关于风荷载的相关计算,我写过两篇文章:

《风荷载计算中的是是非非》

《风洞数据释疑》

本次再做补充。

01 风洞数据输入

国内风洞单位给出的可用于模型输入的数据一般为PM文件,PM文件有三个,每个文件有六列数据,分别为Fxx、Fxy、Mx,Fyx、Fyy,My。这和YJK的输入格式一致。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(1)

根据YJK的说明文件,Fxx、Fxy、Tx(FxT)分别表示结构所受的顺风向荷载、横风向风荷载以及平面内扭矩。这其实是一个单独的工况。一个PM文件对应两个单独工况。

在输入层间位移角时,Fx的工况(三列数据)输出X向的层间位移角,Fy的工况(三列数据)输出Y向的层间位移角,二者互不影响。

有些风洞单位(包括国外)并不提供PM文件,而是给出不同楼层的等效风荷载(Fx、Fy、Mz),然后给出不同工况(或方向角)下的组合系数,一般为24个工况或36个工况。

多工况的风荷载也可以在YJK中输入,首先在风荷载参数→基本参数→其他风向角中输入不同的角度,然后在指定风荷载中点击导入其他风向,即可生成新增数据列。每个角度对应三列数据,FiX,FiY,FiT。注意勾选数据下方的“其他风向使用整体坐标系”。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(2)

此处输入的风荷载按整体坐标系施加,结构计算和指定的风向角无关。但层间位移角仅输出指定角度的位移角。这里需要注意:结构模型的整体坐标系和风洞数据的整体坐标系需保持一致。

结构强度计算会给出不同风向角的结果,在设计时会取包络。对同一组风时程数据,改变输入的角度,结构构件内力和配筋不会发生变化,说明计算和输入的角度无关,一律按勾选的整体坐标系执行。

另外,结构承载力计算,风压需要放大1.1倍,如采用指定的风荷载,是否会自动执行此条?经测试,风荷载→基本参数→承载力设计时风荷载效应放大系数1.1,对风洞数据也起作用。

在输入风洞数据之前,要先检查风洞数据是否满足规范规定的最低值(类似于地震作用的剪重比),参考《建筑工程风洞试验方法标准》,风洞荷载计算得到的主轴方向基底弯矩不应低于《荷规》规定计算值的80%. 注意,基底弯矩满足80%,并不意味着基底剪力也满足80%.

02 加速度控制

关于超高层建筑风振舒适度控制,除了《高规》给出的10年一遇风载工况下的控制标准。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(3)

CTBUH的一篇文章《Wind-Induced Motion of Tall Builidings:Designing for Occupant Comfort》给出了1年一遇风振加速度控制标准。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(4)

广东省标准《高层建筑风振舒适度评价标准及控制技术规程》对此问题也进行了对比研究,给出的风振加速度限值如下:

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(5)

对应地,也给出了1年重现期的基本风压,以深圳地区为例,该值为0.206kPa。

个人认为,沿海地区1年一遇的风振加速度控制更为实际,也更贴近于正常使用的设计工况。

03 加速度计算

关于加速度计算,需要注意几个问题:

1)规范给出的横风向风振加速度计算公式,是有试用条件的,不是任何情况下,都可以按规范公式进行计算。

2)对类似住宅等异型平面,如何得到角部位置的风振加速度?目前常用的方法是根据转动半径及质心角加速度进行换算。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(6)

但这个方法,隐含了刚性楼板假定的前提。对很多平面不规则(比如细腰、楼板大开洞等)建筑,恰恰不满足刚性楼板假定。目前暂无很好的办法处理该问题。

3)相比《高规》和广东省《荷规》,《高层建筑风振舒适度评价标准及控制技术规程》对加速度计算公式进行了部分改进,提高了峰值因子,将结构单位高度质量调整为广义质量,计算得到的加速度略大。

04 基本风压的问题

根据荷载规范,整个深圳市,50年一遇的基本风压都是0.75kPa。但仔细想想,其实也是有些问题。比如,深圳市南侧靠海,常受台风登陆影响,风压取0.75问题不大,但靠北区域,接近东莞,取0.75kPa有没有必要?注意,东莞市的基本风压是0.55~0.65kpa。

如果一栋建筑建在深圳和东莞的边界,那风压是按0.65还是按0.75呢?这种问题本身应该不存在,但因为规范规定颗粒度的问题,在逻辑上它就存在了。事实上,类似问题,在规范上还不少,比如墙和柱的分界。

幸运的是,广东省荷载规范还给出了深圳市的基本风压分布图。根据这张图,深圳靠北区域基本风压为0.65kPa,与东莞吻合。

风力风洞设计原理(风洞数据输入与加速度控制)(7)

我们想想,如果50年一遇基本风压有这样一张分布图,那控制舒适度的10年一遇基本风压呢?这个问题好像还没有人想过。

最近这几年,深圳的大高宽比建筑越来越多,深圳高规对风载作用下的层间位移角有所放松,这很可能让舒适度成为设计控制因素。

当然,为了让设计实现而降低设计条件,这不是一件值得歌颂和赞美的事情。但是,在事实和逻辑的基础上,对设计条件进行细颗粒度的研究和辨析,是技术进步的一种表现。

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