3.2.1
风荷载计算的原则采用现行国家标准《建筑结构荷载规范》 GB 50009 的规定。对于主要承重结构,风荷载标准值的表达可有两种形式,其一为平均风压加上由脉动风引起结构风振的等效风压;另一种为平均风压乘以风振系数。由于结构的风振计算中,往往是受力方向基本振型起主要作用,因而我国与大多数国家相同,采用后一种表达形式,即采用风振系数βz。它综合考虑了结构在风荷载作用下的动力响应,其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素。
基本风压ω0是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录,按基本风压的标准要求,将不同测风仪高度和时次时距的年最大风速,统一换算为离地 10m 高,自记式风速仪 10min 平均年最大风速 (m/s) 。根据该风速数据统计分析确定重现期为 50 年的最大风速,作为当地的基本风速υ0。再按贝努利公式确定基本风压。
3.2.2
现行国家标准《建筑结构荷载规范》 GB 50009 将基本风压的重现期由以往的 30 年改为 50 年,这样,在标准上将与国外大部分国家取得一致。但经修改后,各地的基本风压并不全是在原有的基础上提高 10%,而是根据新的风速观测数据,进行统计分析后重新确定的。为了能适应不同的设计条件,风荷载计算可采用与基本风压不同的重现期。规程 JGJ 3&emdash;91 对高层建筑的基本风压乘以 1.1 的增大系数采用,现因基本风压的重现期已由 30 年改为 50 年,所以对于一般高层建筑不需再乘以 1.1 的增大系数。但对于特别重要的高层建筑或对风荷载比较敏感的高层建筑,应考虑 100 年重现期的风压值较为妥当。当没有 100 年一遇的风压资料时,也可近似将 50 年一遇的基本风压值乘以增大系数 1.1 采用。
对风荷载是否敏感,主要与高层建筑的自振特性有关,目前尚无实用的划分标准。一般情况下,房屋高度大于 60m 的高层建筑可按 100 年一遇的风压值采用;对于房屋高度不超过 60m 的高层建筑,其基本风压是否提高,可由设计人员根据实际情况确定。
3.2.3
风压高度变化系数按现行国家标准《建筑结构荷载规范》 GB 50009 采用。对原规范的 A、B 两类,其有关参数保持不变; C 类系指有密集建筑群的城市市区,其粗糙度指数系数由 0.2 提高到 0.22 ,梯度风高度仍取 400m ;新增加的 D 类系指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区,其粗糙度指数系数取 0.3 ,梯度风高度取 450m 。
在大气边界层内,风速随离地面高度而增大。当气压场随高度不变时,风速随高度增大的规律,主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为 300~500m 时,风速不再受地面粗糙度的影响,也即达到所谓”r;梯度风速”,该高度称之梯度风高度。地面粗糙度等级低的地区,其梯度风高度比等级高的地区为低。
在确定城区的地面粗糙度类别时,若无地面粗糙度指数实测结果,可按下述原则近似确定:
1 以拟建房屋为中心、 2km 为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别,风向原则上应以该地区最大风的风向为准,但也可取其主导风向;
2 以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙类别。当平均高度不大于 9m 时为 B 类;当平均高度大于 9m 但不大于 18m 时为 C 类;当平均高度大于 18m 时为 D 类;
3 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定,即每座建筑物向外延伸距离等于其高度的面域内均为该高度,当不同高度的面域相交时,交叠部分的高度取大者;
4 平均高度取各面域面积为权数计算。
3.2.4
对于山区的高层建筑,原来采用系数对其基本风压进行调整,并对山峰和山坡也是根据山麓的基本风压,按高差的风压高度变化系数予以调整。这些规定依据尚不充分,还没有得到实际观测资料的验证。
国外的规范对山区风荷载的规定一般两种形式:一种也是规定建筑物地面为起算点,建筑物上的风荷载直接按规定的风压高度变化系数计算,这种方法比较陈旧。另一种是按地形条件,对风荷载给出地形系数,或对负压高度变化系数给出修正系数。现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009采用后一种形式,并参考加拿大、澳大利亚和英国的相应规范,以及欧洲钢结构协会ECCS的规定《房屋与结构的风效应计算建议》,对山峰和山坡上的建筑物,给出风压高度变化系数的修正系数。
3.2.5
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力(或吸力)与来流风的速度压的比值,它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下静态压力的分布规律,主要与建筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题,对于不规则形状的固体,问题尤为复杂,无法给出理论上的结果,一般均应由试验确定。鉴于真型实测的方法对结构设计的不现实性,目前只能采用相似原理,在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。
现行国家标准《建筑结构荷载规范》 GB 50009 表 7.3.1 列出 38 项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数,这些都是根据国内外的试验资料和外国规范中的建议性规定整理而成,当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。
本条的规定是对《建筑结构荷载规范》 GB 50009 表 7.3.1 的简化和整理,以便于高层建筑结构设计时应用,如需较详细的数据,也可按本规程附录 A 采用。
3.2.6
本条给出的风振系数是仅指顺风向振动时的风振系数。由于风速的随机性,风振系数应根据随机振动理论导出,但对于外形和刚度沿高度变化不大的建筑结构,可近似只考虑基本振型影响,按公式 (3.2.6) 计算风振系数。对质量和刚度沿建筑高度分布均匀的弯剪型结构,基本振型系数也可近似采用振型计算点高度z与房屋高度H的比值,这即是原规程JCJ 3&emdash;91的算法。
3.2.7
对建筑群,尤其是高层建筑群,当房屋相互间距较近时,由于旋涡的相互干扰,房屋某些部位的局部风压会显著增大,设计时应予注意。对比较重要的高层建筑,建议在风洞试验中考虑周围建筑物的干扰因素。
本条和第 3.2.8 条所说的风洞试验是指边界层风洞试验。
3.2.9
风力作用在高层建筑表面,与作用在一般建筑物表面上一样,压力分布很不均匀,在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位(如阳台、雨篷等外挑构件),局部风压会超过按本规程3.2.5 条体型系数计算的平均风压。
根据风洞实验资料和一些实测结果,并参考国外的风荷载规范,对水平外挑构件,取用局部体型系数为-2.0 。
3.2.10
建筑幕墙设计时所采用的基本风压,应按现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102 和《金属及石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133 的有关规定采用。