子,σr(z)是计算得到的某个响应的均方根值。

(二)惯性风荷载(IWL)法。惯性力法实际上也属于阵风荷载因子法,它的阵风荷载因子与惯性力有关。其基本思路是，从结构动力学方程出发，用结构的一阶振型惯性力来表示等效风荷载。其计算方法为:

式中,m(z)是集中质量;n1为结构基频；σy1(z)是一阶振型均方差。

(三)荷载响应相关(LRC)法。根据结构动力学,结构低频区域响应抵御外力作用的仅有弹力。基于此理论,荷载-响应相关法充分考虑了结构上脉动风力间的关联性,用准静风荷载的方式计算出结构的等效背景风荷载。

PeB(z)=gBρr,PσP(z)

式中,gB是背景风振响应相关的峰值因子；ρr,P是为z0处的背景风振响应与z2位置处风力间的关联系数；σP(z)是脉动风的标准差。

(四)三分量法。根据davenport把各种顺风向响应分别处理为平均、背景和共振等三个部分的思想,用这三个部分的组合来表征等效静风荷载。三分量法的计算方法为:

(五)基底弯矩阵风荷载因子(MGLF)法

1.MGLF法对背景等效风荷载的简化处理。背景等效风荷载的表达式为：

式中，GYB是唯一对应背景阵风荷载因子；gB是背景极值系数；Ih是参考高度处紊流度；B是与结构高宽比相关的背景因子。

2.MGLF法对共振等效风荷载的简化处理。为了便于用上高频底座力天平测得的数据,Zhou&Kareem在论文中[4]提出了将底座力矩响应共振部分分配到各层的方法。对共振等效静风荷载的计算方法为:

MR=GMRM

式中，S是尺寸折算系数；E是阵风能量系数；ζ1是结构初阶的阻尼比；MR是共振峰值基底弯矩。

则共振等效风荷载的计算方式为：

式中,φ(z)是模态振型。

(六)五种方法研究对比

1.GLF法与IWL法虽然广泛地运用于国内外结构设计规范,但其在物理上的意义实际上都是不准确的,都只能得到在数学理论上近似的响应值。

2.LRC法的主要优点是，它利用结构响应和静风荷载两者的相关系数来计算等效静力风荷载,这致使所求等效静力风荷载实际有几率存在。LRC方法的主要缺点是,应用于大跨屋面结构时,只适用于计算强刚性屋面结构的等效静风力分布,而对于弱刚性或强挠性屋面结构的计算则不可用,因为此时风振响应作用占有很大比重。

3.三分量法把等效静风荷载分为平均、背景和共振三个基本分量,具有明确的物理概念,虽然其分析和计算的过程不容易,但对深刻解读静力等效静风荷载具有实际意义。

(4)MGLF法能够大范围运用于顺风向、横风向及扭转方向静力等效风荷载的计算,其所需风荷载数据量少,计算快速,很好地适用于网络云运算。至今国内外很多的风工程学者研发的大型超高层结构抗风互联网数据库正是充分运用了此算法。

三、总结

等效静风荷载是沟通结构设计师和风工程师的桥梁,是结构抗风设计理论的核心问题之一。等效静风荷载实质是对风振响应分析结果的一种等效化处理。在这方面，国内外风工程学者进行了大量研究，提出了多种分析方式。因此,寻求一种能适用于多种风振响应分析,安全且有效的等效静风荷载的计算方式是风工程学者们热衷探索的方向。