圍護結構風荷載的尺寸折減效應研究

梁 益,全 涌,顧 明

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

風荷載是控制圍護結構設計的主要荷載,工程中常常直接采用圍護結構上的測點風壓極值的最大值進行圍護結構設計。但作用在結構上的風壓并不是完全相關的,這導致圍護結構上不同部位的脈動風壓產生的作用效果在一定程度上相互抵消,總的風荷載作用效果將隨圍護結構尺寸的增大而減小,這種現象稱為圍護結構風荷載的尺寸折減效應。本文簡要總結和比較了目前研究圍護結構風荷載尺寸折減效應的方法,介紹了相關研究成果。

關于風壓空間折減效應的研究有三種主要方法:直接平均法、相關分析法以及移動平均法。簡要介紹如下:①直接平均法:通過同步測壓得到測點的風壓時程,并對這些時程按面積加權進行瞬時相加后便可獲得測點所在區域內的面積平均風壓的時程,進而得到面積平均風壓的平均值、脈動值和極值。②相關分析法:掌握建筑表面脈動風壓的相關關系對于圍護結構的設計至關重要。研究者通過現場實測和風洞試驗對建筑表面的風壓進行了大量的相關性分析,得到了建筑表面不同區域的風壓相關系數,可作為圍護結構設計時一個有用的參考依據。③移動平均法:對某個測點的風壓時程進行移動平均處理后計算得到風壓極值,并以此來代替該測點所在區域內對應面積的面積平均風壓極值。

在研究圍護結構風壓的尺寸折減效應時,可直接得出對應于不同面積的面積平均風壓,或給出面積平均風壓的尺寸折減因子kp:

式中:Cp,min(A)和Cp,max(A)分別代表圍護結構表面面積為Am2上的面積平均風壓的極小值和極大值,Cp,min(1)和Cp,max(1)分別代表1 m2面積上面積平均風壓的極小值和極大值。影響風壓尺寸折減效應的因素很多,簡要討論如下:①地貌條件的影響:研究者對不同地貌下低矮房屋以及高層建筑表面的面積平均風壓以及風壓相關性均進行了研究,但研究還不全面,沒有總結出規律性的成果。②建筑外形尺寸的影響:某些研究者對不同高度的低矮建筑屋蓋表面的面積平均風壓進行了研究,發現高度對尺寸折減因子的影響不明顯。③屋頂坡度的影響:研究者對不同坡度的低矮建筑屋蓋的面積平均風壓進行了系統研究,相關成果已編入規范。ASCE7-02中將屋頂坡度劃分為0°＜β≤7°、7°＜β≤27°、27°＜β≤45°來分別給出面積平均風壓的取值。④結構構造的影響:某些文獻研究了女兒墻、挑檐、陽臺等結構構造對面積平均風壓的影響,受篇幅所限,這里不詳細介紹。⑤圍護結構位置的影響:低矮建筑屋蓋角部和屋脊角部風壓的折減程度較大,屋蓋邊緣及內部區域風壓的折減效應較小。高層建筑表面不同部位的風壓相關性不同,面積平均風壓折減程度也不同,如圖1所示。

圖1 高層建筑墻面不同區域的風壓折減因子圖