高层建筑结构顺风向的风力计算.pdf

高层建筑结构顺风向的风力计算 李文 1 0 9 文章编号 1 6 7 2 7 4 7 9 2 0 1 4 0 2 0 1 0 9 0 4 高层建筑结构顺风 向的风力计算 李 文 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北武汉4 3 0 0 6 3 Ca l c u l a t i o n o f Fo l l o wi n g W i n d Lo r d i n Hi g h S t o r e y e d Co n s t r uc t i o n L I W e n 摘要 高层建筑结构可以简化成竖直伸臂式结构。采用规范计算法和脉动风的上界力计算法以 及平均风的压力计算法等计算结构上的风力， 对计算方法做了详细说明和例题计算， 可以计算出结构顺 风 向的风 力上 限值 和设计 用值 。 关键词 高层建筑上界力 加 固 中图分类号 T U 9 7 3 文献标识码 B 高层建筑结构可简化成竖直伸臂式结构 ， 风荷载和 地震荷载一样为高层建筑结构的主要荷载。风力计算 方法有按规范计算的方法 规范法 、 反应谱法、 平均风 压力计算法， 脉动风上界力计算方法等。对加固已建成 的高层建筑结构， 如刚度不知， 由于结构 的频率、 周期、 振型是估算， 计算精度难 以确定。采用规范法、 平均风 压力计算法和脉动风上界力法 ， 将计算结果进行 比较 ， 取用较合理的数据进行设计 ， 是一种可行的办法。 1 按规范计算 计算主要承重结构时 ， 顺风向风力计算式为 ] Wk 0 牡s o 收稿 日期 2 0 1 40 21 9 作者简介 李文 1 9 8 1 一 ， 男 ， 2 0 0 8年毕业于武汉大学 ， 工程师。 式中 是风压荷载标准值 k N ／ m ，卢 为高度 处的风振系数 ， 为风荷载体 型系数 ， 为风压高度 变化系数 ， 。 为基本风压 k N ／ m 2 按脉动风上界力法计算 如图 1 所示， m为集中质量， ， ， 为质点序号 ， ， 1 ， 2⋯ 。刚度 分布任意。 由风反应谱 定义可 知 ， 在顺风向脉动风荷载作用下 ， 截面 i 一 i 1 的剪力 反应为 Q [ ∑O L ∑ ] D Ig 1 式 中， m 为各层质量 ， 1．Z为振 型位移 ， D I V 为风拟 加速度反应谱， 为振型参与因数， 有 上看 ， 1 6 0 k m ／ h能从分 发挥运输能力和效率 ， 适合 本 线的特点和定位。 综上分析， 本线为长期的客货混运单线铁路 ， 速度 目标值推荐 1 6 0 k m／ h 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 G B 5 0 0 9 0 --2 0 0 6 铁路线路设计规范[ S ] G B 5 0 0 9 1 2 o o 6 铁路车站及枢纽设计规范[ s ] 铁建设 函 2 0 0 5 2 8 5号新建 时速 2 0 0公里 客货共 线铁路 设计 暂行规定[ s ] 铁道第三勘察设计院集团有限公司浦城至梅州铁路第六篇[ R ] ． 天津 铁道第三勘察设计院集团有限公 司 ， 2 0 1 0 [ 5 ] 王秀丽． 哈滨至齐齐哈尔城际铁路速度目 标值选择[ J ] ． 铁道工程 学报 ， 2 0 0 8 2 1 7 2 0 [ 6 ] 史艳丽． 京津城际客运专线速度 目标值的选择[ J ] ． 铁道标准设 计 ， 2 0 0 5 4 2 1 2 2 [ 7] 马大炜 ． 高 速列 车及其 速度 目标值 的探 讨 [ J ] ． 中 国铁 道科 学 ， 2 0 0 3 1 O 18 [ 8 ] 张红伟． 贵阳至广州铁路速度目标值选择[ J ] ． 铁道工程学报， 2 0 0 9 1 2 2 5 2 9 [ 9 ] 阚叔愚 ， 陈峰． 京沪高速铁路 速度 目标 值与主要技 术标准 和工程 造价[ J ] ． 铁道工程学报， 1 9 9 8 3 3 6 4 1 [ 1 O ]宋小满， 顾保南． 京沪高速铁路速度 目标值对工程及运营成本的 影 响[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 1 9 9 6 6 8 5 9 0 11 0 铁道勘察 2 0 1 4年第 2期 图 1 脉动风上界力法计算 ∑[ p S M c D J C z z ] L 一 g Z[ ] J l ∑【 ， 】 }一 6 ∑t m i ． l J L 式 4 改为 ∑[ E “ 。 ∑ 】 7 ∑ [ m j u 2 ] ” J J 采用积函数极值法求风振剪力的上限值。积函数 极值法是定义参与因数与振型反应的乘积为积函数， 如式 7 所示 ， 对积 函数取极值求 剪力上 限值 。在顺 风向脉动风荷载作用下 ， 经过推导求得风振剪力 的主 f 2 上限值和次上限值为 Q 。 D ， 8 式 中 ，p 为 空 气 质 量 密 度 ，p 詈 ， y 为 空 气 容 重 ， B为结构迎风面宽度， c 为体型系数， 为 层处结构 迎风面的高度， g 为重力加速度， g 9 ． 8 m ／ s ， 为 高 度 z 处 的 平 均 风 速 ， 按 式 V ,o 计 算 ， c 类地区 O ／ O ． 2 ， B类地区 0 ． 1 6， A类地区 O ／ O ． 1 2 o - z ， 如采用 D a v e n p o r t 风速谱 ， 0- z 4 V 1 0 ， 一V 1 0 为 标准高 度 1 0 m 处 的平 均风 速 ， k为地 面粗 糙 度 系 数 ， 。C由下式确定 【 s o o o e x p 一 一 ⋯ ] 一 3 式 中 0 ． 3 8 ， h 0 ． 6 0 7 H 一结构总高度 。 e 氆 ， 1 ． 6 5 Kz h 丽 一 剪力式 1 改写为 1 一 [ pBH ic 研 C z 0 - z u g E ， t m u ] l 取 层等效质量 EM 皇 堡 三 兰 i ’ g 振型参与因数为 5 Q 半D 9 式中 7 l ∑[ E M A i ] 1 0 r2 ∑剧 1 1V／ j r 2 ， ∑ 1 2 -1 ’ 2 ， ⋯ 1 3 D W ； ， D 为拟加速度反应谱。 如考虑剪力主次上限值的组合 ， 可采用平方和开 平方的方法求剪力组合值。结构在平均风压力作用 下， 结构剪力另算 。 3 例题 3 ． 1 按脉动风的上界力法计算 如图 2所示 ， 计算 中刚架结点的风力 ， 已知迎风面 宽度为 B 7 ． 5 I T I 取 ．， 层质点至左右中点距离之和 。 m1 1 1 6 ． 6 21 0 k g； m2 1 1 0． 8 51 0 k g；m3 5 9 ． 45X1 0 k g。 C类地区， V I o 3 0 m／ s ， C 0 ． 8 0 ． 5 1 ． 3 1 高层建筑结构顺风向的风力计算 李文 1 l 1 ， 一 I 2 堕 坐 』 I 巴 Z 坐 中刚架 平面 a 0 4 7 3 l 1 9 如4 3 图2 中刚架结点风力计算 Tl 0 ． 7 8 s 0． 2 6 9 s 0． 1 8 3 s 专 毒 2 8 2 H z 计算等效质量 EM 些 i g p 上 0 ． 0 0 1 2 2 5 1 k N膏／ m 4 ， p 专 _ m， C 【 1 o o B 5 0 o o e x p 一 B 一 5 0 0 0 】 l [ 1 ． 6 ～ 5 Kz h B 0 ． 3 8 ， h0 ． 6 0 7 H， 一 结构总高度 1 一 毒 1 _ 0 ．1 1 3 一 一U．1 上 j 6 O 6 0 。 ‘ z [ ] 一 1 0 ． 9 2 8 6 C 7 _ 5 5 0 0 0 e x p 一 一 5 0 0 0 ] 0 _ 9 2 8 6 7． 5 0． 8 8 4 1 c0 ． 9 4； o r z 、 丽3 01 2 ． 7 3 k 0． 0 3 。 0 ． 2 3 0 2 7 ． 5 2 1 7 一一 ． 8 1 ．4 3 1 6 1 计算 删 ， ， 取 J层 至上 卜层 甲点距 乙 布 口 1点 EM l 箜 鱼 Q 丝 2 2 ．5 26 9 ．8 1 。 2点 EM2 Q 堑 2 鱼 兰 Q 三 兰 2 2 ．5 59 9 ．81 3点 EM 3 Q Q Z 兰 丝 鱼 Z 卫 1 ．3 2 4 9 ．81 。 计算 2 ， ⋯， n 1 点 A 1 E M 10． 21 6 61 0 4 ‘ m ， 2点 A 2 E M2 0． 2 3 0 81 0 4 3点 A 3 E M3 0． 2 2 2 71 0 4 [ E M I A ]E Ml A 1 E A 2 E A3 1 ． 4 3 2 6 1 0 下2 ∑E E M 2 E M 3 3 ． 8 8 3 J ‘ J r3 ∑ m 2 m 3 1 7 0 ． 3 1 0 有 DW 4 4 m ／ s 。 ， 取 D DWl 主上 Q 2 D 3 0 3 1 3 7 3 ．8 8 3 而 3 0 3 3 ． 6 7 2 次上界力 x 441 9 4． 1 k N m 弛 ● ● j 【． ． ． ． JL ． ． ． L L l山n ． 吕 昌 刮 斗 ∑ I I r ㈤ 一 1 1 2 铁道勘察 2 0 1 4年第 2期 D 2 l 一 2 3 ． 2 3 l 2 3 ． 2 3 k N 计算 Q ， rl [ EMj A 】 1 ． 43 2 6 1 0 tr 2 ∑E E M 3 1 ． 3 2 4 Q 署 盟 4 4 93 ． 3 kN Q 罢l 一3 5 ． 1 l 3 5 ． 1 k N 计算 Q 。 l ∑ [ E M m A 】 1 ． 4 3 2 61 0 J 1 2 ∑E E M 1 E M 2 E M 3 6 ． 4 1 J I 1 3 ∑ m l m 2 m 3 2 8 6 ． 9 2 1 0 州 6 ． 4 1 ／ 1 ． 4 3 2 61 0 一 2 8 6 ． 9 2l 0 2 28 2 ． 0 4 kN 簖 T 2 -- 2I T 3 ．。 0 4 4 3 ． 2 按规 范计 算 如图 2所示 ， 已知刚架尺寸 、 结点质量 、 周 期、 振 型 ， V 。 。 3 0 m ／ s ， C类地区， 计算 中刚架结点 的风力。 风力计算式为 z ／ x W 。 ， 含平均风和脉动 风的压力 ； 式 中， W 0 1 - 21 0 10 ． 0 0 1 2 2 5 13 0 山 0． 5 51 3 k N／m 0 ． 80 ． 51 ． 3 卢 12 g l 1 0 B ／ 1 按 荷 载规 范 8 ． 4 ． 38 ． 4 ． 5式计 算 ， 1点 1 ． 8 3 0 3 ； 2点 ／3 2 2 ． 4 3 6 4 ； 3点 3 2 ． 4 9 2 1 计算结点风力 P z A P1 4 5． 8 6 k N P25 4． 2 7 k N P33 0 ． 38 k N 平均风的压力计算式为 z s z W 0 结点平均风压力为 尸 ／ - - ．P． P 1 2 5 ． 0 6 k N ．P P2 i 2 2 2 ．2 7 kN P 2 l 9 4 结束语 由算例可知， 脉动风主上界压力大于由规范算得 的脉动风压力 ， 脉动风主上界压力加 上平均风压力大 于由规范算得的风压力。脉动风上界压力是由极值条 件求得 ， 大于由规范算得的脉动风压力是合理 的。上 述各种计算方法有赖于各种系数的正确选择 ， 系数不 同 ， 计算结果也不同。各种计算结果可用来 比较 ， 按规 范做出正确判断， 取用合理的数据 。对于加 固已建高 层建筑结构 ， 由于刚度不知 ， 频率周期 、 振型只能估算 ， 上述计算方法用来比较是可行的。 参考文献 [ 1 ] 王前信． 工程结构上界地震力理论及其应用[ M] ． 北 京 地震 出版 社 ， 2 0 0 0 [ 2 ] 张艳红． 建筑结 构在地震 和风作用下 的反应及 可靠度分 析[ D] ． 上海 同济大学 ， 1 9 9 6 [ 3 ] 姜红月 ， 李敬学． 金 属屋 面风揭设计探讨 [ J ] ． 铁道勘察 ， 2 0 1 3 2 [ 4 ] 温 四清 ， 董卫国 ， 邱剑 ． 铁路客站站 台雨棚风荷载计算探讨 [ J ] ． 铁 道经济研究 ， 2 0 1 2 5 [ 5 ] 辛兵 ， 王克海 ， 徐升桥 ． 高新高速上地斜拉桥抗震设计 分析 [ J ] ． 铁 道勘察 ， 2 0 1 2 6 [ 6 ] G B 5 0 0 0 9 --2 0 1 2 建筑结构荷载规 范[ S ] [ 7 ] 董 军． 递 阶结 构 系统 理论 及 巨 型结 构悬 挂体 系 振 动控 制研 究 [ D] ． 上海 同济大学 ， 1 9 9 8 [ 8 ] 张相庭． 结构风压和风振计算[ M] ． 上海 同济大学出版社 ， 1 9 8 5 O I ， J 4 9 5 3 l I ∑ 一 ， 3 r