158-谢霁明、许振东-横风向等效风荷载规范计算方法的改进

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1、第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年横风向等效风荷载规范计算方法的改进谢霁明，许振东（浙江大学建筑工程学院，杭州310058）提要：在机理研究与参数分析的基础上，本文对目前建筑规范中矩形建筑横风向荷载计算方法提出了改进算法。这一新的算法采用与顺风向荷载计算形式上相似的方式，对结构设计人员应用具有更好的可操作性。同时采用二维标准风力谱与修正系数的方法取代目前规范计算中以三维形式表示风力谱的方法，方便了参数取值。此外在计算中增加了建筑高宽比参数，以反映高宽比对横风向荷载的实际影响，提高了横风向荷载的估计精

2、度。在等效静力荷载分布方面，采用以共振分量为主的形式，一方面反映了当横风向荷载相对重要时，共振分量占主导的事实；另一方面与风洞试验结果达成更好的一致性。算例结果表明，本文方法与风洞试验结果之间有着很好的一致性，与目前规范计算方法相比不但计算比较简便，而且在精度上也有所提高。关键词：高层建筑，横风向荷载，标准风力谱，约化频率，实用计算方法1引言工程实例表明，建筑高度的提高与高强材料的使用所带来的结构柔度增加与结构阻尼减小，使得建筑[1]结构设计的横风向荷载有可能大大高于顺风向荷载。由于横风向荷载作用机理复杂，工程界

3、至今仍依赖于风洞试验方法确定与横风向作用有关的设计风荷载与风致振动加速度。在2012年之前，中国建筑结构荷载规范没有给出估算建筑横风向荷载的条款。国[2][3]外也只有少数几个国家的建筑规范给出计算横风向荷载的建议公式。一般的设计步骤是先由设计人员按规范方法估算风荷载，在此基础上完成初步设计，然后通过风洞试验对初步设计结果进行验证。在缺乏对横风向荷载基本估计的情况下，初步设计中的风荷载只能采用规范计算的顺风向荷载。这样就产生了一个问题：如果所设计的建筑是横风向荷载控制，风洞试验结果与规范初步估算值之间就可能会有很

4、大的差别，有可能因此造成设计返工。为解决这一问题，2012年版的中国建筑结构荷载规范GB50009-2012增加[4]了估算横风向荷载的公式。2012年版的中国建筑结构荷载规范中计算横风向荷载的公式反映了迄今为止国内外在这一领域的主[5]要研究成果。与其他国家的相关规范条例相比，中国规范在适用范围与细致程度方面都有了很大的提高。为了将复杂的矩形截面高层建筑横风向荷载计算简化为便于应用的表达式，规范的制定者们做出了很大的努力与合理的简化，其中包括对楼层质量分布、模态振型、建筑高宽比的影响等等。经过一段时间的工程实践

5、，新规范在明显提高设计人员对横风向荷载估计能力的同时，也反映出一些有待进一步改进的地方。据了解，不少结构工程师觉得规范中的矩形截面高层建筑横风向荷载计算方法过于繁琐，计算参数过多，广义风力功率谱图较复杂不易定值，风荷载大小与结构基本设计参数（如质量、阻尼）之间的物理关系表达不够直接等等。这些对提高设计效率与优化结构抗风设计带来一定困难。此外，虽然新规范明确所给出的计算方法适用于高宽比4至8的建筑物，但工程实践表明高宽比4与[6][7][8]高宽比8的建筑物在横风向响应方面的差别其实不可忽视。所以研究规范计算中这一

6、简化假定的可能误差范围有着实际的工程意义，同时有必要在计算中将高宽比也作为一个参数以提高估计精度。作者简介：谢霁明（1955—）,男,博士,教授第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年[9]浙江大学许振东以这一课题作为本科毕业论文题目，探讨对规范计算方法作进一步改进的可行性。通过大量的参数分析，明确了各重要物理参数对横风向荷载的作用机理与规律。在此基础上本文提出了改进的矩形截面高层建筑横风向荷载实用计算方法。2横风向荷载的作用机理与基本参数2.1横风向荷载与顺风向荷载的比较从工程应用的角度考虑，我们需要了

7、解在什么情况下横风向荷载会大于顺风向荷载，控制横风向荷载与控制顺风向荷载在设计方面有什么不同。一般来说，结构设计的风荷载包括三部分分量：平均风荷载、脉动风荷载、惯性风荷载。平均风荷载主要是风的阻力作用，在顺风向时为最大，横风向时几乎为零。脉动风荷载（也称背景分量）由阵风的脉动部分造成。由于建筑物的体量远大于脉动风的相关长度，用于整体结构设计的脉动风荷载往往是相对小量。惯性风荷载（也称共振分量）是由风致结构振动引起的，其大小与振动加速度和结构质量有关。由此可见，横风向荷载大于顺风向荷载的情况只能出现在横风向的惯性风

8、荷载大大高于顺风向惯性风荷载与平均风荷载之和的场合。那么在什么场合会出现如此高的横风向惯性风荷载呢？事实上，绝大多数高层建筑的风致响应中，由结构振动与大气绕流之间相互作用所造成的气动弹性力[10]学效应并不明显，横风向响应与顺风向响应中气动力的作用都可以作为强迫力考虑。于是广义风力谱就提供了一个了解顺风向与横风向响应机理的重要视角。按照结构动力学原理，结构风振响应可由广义