立軸風力機在風載作用下對不同結構形式的影響

杜宇 周元

(1．四川華鐵鋼結構有限公司，四川成都 610000;2．四川省高標建設工程有限公司鋼結構分公司，四川成都 610041)

1 工程簡介

背景工程項目結構形式為框架結構，位于四川省成都市，其底層層高5m，其余標準層層高3m，共計20層，項目抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0．10g，場地類別為第三組。地面粗糙程度為B類，基本風壓為0．3kN/m2，結構設計使用年限為50年，安全等級為二級。于建筑四角布置立軸式風力機。

立軸式風力機軸承設計為100mm直徑的圓形鋼材，風力機葉片為玻璃鋼材質，呈半圓形狀，直徑1．5m。將實際彎曲型風力機葉片等效成長寬均為2m、厚度為50mm的矩形板。建筑及安裝風力機后的建筑平面布置圖如圖1，圖2所示。

圖1 混凝土結構平面圖（一）

圖2 混凝土結構平面圖（二）

2 結構計算及結果分析

結構采用有限元分析計算軟件ANSYS 12．0版本建模并做線彈性分析。建模過程中，定義鋼材與混凝土均被視為各向同性線彈性材料，根據(jù)GB 50009-2012建筑結構荷載規(guī)范中對材料屬性的規(guī)定，鋼筋混凝土構件及鋼結構構架均采用剛度EI等效的整體式模型，各項材料參數(shù)和選用單元如表1所示。

表1 各項材料參數(shù)和單元選取

結構計算時的基本風壓按荷載規(guī)范中100年基準期取值，分別選取風壓為 0．35 kN/m2，0．55 kN/m2，0．75 kN/m2，0．95 kN/m2，1．15 kN/m2，1．35 kN/m2，六種不同風壓按照等效集中力施加在節(jié)點上進行等效靜力荷載計算，通過對六種不同風壓下水平靜力荷載作用下靜力計算，比較兩種不同結構形式的計算模型在不同風荷載作用下的不同變形反應，該計算模型的層最大位移、最大層間位移和最大層間位移角如圖3～圖8所示。

圖3 混凝土結構樓層最大位移圖

圖4 鋼結構樓層最大位移圖

從圖3～圖8可以看出，隨著風壓的增大，在兩種不同結構同一樓層上產(chǎn)生的最大位移、層位移差及層間位移角都會增大，當風壓達到最大值1．35 kN/m2時，混凝土結構位移達到最大值55．810 mm，鋼結構位移達到最大值為72．810 mm，混凝土結構層位移差最大值為5．365 mm，鋼結構層位移差最大值為6．634 mm，混凝土結構層間位移角最大值為0．001 42，鋼結構層間位移角最大值為0．001 51，均滿足規(guī)范要求。

3 結語

圖5 混凝土結構最大層間位移圖

圖6 鋼結構最大層間位移圖

圖7 混凝土結構最大層間位移角圖

圖8 鋼結構最大層間位移角圖

通過對整體結構的分析和計算，找出了結構的薄弱部位，也為原有建筑結構方案選型提供了理論參考，同時對比兩種結構形式，結構的整體變形主要是彎曲變形。由于風力機的存在，安裝風力機的位置結構局部存在薄弱部位，針對薄弱部位，加強剛度和構造措施，方能保證結構安全。

在經(jīng)濟條件允許的情況下，建議采用鋼框架結構，因為在建筑整體剛度相同和構件不屈服的前提下，鋼構件擁有更好的彈性變形能力，能應對極端風荷載條件下的變形。

［1］GB 50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］．

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］．

［3］鋼結構設計手冊編委會．鋼結構設計手冊(上下冊)［M］．第3版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］．

［5］GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］．

［6］JGJ 99-98，高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程［S］．