《顺风向等效风荷载及响应_主要国家建筑风荷载规范比较_洪小健》由会员分享，可在线阅读，更多相关《顺风向等效风荷载及响应_主要国家建筑风荷载规范比较_洪小健（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 34 卷 第 7期建 筑 结 构2004 年 7 月顺风向等 效风荷载及 响应 ) 主要国家建筑风荷载规范比较洪小健 顾 明 ( 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海 200092)提要 详细地比较了中、 美、 欧、 日、 加、 澳等国风荷载规范中顺风向响应的计算内容。通过对基本风压、 平均 风速剖面、 湍流强度剖面、 脉动风速谱、 相关函数等多个方面的详细分析比较, 指出中国规范在湍流强度、 响应 峰值系数的选取、 相关函数的选用等方面可能存在的问题, 并用各国风荷载规范完整地计算比较了一幢高层建筑结构的顺风向等效设计风荷载和顺风向风振响应。 关键词 规范 风荷载 风振响应 湍流度
2、相关函数 峰值系数This paper presents the detailed comparison on the guidelines and procedures about computing along -wind responseof tall buildings in GB50009 ) 2001,ACSE7) 98, Eurocode 1995, RLB -AIJ1996, NBC1995, SAA Loading Code 2000.With the minute comparisons on basic wind pressure, mean velocity profi
3、le, turbulence intensity profile, wind spec - trum,correlation structure, it seems that there are several points that must be paid attention to, such as turbulence in - tensity, response peak factor, correlation structure in Chinese code. The equivalent static pressure and response for atall buildin
4、g arepresented to illustrate the overall comparison among various codes. Keywords:code;wind load;wind induced vibration response; turbulence intensity;coherence structure; peak factor一、 引言5建筑结构荷载规范6( GB50009 ) 2001)1明确地给出了高层建筑顺风向等效风荷载的计算方法, 即有别于西方国家风荷载规范中阵风荷载因子法( GLF) 的惯性荷载方法。在计算条件相同的前提下, 针对同样的高层建筑,
5、 按照其他国家建筑结构风荷载规范1 -6与中国风荷载规范计算的等效风荷载及风振响应是否相同, 若有差别,又存在着多少差别? 这些差别主要来自于哪些方面? 以上问题尚未见及有关资料。为此, 将中国与主要西方国家风荷载规范作了较为全面的比较,内容包括: 基本风速( 风压) 、 平均风速剖面与湍流强度剖面、 脉动风速谱与谱相关函数、 峰值因子、 等效风荷载和风振响应。二、 规范比较11 基本风速与重现期、 观测时间各国规范确定基本风速的方法都是相同的: 根据不同地区大量风速资料, 按照某种极值概率分布结合规定的超越概率给出。中国、 加拿大等国家都是按照极值 I 型分布( Gumbel 函数) 给出峰
6、值风速的分布, 而美国规范则采用了第二类极值分布( Frechet 函数) 来描述最大风速分布。中国荷载规范、 欧洲钢结构协会规范中规定的基本风速是在 B类场地、 高度 10m、 重现期 50 年、 观测时间 10min 的条件下确定的。其它各国规范中的基本风速都是在类似于中国规范中的 B类场地条件下确定的, 但在重现期、 观测时间上略有差别。需要指出的是, 加拿大风荷载规范中分别按照重现期10, 30, 100 年, 根据 Gumbel 分布确定了 10m 高度处,1h 的平均风速作为不同极限状态的设计基本风速。各主要国家的观测时 间和基本风速重 现期比较见表 1。在与其它国家规范中的基本风
7、速进行比较时,可将日本规范中的基本风速折算到重现期为 50 年的最大平均风速。转换公式为 Vr/ V100= 0. 54+ 0. 1lnr, 其中 r是确定基本风速的重现期。对于美国和加拿大规范,要将它们规定的基本风速统一换算到观测时间为 10min条件下的基本风速。文 7 给出了不同时距的基本风速转换关系如下( 式中变量下标表示观测时间):V10min/ V3s= 0. 703V10min/ V1h= 1. 067(1)21 平均风速剖面和湍流强度剖面平均风速剖面的描述有指数形式和对数形式两种: 中、 美、 日、 加、 澳采用的是指数形式, 欧洲采用的是对数形式。无论何种形式, 都与地貌有关
8、, 多数国家将地貌按粗糙度分为四个类别: 从A类的无障碍物开阔基本风速观测时间和重现期比较表 1国家中国美国日本欧洲加拿大澳洲 观测时间10min3s10min10min1h3s 重现期( y)50501005010, 30, 1005039地到 D 类的高层建筑高度集中的大城市中心区。为便 于比较, 将各国规范中平均风速剖面均用 b(z / 10)a的形式给出, 平均风速剖面函数中的参数详见表 2。需要指出的是, 外国规范原文中的场地分类标记 A, B, C,D 与中国规范中 A, B, C, D 所指的粗糙度可能完全相反。表 2 中场地分类标记 A, B, C, D 所定义的粗糙度类别与中
9、国规范一致。平均风速的风剖面特征参数 a, b 值和 湍流强度的特征参数 c, d 值表 2场地类型中国美国日本欧洲加拿大澳洲babababababaA1.170. 121.090. 091. 230. 11. 160.13B10. 1610. 1110. 1510.1610.1410.15C0. 7850. 220.850. 140. 790. 200. 750.250. 670.25D0. 5640. 310.660. 20. 580. 250. 580.270. 440.35E0. 400. 35场地类型中国美国日本欧洲加拿大澳洲cdcdcdcdcdcdA0.080. 120.150.1
10、670. 160. 150. 150.120.1940. 3B0.10. 160.20.1670.20. 20. 190.160.20.140.2590. 3C0.150. 220.30.1670. 260. 250. 290.210. 3350.250.3230. 3D0.450.1670. 360. 320. 430.290. 6210.360. 450. 3E0.40. 4注: 澳洲规范中极限状态验算的平均风速剖面的风速剖面在 100m 以下按幂函数变化, 在 100m 以上为常数。关于湍流强度, 西方主要国家的规范都作了明确说明。随着高度的变化湍流强度剖面同样可以用幂函数来描述, 其形
11、状与平均风速风剖面正好相反。I( z ) = c(z / 10)- d(2)其中 c, d 都是依赖于地形的参数。中国荷载规范没有作专门湍流强度说明, 但中国 规范在推导风振系数的过程中引入了描述脉动风压根方差沿高度变化规律的变量:脉动系数, 其表达式为Lf( z) =LRwf w (z )(3)式中: L是脉动风压的保证系数, 中国规范取为 215;Rwf是脉动风压; w( z )是高度 z 处的平均风压。根据中国规范中的脉动系数, 结合湍流强度的定义, 可得到与其对应的湍流强度为I = 0. 1 3. 51. 8(a- 0. 16)( z/ 10)- a(4)结合表 2 可知, 中国、 欧
12、洲规范中平均风速剖面函数随着高度增加增长最快, 但各国规范中的平均风速剖面函数差别并不大。与西方国家相比, 中国规范中 的脉动系数所对应的湍流强度要小许多。以 B 类地貌, 10m 高度处的湍流强度为例, 由中国规范计算得到的湍流强度为 011, 西方主要国家规范中的湍流强度最小值为 0119, 最大值为 0126。中国规范中的湍流强度取值明显偏低。31 脉动风谱中国和加拿大规范使用了达文波特风谱; 欧、 美、日、 澳规范中则采用了考虑高度影响的脉动风谱, 此外美、 日、 澳规范中的脉动风谱函数还包含了湍流尺度的影响。关于湍流尺度, 各国规范定义不同: 日本规范中的湍流尺度只与高度有关, 欧美
13、规范中的湍流尺度还与地貌条件有关。西方国家规范中的脉动风谱都考虑了高度影响, 为了便于工程应用, 西方国家规范都采用了在等效高度处( h= 0. 6H , H 为结构实际高度)8的风谱作为设计脉动风谱。各国规范采用的脉动风谱详见表 3。图 1 比较了各国规范的设计风谱( 高度 200m, 在10m 高度的平均风速为 30m/s) 。比较可见, 中国、 加拿大规范中脉动风谱低频处能量较低, 美国规范和欧洲规范中的脉动风谱低频处峰值较高, 且随着频率增加都单调下降。在频率为 0102Hz 处, 各种脉动风谱近似相等。在实际高层、 超高层结构频率范围内 01151Hz , 中国和加拿大规范采用的达文
14、波特谱值反而略高。这一情况说明, 对频率较低的高柔建筑, 采用达文波特谱可能给出较大的共振响应值; 由于背景响应与各脉动风谱所围的面积相关, 且各风谱所围成的面积近似相同。故对频率较高、 背景响应占主要成分的建筑, 采用不同脉动风谱的计算结果差异不大。以下分别应用不同国家规范建议的脉动风谱, 在其它条件都相同的前提下结合随机振动方法计算柔性和刚性高层建筑的顺风向响应, 并进行比较。表 4 给出了两高层建筑( 一柔性、 一刚性) 的计算参数, 比较表明在其它条件相同的前提下, 采用达文波特谱的风振响应计算结果较采用其它规范中风谱的计风谱函数与湍流尺度表 3国家谱函数形式湍流尺寸中国nSv( n)
15、 k v210=4x2(1+ x2)4/ 3)x = 1 200 n/ v10美国nSv( n) R2v=6. 868x (1+ 10. 302x )5/ 3Lz= l(z 10)Ex = nL( z)/ v ( z )日本nSv( n) R2v=4x (1+ 70. 8x2)5/ 6LH= 100(H 30)0. 5x = nLH/ v (H )欧洲nSv( n) R2v=6. 868x (1+ 10. 302x )5/ 3Lz= 300(z 300)Ex = nL( z)/ v ( z )加拿大nSv( n) R2=2x2 3(1+ x2)4/ 31 220x =1 200 n/ vH澳洲
16、nSv( n) R2v=4x 6. 677(2+ x2)5/ 6LH= 1 000(H 10)0.25x =nLH/ vH40算结果略大。以按达文波特谱的计算结果为比较标准(采用达文波特谱计算结果的相对大小为 100%) , 表 5 给出采用不同脉动风速谱计算结果的相对大小。图 1 脉动风谱计算参数表 4结构种类频率( Hz)阻尼单位高度质量( kg/ m)宽 长 高( m)基本风压( kN/ m2)湍流度( %)场地类别柔性结构0. 220. 01364 50045 45 2500. 5520B刚性结构0. 840. 05230 00028 21 1000. 5520B应用不同脉动风谱计算的位移响应比较(% )表 5响应类型达文波特谱美国欧洲规范谱澳洲规范谱日本规范谱柔性刚性柔性刚性柔性刚性柔性刚性共 振100100878989918080背 景100100969796989796总响应10010092959396899141 相关函数中国规范中的相关函数取的是与风速和频率无关的相关函数式( 5) 9
