淺談等效靜力風荷載在建筑結構領域的研究

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

引言

大多數的情況下,大跨度、高層、異形結構建筑對于風荷載效應非常敏感,風荷載成為此類建筑設計分析過程中的主要控制因素之一。結構分析中經常涉及到風洞試驗和非確定性振動分析等復雜的過程,結構設計師難于掌握,因此急切需要探索簡單的抗風設計方法[1]。為了解決以上的問題,國內外專家對等效靜力風荷載的理論進行探討。

一、物理意義

所謂等效靜力風荷載是指這樣一種靜風荷載,當把它有效地作用于一個結構上時,在其上導致的靜荷載響應與外來氣動荷載產生的極大脈動響應一致[2]。值得一提的是,這里的“等效”指的是某一設計關注的結構響應指標,讓建筑結構在某類假設模式的荷載作用下靜力風振響應與實際風荷載作用導致的極值脈動風振響應一致。

二、等效靜力風荷載計算方法

等效靜風荷載并非真實存在,而是出于設計需要而假設的一種風荷載模式，主要有以下幾種計算方式。

(一)陣風荷載因子(GLF)法。“陣風荷載因子”的概念由davenport在1967年提出,用來表征脈動風荷載對建筑結構響應的擴大,這種簡便可行的方法被推廣于實際的工程,并逐漸成為了制定高聳結構風力規范的重要依據[3]。其計算方法為:

其中,g是峰值因子,σr(z)是計算得到的某個響應的均方根值。

(二)慣性風荷載(IWL)法。慣性力法實際上也屬于陣風荷載因子法,它的陣風荷載因子與慣性力有關。其基本思路是，從結構動力學方程出發，用結構的一階振型慣性力來表示等效風荷載。其計算方法為:

式中,m(z)是集中質量;n1為結構基頻；σy1(z)是一階振型均方差。

(三)荷載響應相關(LRC)法。根據結構動力學,結構低頻區域響應抵御外力作用的僅有彈力。基于此理論,荷載-響應相關法充分考慮了結構上脈動風力間的關聯性,用準靜風荷載的方式計算出結構的等效背景風荷載。

PeB(z)=gBρr,PσP(z)

式中,gB是背景風振響應相關的峰值因子；ρr,P是為z0處的背景風振響應與z2位置處風力間的關聯系數；σP(z)是脈動風的標準差。

(四)三分量法。根據davenport把各種順風向響應分別處理為平均、背景和共振等三個部分的思想,用這三個部分的組合來表征等效靜風荷載。三分量法的計算方法為:

(五)基底彎矩陣風荷載因子(MGLF)法

1.MGLF法對背景等效風荷載的簡化處理。背景等效風荷載的表達式為：

式中，GYB是唯一對應背景陣風荷載因子；gB是背景極值系數；Ih是參考高度處紊流度；B是與結構高寬比相關的背景因子。

2.MGLF法對共振等效風荷載的簡化處理。為了便于用上高頻底座力天平測得的數據,Zhou&Kareem在論文中[4]提出了將底座力矩響應共振部分分配到各層的方法。對共振等效靜風荷載的計算方法為:

MR=GMRM

式中，S是尺寸折算系數；E是陣風能量系數；ζ1是結構初階的阻尼比；MR是共振峰值基底彎矩。

則共振等效風荷載的計算方式為：

式中,φ(z)是模態振型。

(六)五種方法研究對比

1.GLF法與IWL法雖然廣泛地運用于國內外結構設計規范,但其在物理上的意義實際上都是不準確的,都只能得到在數學理論上近似的響應值。

2.LRC法的主要優點是，它利用結構響應和靜風荷載兩者的相關系數來計算等效靜力風荷載,這致使所求等效靜力風荷載實際有幾率存在。LRC方法的主要缺點是,應用于大跨屋面結構時,只適用于計算強剛性屋面結構的等效靜風力分布,而對于弱剛性或強撓性屋面結構的計算則不可用,因為此時風振響應作用占有很大比重。

3.三分量法把等效靜風荷載分為平均、背景和共振三個基本分量,具有明確的物理概念,雖然其分析和計算的過程不容易,但對深刻解讀靜力等效靜風荷載具有實際意義。

(4)MGLF法能夠大范圍運用于順風向、橫風向及扭轉方向靜力等效風荷載的計算,其所需風荷載數據量少,計算快速,很好地適用于網絡云運算。至今國內外很多的風工程學者研發的大型超高層結構抗風互聯網數據庫正是充分運用了此算法。

三、總結

等效靜風荷載是溝通結構設計師和風工程師的橋梁,是結構抗風設計理論的核心問題之一。等效靜風荷載實質是對風振響應分析結果的一種等效化處理。在這方面，國內外風工程學者進行了大量研究，提出了多種分析方式。因此,尋求一種能適用于多種風振響應分析,安全且有效的等效靜風荷載的計算方式是風工程學者們熱衷探索的方向。