7.4 顺风向风振及风振系数

7.4.1

参考国外规范及我国抗风振工程设计和理论研究的实践情况,当结构基本自振周期T≥0.25s时,以及等于高度超过30m且高宽比大于1.5的高柔房屋,由风引起的结构振动比较明显,而且随着结构自振周期的增长,风振也随着增强,因此在设计中应考虑风振的影响,而且在原则上还应考虑多个振型的影响;对于前几个频率比较密集的结构,例如桅杆、屋盖等结构,需要考虑的振型可多达10个及以上。对此都应按结构的随机振动理论进行计算。

对于T<0.25s的结构和高度小于30m或高宽比小于1.5的房屋,原则上也应考虑风振影响,但经计算表明,这类结构的风振一般不大,此时往往按构造要求进行设计,结构已有足够的刚度,因而一般不考虑风振影响也不至于会影响结构的抗风安全性。

关于在设计中可以不考虑风振系数的结构,按以往的经验,仅限于基本自振周期不大于0.25s的高耸结构和高度不大于30m或高宽比不大于1.5的房屋。但是对大跨度的屋盖结构(包括悬挑屋盖结构)的风振问题过去没有明确,这次修订予以补充,这里的大跨度屋盖是指跨度在36m以上的屋盖(不包括索结构)。

 

7.4.2~7.4.6

对于一般悬臂型结构,例如框架、塔架、烟囱等高耸结构,高度大于30m且高宽比大于1.5且可以忽略扭转的高柔房屋,由于频谱比较稀疏,第一振型起到绝对的影响,此时可以仅考虑结构的第一振型,并通过风振系数来表达,计算可按结构的随机振动理论进行,条文中给出有关的公式和计算用表。

对于外形和重量沿高度无变化的等截面结构,如只考虑第一振型影响,可导出沿高度z处的风振系数:

 

          (7.4.2-1)

 

风振动力系数如取Davenport建议的风谱密度经验公式,并把响应近似取静态分量及窄带白噪声共振响应分量之和,则可得到:

 

          (7.4.2-2)

 

式中

    

:结构的阻尼比;对钢结构取0.01,对有墙体材料填充的房屋钢结构取0.02,对钢筋混凝土及砖石砌体结构取0.05;

    

:考虑当地地面粗糙度后的基本风压;

    

:结构的基本自振周期。

 

式中(7.4.2-1)的为结构的振型系数,理应在结构动力分析时确定,为了简化,在确定风荷载时,可采用近似公式。按结构变形特点,对高耸构筑物可按弯曲型考虑,采用下述近似公式:

 

          (7.4.2-3)

 

对高层建筑,当以剪力墙的工作为主时,可按弯剪型考虑,采用下述近似公式:

 

          (7.4.2-4)

 

对高层建筑也可进一步考虑框架和剪力墙各自的弯曲和剪切刚度,根据不同的综合刚度参数λ,给出不同的振型系数,附录F对高层建筑给出前四个振型系数,它是假设框架和剪力墙均起主要作用时的情况,即取λ=3。综合刚度参数λ可按下式确定:

 

          (7.4.2-5)

 

式中

:建筑物的剪切刚度;

    

:剪力墙的弯曲刚度;

    

:考虑墙柱轴向变形的等效刚度;

            

    

:框架剪切刚度;

    

:剪力墙剪切刚度;

    

:房屋总高。

 

式(7.4.2-1)中的为考虑风压脉动及其相关性的麦冬影响系数,对于无限自由度体系,可按下述公式确定:

 

          (7.4.2-6)

 

对有限自由度体系,可按下述公式确定:

 

          (7.4.2-7)

 

式中

是考虑风压脉动空间相对性的折算系数,可由随机振动理论导出,它的表达式为多重积分,需通过计算机确定,其中涉及的相关性系数,一般都采用简单的指数衰减规律。

脉动系数是根据国内实测数据,并参考国外规范资料取:

 

          (7.4.2-8)

 

式中

为地面粗糙度指数,对应于A、B、C和D四类地貌,分别取0.12、0.16、0.22和0.30;为高度变化系数。

很多高耸构筑物的截面沿高度是有变化的,此时在应用公式(7.4.2)时应注意如下问题:对于结构进深尺寸比较均匀的构筑物,即使迎风面宽度沿高度有变化,计算结果表明,与按等截面计算的结果十分接近,故对这种情况仍可公式(7.4.2)计算风振系数;对于进深尺寸和宽度沿高度按线性或近似于线性变化,而重量沿高度按连续规律变化的构筑物,例如截面为正方形或三角形的高耸塔架及圆形截面的烟囱,计算结果表明,必须考虑外形的影响。此时,除在公式(7.4.2)中按变截面取结构的振型系数外,并对脉动影响系数也要按第7.4.4条的规定予以修正。