考慮脈動作用的附著式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的風(fēng)荷載分析

李 鋒，高涌濤，周長秋

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川德陽 618000；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

隨著廣告業(yè)的興旺，各種新穎的廣告牌得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。大型廣告牌屬永久性建筑物,其位置多處在公共場所、繁華鬧市地帶,并且多數(shù)是建在已建建筑群中,因此,在滿足廣告效果的前提下,其結(jié)構(gòu)的安全性尤其重要。本文以西安市某大廈外墻附著式廣告牌為例，對其進(jìn)行了風(fēng)荷載分析，為此類廣告牌的設(shè)計提供參考。

風(fēng)是自然界一種常見現(xiàn)象，根據(jù)測試記錄，發(fā)現(xiàn)自然界的風(fēng)包含兩部分：即長周期的靜力風(fēng)和瞬時的脈動風(fēng)。靜風(fēng)由于其波動周期長，很難引起建筑物的強(qiáng)振動，而瞬時風(fēng)則由于其周期短，容易接近結(jié)構(gòu)的自振周期，尤其是輕型薄壁結(jié)構(gòu)，所以其產(chǎn)生的作用屬于隨即動荷載。平均風(fēng)可以按照結(jié)構(gòu)高度、自振周期及重現(xiàn)期來表述，但脈動風(fēng)屬紊流特性，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動的主要部分。對于附著式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌這種小剛度結(jié)構(gòu)，應(yīng)該考慮脈動風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)振效應(yīng)[1]。參考美國規(guī)范[2]推導(dǎo)了考慮脈動作用的附著式廣告牌的風(fēng)荷載計算公式，為此類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

1 脈動風(fēng)特性

脈動風(fēng)實(shí)際上是三維的風(fēng)湍流，它包括順風(fēng)向、橫風(fēng)向和垂直向的湍流[3]。由于垂直向湍流數(shù)值很小，對結(jié)構(gòu)影響可以不計。風(fēng)的脈動效應(yīng)就是由于氣流中的湍流所引起的，所以脈動風(fēng)的特性可以由其湍流積分尺度、湍流強(qiáng)度、湍流脈動風(fēng)速自譜和互譜來描述。

1.1 湍流積分尺度

湍流積分尺度是湍流中渦旋平均尺寸的度量，是通過某一點(diǎn)的氣流中的脈動，可以認(rèn)為是由平均風(fēng)運(yùn)送過來的一系列渦旋相互疊加和作用的結(jié)果[4]。若定義渦旋的波長就是渦旋大小的量度，湍流積分長度Lu則是湍流中湍流渦旋平均尺寸的量度，即

1.2 湍流強(qiáng)度

(1)

GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]沒有明確給出湍流強(qiáng)度的計算公式，參考文獻(xiàn)[2]的湍流計算公式來推導(dǎo)考慮脈動風(fēng)作用的附著式廣告牌風(fēng)荷載計算公式。

(2)

式中:c為與地形有關(guān)的參數(shù)(表1)。

1.3 順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜

文獻(xiàn)[2]中采用的是Solari提出的脈動風(fēng)速功率譜，其中湍流積分長度Lu隨著離地高度z的變化而不同，即：

(3)

式中:vz為高度z處的平均風(fēng)速；l、E為與地面粗糙度有關(guān)的參數(shù)(表1)；z為結(jié)構(gòu)計算高度。

表1 相關(guān)計算參數(shù)

2 脈動風(fēng)壓系數(shù)

脈動風(fēng)壓系數(shù)是為了反映脈動風(fēng)壓在整個順風(fēng)向風(fēng)壓中所占比例沿高度變化的參數(shù)。其具體表達(dá)式為

(4)

式中:μ為保證系數(shù)，一般取2.0～2.5；k為系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

由于公式中的系數(shù)k為Davenport在建立脈動風(fēng)速譜時所確定的用來反映地面粗糙度的一個系數(shù)，故其離散型很大，為了方便計算，將式(4)寫成

(5)

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

東方之星商廈位于西安市新城區(qū)南新街路口，地處東大街繁華地段，項(xiàng)目業(yè)主為了達(dá)到良好的宣傳效果，特意在臨街正立面上安裝一塊大型廣告牌。該廣告牌不落地，總高26.5 m，從墻面向外懸挑5.5 m，采用鋼結(jié)構(gòu)制作(圖1)。

圖1 東方之星商廈效果圖

該廣告牌要求懸掛于建筑外墻。因此其受風(fēng)荷載的影響最甚，采取何種有效措施來保證廣告牌與墻面的可靠連接就成為其設(shè)計的關(guān)鍵所在。該地區(qū)基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2。

3.2 廣告牌的結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過多次的結(jié)構(gòu)形式比選,決定該廣告牌結(jié)構(gòu)形式采用桁架式(圖2)。其理由是:第一,廣告牌結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計荷載是風(fēng)載,風(fēng)壓直接作用在面板上,再由面板傳至骨架,在不同高度上的幾道主梁可把風(fēng)載較均勻地傳至結(jié)構(gòu)主體；其次,平行式桁架結(jié)構(gòu)主梁采用槽鋼,使結(jié)構(gòu)外形平整,便于廣告面板掛靠,并可加強(qiáng)面板與主骨架的連接,從而減小了面板的變形,以確保廣告面的感觀效果；除此之外,平行式桁架結(jié)構(gòu),形式簡潔、美觀,受力明確,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單,施工方便,從而能保證施工質(zhì)量。

圖2 廣告牌立面

3.3 脈動風(fēng)荷載

由于脈動風(fēng)壓為高斯平穩(wěn)隨即過程，且其具有空間相關(guān)性的特點(diǎn)，故對廣告牌上的脈動風(fēng)荷載必須建立起它的自功率譜和互功率譜密度函數(shù)。假設(shè)廣告牌上的脈動風(fēng)荷載向量為{P}，根據(jù)已得到的脈動風(fēng)壓自功率譜密度函數(shù)和脈動風(fēng)壓與脈動風(fēng)荷載的關(guān)系，則脈動風(fēng)荷載的自功率譜密度函數(shù)為：

(6)

式中：σwf(Zi)為在第i個質(zhì)點(diǎn)高度處脈動風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)差；ΔAi為第i個脈動風(fēng)荷載的作用面積，i=1,2，…，n。

由式(4)和平均風(fēng)壓計算公式可以導(dǎo)得脈動風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)差σwf的計算公式，將其代入式(6)可得到：

3.4 計算結(jié)果分析

對以上廣告牌分別采用荷載規(guī)范計算方法、廣告牌規(guī)范計算方法和本文方法進(jìn)行風(fēng)荷載計算，計算結(jié)果見表2。

表2 不同方法計算結(jié)果對比 kN/m

由表2可看出，采用GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和cECS148:2003《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算的風(fēng)荷載大小差異很小，僅1 %；而按本文考慮脈動風(fēng)作用的計算公式計算的結(jié)果比前兩者大約18 %，說明風(fēng)中的動力成分對于這種小剛性附著式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的振動效應(yīng)是很明顯的。

4 結(jié)束語

針對附著式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的特點(diǎn)，考慮風(fēng)中的動力成分，參考美國規(guī)范建立了基于脈動風(fēng)的放大效應(yīng)的該類廣告牌的風(fēng)荷載計算公式，并與實(shí)際工程按國內(nèi)規(guī)范計算的風(fēng)荷載值進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所建立公式的實(shí)用性，為此類廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)荷載計算提供了參考。