金新陽新荷載規(guī)范中超高層建筑的橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振解析

1、新荷載規(guī)范中【超高層建筑】的橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振金新陽 金新陽，男，1955.7出生，研究員 陳曉明 肖麗 楊志勇 黃吉鋒(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)提 要 基于建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）矩形平面結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的計算方法，結(jié)合PKPM軟件，討論了結(jié)構(gòu)高寬比、深寬比、周期、阻尼比等參數(shù)對等效風(fēng)荷載計算結(jié)果的影響以及規(guī)范中相關(guān)計算方法的適用范圍，為設(shè)計人員采用新荷載規(guī)范計算橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)風(fēng)振提供支持。關(guān)鍵詞 荷載規(guī)范，橫風(fēng)向風(fēng)振，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振，PKPM1. 引言相對于上一版規(guī)范GB50009-2001（以下簡稱2001規(guī)范），建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012（以

2、下簡稱2012規(guī)范)對風(fēng)荷載的計算方法做了較大的修改。其中不僅調(diào)整了【風(fēng)壓高度變化系數(shù)】和【體型系數(shù)】等靜力計算內(nèi)容，而且對【風(fēng)振計算的內(nèi)容與方法】做了大量的改進和完善工作，這其中包括：l 修改了順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的計算表達式和計算參數(shù)；l 增加了大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振計算的原則規(guī)定；l 增加了橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載計算的規(guī)定；l 增加了順風(fēng)向風(fēng)荷載、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載組合工況的規(guī)定；l 增加高層建筑結(jié)構(gòu)順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)振加速度計算等內(nèi)容。在風(fēng)荷載的計算中，除了少數(shù)工程通過風(fēng)洞試驗獲得數(shù)據(jù)以外，大多數(shù)工程仍需要借助于軟件的自動計算功能，這就需要由工程人員自行確定相關(guān)的參數(shù)。由于2012規(guī)范

3、中風(fēng)荷載計算涉及的參數(shù)較2001規(guī)范明顯增多，且計算方法變得更加復(fù)雜，使得參數(shù)的選擇和對計算結(jié)果的定性校核變得比較困難，因此有必要對各參數(shù)的選擇和主要參數(shù)對計算結(jié)果的影響進行詳細(xì)的分析討論。在本文中，依據(jù)2012規(guī)范提供的計算方法，結(jié)合PKPM的軟件，討論了不同的參數(shù)設(shè)置和結(jié)構(gòu)的特征對計算結(jié)果的影響，并對規(guī)范中的重要條文，如適用范圍等進行了重點探討。2. 矩形平面結(jié)構(gòu)的【橫風(fēng)向風(fēng)振】按2012規(guī)范條，“對于橫風(fēng)向風(fēng)振作用效應(yīng)明顯的高層建筑以及細(xì)長圓形截面構(gòu)筑物，宜考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的影響?！庇捎谂袛嗍欠裥枰紤]橫風(fēng)向風(fēng)振的影響比較復(fù)雜，涉及建筑的高度、高寬比、結(jié)構(gòu)自振頻率及阻尼比等因素，因此條文說

4、明中給出“建筑物高度超過150m或高寬比大于5的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風(fēng)向效應(yīng)”這一條件。橫風(fēng)向風(fēng)振的荷載可以通過風(fēng)洞試驗獲得，也可以通過計算獲得。2012規(guī)范在附錄中給出【規(guī)則結(jié)構(gòu)】的計算方法。有關(guān)風(fēng)洞試驗的數(shù)據(jù)可以通過文件的形式接入PKPM的計算，這里主要討論規(guī)范附錄中提供的計算方法。2.1 基本計算公式根據(jù)規(guī)范，對矩形截面高層建筑【橫風(fēng)向、風(fēng)振等效風(fēng)荷載】【標(biāo)準(zhǔn)值】計算公式整理如下： (1) 其中橫風(fēng)向風(fēng)振【等效風(fēng)荷載】標(biāo)準(zhǔn)值()； 橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)； 橫風(fēng)向共振因子；峰值因子，可取2.5； 基本風(fēng)壓； 風(fēng)壓高度變化系數(shù)。相對于順風(fēng)向荷載，式(1)中的主要計算參數(shù)為橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù) (2

5、)式(2)中 (3)其中為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度，而為順風(fēng)向長度。*為角沿修正系數(shù) (4)分別為風(fēng)速剖面指數(shù)和地面粗糙度系數(shù)，對應(yīng)A，B，C和D類粗糙度分別取不同的值。 *橫風(fēng)向共振因子 (5)其中振型修正系數(shù) (6)結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向第一階振型氣動阻尼比 (7)折算周期 (8) 橫風(fēng)向廣義力功率譜 (9)式(9)中橫風(fēng)向風(fēng)力譜的譜峰頻率系數(shù) (10)橫風(fēng)向風(fēng)力譜的譜峰系數(shù) (11)橫風(fēng)向風(fēng)力譜的帶寬系數(shù) (12)橫風(fēng)向風(fēng)力譜的偏態(tài)系數(shù) (13)從上述整理結(jié)果可以看出，橫風(fēng)向風(fēng)振等效荷載的計算相對于順風(fēng)向荷載要復(fù)雜得多，計算結(jié)果除了與風(fēng)壓高度變化系數(shù)、基本風(fēng)壓值、風(fēng)速剖面指數(shù)成線性關(guān)系外，其它計算內(nèi)容則主要是

6、由【結(jié)構(gòu)的形狀】所決定的【復(fù)雜非線性關(guān)系】，尤其是和的相關(guān)影響，此外還包含了阻尼比，折算周期與折算頻率等結(jié)構(gòu)動力屬性，下面考察上述主要參數(shù)對橫風(fēng)向風(fēng)振等效荷載的影響。2.2 高寬比的影響由式(1013)可以看出，橫風(fēng)向廣義功率譜的計算結(jié)果與之間是高度的非線性關(guān)系，對橫風(fēng)向風(fēng)振有較大影響，規(guī)范中采用高寬比的限制條件來保證橫風(fēng)向廣義功率譜的有效性。為了考察高寬比對計算結(jié)果的實際影響，下面對功率譜密度函數(shù)的計算公式進行簡單整理，并分別考慮四種地面粗糙度，以圖8所示鋼結(jié)構(gòu)平面為例。圖1 結(jié)構(gòu)平面圖首先假設(shè)地面粗糙度為【A類】，結(jié)構(gòu)X向長度為42m，Y向長度為27m，層高為3.6m，并假設(shè)基本風(fēng)壓為0.

7、35KN/m2，阻尼比為2%。按照荷載規(guī)范，鋼結(jié)構(gòu)的周期可以按下式估算： (14) 這里取 (15)結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)壓高度變化系數(shù)為： (16) 由此可以得到結(jié)構(gòu)的折算頻率； (17)則計算橫風(fēng)向廣義力功率譜的其它主要參數(shù)可以整理為： (18) 代入式(1013)中可以得到如下高寬比的函數(shù)： (19)根據(jù)上述整理結(jié)果可以得到如下高寬比與廣義力功率譜的關(guān)系。圖2 廣義力功率譜與高寬比的關(guān)系 圖3 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓與高寬比的關(guān)系從圖2可以看出，在該算例中，當(dāng)高寬比小于4時廣義力功率譜為負(fù)值，雖然在等效荷載的計算中需要對其取平方后計算，但這仍然標(biāo)志著計算結(jié)果的異常；而當(dāng)高寬比超過8時曲線的斜率明顯增加，

8、但仍然光滑。從圖3看出，在高寬從【小于4】到【大于4】的變化過程中，第20層樓面高度處計算得到的等效風(fēng)壓的變化規(guī)律不再單調(diào)，而是由大到小再變大，當(dāng)高寬比大于8時，曲線變得不再光滑，尤其是A類和B類粗糙場地類別，相對來講C類和D類的變化趨勢則比較平緩。由此可見，規(guī)范將高寬比H/B設(shè)定在48之間，可以較好的控制上述計算公式的適用范圍，且應(yīng)該注意的是：這是一個較為嚴(yán)格的條件，在工程設(shè)計中，采用規(guī)范方法計算橫風(fēng)向風(fēng)振時應(yīng)該對這一條件進行驗證。由于規(guī)范公式的適用范圍是【規(guī)則矩形】，PKPM軟件采用【平均寬度】計算高寬比以避免個別樓層的寬度變化引起計算結(jié)果異常。 2.3 深寬比的影響從上面(1013)式可

9、以看出，廣義力的功率譜計算除了受高寬比影響較大外，另外一個影響較大的參數(shù)就是深寬比D/B，這里仍采用圖8所示工程，假定結(jié)構(gòu)總層數(shù)30層，Y向長度27m不變，但對X向長度進行簡單的比例放大或者縮小，以考慮深寬比對計算結(jié)果的影響。當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锳類時，折算周期可以表示為： (20)計算橫風(fēng)向廣義力功率譜的其它主要參數(shù)可以整理成深寬比的函數(shù)，這樣就可以得到圖4和圖5中廣義力功率譜和橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓與深寬比的關(guān)系曲線。 (21)圖4 廣義力功率譜與深寬比的關(guān)系 圖5 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓與深寬比的關(guān)系按照荷載規(guī)范，橫風(fēng)向風(fēng)振計算時，深寬比D/B應(yīng)該在0.52之間，從圖4中可以看出在計算X向風(fēng)荷載作用下

10、的橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓時，深寬比對結(jié)果的影響與高寬比情況類似，當(dāng)深寬比變化時仍然會出現(xiàn)廣義力功率譜小于0的情況，在頂層的等效風(fēng)壓圖中相應(yīng)位置也會出現(xiàn)拐點。與高寬比對等效風(fēng)壓影響不同的是，當(dāng)深寬比接近1時等效風(fēng)壓最大，深寬比繼續(xù)減小或增大時，等效風(fēng)壓都呈現(xiàn)減小的趨勢。另外，從規(guī)范計算公式中可以看出，深寬比對于全樓只有一個數(shù)值，這也是因為該方法只適用于規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)每層的深寬比不同時，有可能會使得計算結(jié)果有較大偏差。為了避免因此引起的異常，PKPM軟件采用【平均寬度】計算深寬比。 2.4 周期的影響周期是結(jié)構(gòu)的重要動力參數(shù)之一，對各方向的風(fēng)振計算都有明顯影響。其中對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響，主要體現(xiàn)

11、在兩個方面，【一方面】是下式結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向第一階振型氣動阻尼比的計算中。 (22)上式中折算周期的表達式： (23) 【另一個方面】，在無量綱橫風(fēng)向廣義風(fēng)力功率譜的計算中，需要用結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向第一階振型的頻率計算折算頻率，即： (24)而 (25)可以看出當(dāng)結(jié)構(gòu)的外形尺寸確定時，其中的關(guān)鍵影響因素是結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向第一階自振周期，因此可以假定結(jié)構(gòu)長寬高、阻尼比和基本風(fēng)壓等條件確定的情況下，討論結(jié)構(gòu)的基本周期對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響。對于鋼結(jié)構(gòu)可取估算周期為： (26)則上述30層的結(jié)構(gòu)基本周期可取為34.5秒，此時頂層橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)壓結(jié)果如下圖所示。 圖6 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓與基本周期的關(guān)系 從圖6中可以看

12、出，只有周期變化的情況下，隨著基本周期的增加，橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)壓變大，在A類和B類粗糙度下變化較快，其它兩種類型變化不大。為了準(zhǔn)確考慮結(jié)構(gòu)的動力性能對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響，宜采用【實際計算得到的周期】。2.5 阻尼比的影響阻尼比對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響體現(xiàn)在橫風(fēng)向共振因子中，即： (27)其中為結(jié)構(gòu)第一階振型阻尼比。對圖1所示結(jié)構(gòu)，長寬不變，總層數(shù)30層，假定基本周期為3秒，考察阻尼比變化時橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓的變化趨勢。阻尼比的按鋼結(jié)構(gòu)范圍取為從0.010.03，頂層等效風(fēng)壓計算結(jié)果如圖7所示。圖7 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓與阻尼比的關(guān)系從圖7可以看出阻尼比從0.01到0.03之間變化，隨著阻尼比的增大結(jié)果

13、變小，其中A類與B類的變化幅度接近10%，而C類和D類變化較小。因此在應(yīng)用軟件時，應(yīng)根據(jù)材料類型填入【正確的阻尼比】。2.6 削角、凹角的影響根據(jù)2012規(guī)范附錄，當(dāng)平面有削角或者凹角時，可以采用【角沿修正系數(shù)和】來考慮其對橫風(fēng)向風(fēng)振荷載的影響，其中： (28)而可以通過查規(guī)范附錄表得到。按照上述條件分別考慮削角和凹角比例從0.050.2，阻尼比仍取為0.02，結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向第一自振周期取為4秒，場地類別取B類，考察削角和凹角對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響。圖8 凹角和削角對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響從圖8可以看出，通過削角或者凹角可以降低橫風(fēng)向風(fēng)振對結(jié)構(gòu)的影響，但其變化規(guī)律較為復(fù)雜，并不是單調(diào)曲線。對于凹角來講下降

14、趨勢明顯，但凹角比例b/B接近0.2時微有增加；對于削角來說，當(dāng)削角比例在0.1附近時達到最小值，隨著削角比例的增加，橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)壓又重新出現(xiàn)一個極值點。需要指出的是，規(guī)范中有關(guān)削角和凹角的計算中，其邊界條件是，即當(dāng)小于0.05時不需要考慮；當(dāng)大于0.2時，結(jié)構(gòu)的實際平面形狀已經(jīng)不能簡單歸為矩形平面來計算，而應(yīng)該采用風(fēng)洞試驗方法。2.7 地面粗糙度的影響由于上面幾項內(nèi)容的比較中多處牽扯到不同的地面粗糙度的問題，因此這里就不再單獨進行數(shù)據(jù)比較。地面粗糙度對橫風(fēng)向風(fēng)振的影響可以簡單概括為以下幾點：1、隨著地面粗糙程度的增加，橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)壓越來越??；2、不同的地面粗糙度下，橫風(fēng)向風(fēng)振的等

15、效風(fēng)壓對各參數(shù)變化的敏感程度不同，A類最敏感，D類最不敏感。2.8 橫風(fēng)向等效荷載與順風(fēng)向等效荷載之間的關(guān)系按照荷載規(guī)范的條文說明，一般而言，建筑高度超過150m或高寬比大于5的高層建筑可出現(xiàn)較為明顯的橫風(fēng)向效應(yīng)，確定橫風(fēng)向效應(yīng)的方法可以采用風(fēng)洞試驗或者按照規(guī)范提供方法計算。當(dāng)采用規(guī)范方法計算時，順風(fēng)向與橫風(fēng)向分別采用不同的計算公式，其中橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)壓按式(1)計算。順風(fēng)向風(fēng)荷載與橫風(fēng)向風(fēng)荷載以及后面的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振荷載一般是同時存在的，上述順風(fēng)向與橫風(fēng)向的計算公式分別是兩個方向的最大風(fēng)壓值，但三種風(fēng)荷載的最大值并不一定同時出現(xiàn)，因此在工程中應(yīng)該考慮各方向等效荷載之間的組合，即規(guī)范中表。需要特別

16、強調(diào)的是，這一點與風(fēng)洞試驗得到的風(fēng)荷載有本質(zhì)區(qū)別，在風(fēng)洞試驗中得到的每個方向的荷載數(shù)據(jù)同時包含了順風(fēng)向分量，橫風(fēng)向分量和扭轉(zhuǎn)分量，三個分量是同時發(fā)生的，因此不存上述組合問題。 （？待確認(rèn)）2.9 基本計算公式的適用范圍討論按照規(guī)范條文說明，“附錄H.2橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載計算方法是依據(jù)大量典型建筑模型的風(fēng)洞試驗結(jié)果給出的，這些典型的截面均為矩形，高寬比(H/B)和截面深寬比(D/B)分別為48和0.52。試驗結(jié)果的適用折算風(fēng)速范圍為”。綜合上面的高寬比與深寬比對橫風(fēng)向等效風(fēng)壓的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)高寬比和深寬比超出范圍時極易出現(xiàn)的一種情況就是廣義力功率譜小于0，這可能會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)異常的變化，

17、考察廣義力功率譜的計算公式，其小于0是由于橫風(fēng)向風(fēng)力譜的譜峰系數(shù)Sp小于0，而決定因素又是Sp中的第二項，即： (29)由式(36)可以得到下面圖16所示的曲線。3.09313.707O 圖9 對橫風(fēng)向風(fēng)力譜的譜峰系數(shù)的符號影響從圖9可以看出，當(dāng)時廣義力功率譜不會小于0，否則可能由于其小于0而引起較大偏差。而從中可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)的外形尺寸及基本風(fēng)壓確定后，結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速是確定的，需要控制的只是結(jié)構(gòu)的周期，即質(zhì)量和剛度，這一條件一般較易滿足。3. 矩形平面結(jié)構(gòu)的【扭轉(zhuǎn)風(fēng)振】按照2012規(guī)范條文說明“建筑高度超過150m，同時滿足、的高層建筑，扭轉(zhuǎn)振型明顯，宜考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響?！迸c橫風(fēng)向風(fēng)振相同，

18、確定扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響可以通過風(fēng)洞試驗，也可以采用規(guī)范提供的計算方法，但采用規(guī)范提供方法時應(yīng)注意其適用范圍。3.1 基本計算公式當(dāng)采用規(guī)范提供的計算方法時，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的計算公式如下所示： (30)上式中為峰值因子，可取2.5； 為風(fēng)致扭矩系數(shù)，按下式計算： (31) 為扭轉(zhuǎn)共振因子，按下式計算： (32)其中扭轉(zhuǎn)振型修正系數(shù)按下式計算： (33)扭矩譜能量因子可根據(jù)扭轉(zhuǎn)折算頻率和深寬比通過查表獲得。下面采用與上述橫風(fēng)向風(fēng)振相似的形式，討論相關(guān)參數(shù)對扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響。3.2 高寬比的影響從扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的計算公式(30)可以看出，有關(guān)高寬比對計算結(jié)果的影響并不像橫風(fēng)向風(fēng)振那樣直接。在結(jié)構(gòu)的平面尺寸B和D確定后

19、，改變結(jié)構(gòu)的高度時，會使得結(jié)構(gòu)的頂部風(fēng)速增加；其次結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)頻率一般也會增加，這兩個因素都會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)折算頻率發(fā)生變化；最后在計算扭轉(zhuǎn)振型修正系數(shù)和求解扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值中都包含了，這些顯然都會使最終計算結(jié)果發(fā)生變化。為了能簡化比較工作，假定阻尼比為0.02，基本周期取為： (34)在此前提下可以得到圖10所示關(guān)系圖。圖10 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載與高寬比的關(guān)系在圖10所示高寬比范圍內(nèi)，地面粗糙度類別為A和B時，考察在結(jié)構(gòu)20層樓面處計算得到的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，會發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律較為復(fù)雜，尤其是A類，先后出現(xiàn)了兩個極值點，其中當(dāng)高寬比大于7時的極值點較為明顯，這是因為在確定扭矩譜能量因子時

20、，需要用到扭轉(zhuǎn)折算頻率： (35)當(dāng)時就會使得上述問題出現(xiàn)，在同樣的高寬比下，地面粗糙度類別為A類場地的頂部風(fēng)速較大，所以最先達到這個條件，B類次之，而C類和D類則沒有出現(xiàn)這個拐點。3.3 深寬比的影響在計算矩形截面扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載時，深寬比的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是風(fēng)致扭矩系數(shù)中，另一個是在確定扭矩譜能量因子時。假定用圖1標(biāo)準(zhǔn)層組裝成30層的結(jié)構(gòu)，Y向長度27m不變，但對X向長度進行簡單的比例放大或者縮小，假定扭轉(zhuǎn)周期為2.1秒，以考查深寬比對計算結(jié)果的影響，比較結(jié)果見圖18。圖11 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載與深寬比的關(guān)系從圖11可以看出，在其它條件不變的前提下，隨著深寬比的增加，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨

21、之增加，且增加速度較快。與前面討論的問題明顯不同的是，圖18所示結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載在四種粗糙程度條件下都對深寬比的變化反應(yīng)敏感，因此減小深寬比可以有效降低風(fēng)荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。3.4 扭轉(zhuǎn)周期的影響扭矩譜能量因子由深寬比和扭轉(zhuǎn)折算頻率確定，從扭轉(zhuǎn)折算頻率的表達式中可以看出當(dāng)結(jié)構(gòu)的長度、寬度和高度確定后，其實質(zhì)就是結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期。假定用圖1標(biāo)準(zhǔn)層組裝成30層的結(jié)構(gòu)，Y向長度27m，X向長度42m，基本風(fēng)壓為0.35KN/m2，阻尼比為0.02，估算為3秒，考察扭轉(zhuǎn)周期從1.53秒時四種地面粗糙度類型下扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的等效荷載。圖12 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效荷載與扭轉(zhuǎn)周期的關(guān)系圖12顯示，隨著扭轉(zhuǎn)周期的

22、增長，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振效應(yīng)增加，且增幅顯著，因此控制扭轉(zhuǎn)周期可以有效減小扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響；此外在用軟件計算扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效荷載時，宜采用實際計算得到的第一扭轉(zhuǎn)周期。3.5 阻尼比的影響阻尼比對扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響較為簡單，僅在扭轉(zhuǎn)共振因子的計算中體現(xiàn)，對上述30層結(jié)構(gòu)，假設(shè)為3秒，扭轉(zhuǎn)周期為2.1秒，阻尼比情況下，A類地面粗糙度的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效荷載如下圖所示。圖13 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效荷載與阻尼比的關(guān)系從圖13可見阻尼比對扭轉(zhuǎn)風(fēng)振效應(yīng)影響明顯，隨著阻尼比的增加扭轉(zhuǎn)風(fēng)振效應(yīng)顯著降低。 3.6 基本計算公式的適用范圍討論按照2012規(guī)范附錄，規(guī)范提供的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振計算方法的適用條件有三個，分別是：1、建筑的平面形狀在整個高度內(nèi)基

23、本相同；2、剛度及質(zhì)量的偏心率(偏心距/回轉(zhuǎn)半徑)小于0.2；3、，在1.55范圍內(nèi)，其中為結(jié)構(gòu)第1階扭轉(zhuǎn)振型的周期(s)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)動力計算確定。根據(jù)條文說明：當(dāng)偏心率大于0.2時，高層建筑的彎扭耦合風(fēng)振效應(yīng)顯著，由于在計算時不考慮兩者的耦合，因此不能采用規(guī)范附錄H.3提供的方法；另外，風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，風(fēng)致扭矩與橫風(fēng)向風(fēng)力具有較強相關(guān)性，當(dāng)或時，兩者的耦合作用易發(fā)生不穩(wěn)定的氣動彈性現(xiàn)象，因此規(guī)范建議采用風(fēng)洞試驗方法進行研究。為方便應(yīng)用，PKPM軟件提供了較為完備的適用范圍檢查。如采用規(guī)范方法計算，應(yīng)預(yù)先進行校核。4. 順風(fēng)、橫風(fēng)、扭風(fēng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響1、基本組合前面已經(jīng)提到，按荷載規(guī)范附錄方

24、法計算的順風(fēng)向、橫風(fēng)向風(fēng)振與扭轉(zhuǎn)風(fēng)振三個方向荷載均是最大值。但在實際情況中，三個方向的的最大值并不一定同時發(fā)生，因此應(yīng)合理考慮三個方向的組合問題。按照荷載規(guī)范表所示風(fēng)荷載組合工況如下: 表1 風(fēng)荷載預(yù)組合工況順風(fēng)向風(fēng)荷載橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載1-2-3-上述組合由軟件在設(shè)計中自動完成，實際考慮的組合情況包括： (36)2、變形控制根據(jù)高規(guī)，考慮橫風(fēng)向風(fēng)振或扭轉(zhuǎn)風(fēng)振影響時，結(jié)構(gòu)順風(fēng)向及橫風(fēng)向的側(cè)向位移應(yīng)分別符合條中有關(guān)位移的規(guī)定。同時在條文說明中指出：橫風(fēng)向效應(yīng)與順風(fēng)向效應(yīng)是同時發(fā)生的，因此必須考慮兩者的效應(yīng)組合。對于結(jié)構(gòu)側(cè)向位移控制，仍可按同時考慮橫風(fēng)向與順風(fēng)向影響后的計算方向

25、位移確定，不必考慮矢量和的方向控制結(jié)構(gòu)的層間位移。如要完全考慮順風(fēng)向與橫風(fēng)向的組合，除了原有的順風(fēng)向下位移結(jié)果外，還需要考慮如下四種情況： (37)在軟件中，獨立給出順風(fēng)向風(fēng)振與橫風(fēng)向風(fēng)振兩者的位移結(jié)果。由于規(guī)范提供的計算方法主要是針對規(guī)則結(jié)構(gòu)的，因此通常來講，在順風(fēng)向荷載作用下，結(jié)構(gòu)的橫向位移很小；反之在橫風(fēng)向風(fēng)振作用下，結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向的位移分量也很小。應(yīng)當(dāng)注意的是，在同時考慮順風(fēng)向與橫風(fēng)向的位移角時，不能簡單的將軟件提供的兩個方向位移角進行疊加，這是因為其發(fā)生的位置可能不同。在剛性樓板假定時，可以通過具體的結(jié)點位移，對順風(fēng)向與橫風(fēng)向提供的結(jié)點分別進行校核。 5. 風(fēng)振加速度高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)

26、技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）第條規(guī)定：房屋高度不小于150m的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度要求，結(jié)構(gòu)頂點的順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動最大加速度可按高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 99（以下簡稱高鋼規(guī)）的有關(guān)規(guī)定計算。高鋼規(guī)第條第四款規(guī)定了順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點最大加速度的計算公式如下：順風(fēng)向頂點最大加速度： (38)橫風(fēng)向頂點最大加速度： (39)2012荷載規(guī)范在順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振的前提下，提供了風(fēng)振加速度的計算方法。即規(guī)范附錄J：順風(fēng)向風(fēng)振加速度： (40) 橫風(fēng)向風(fēng)振加速度： (41)2012荷載規(guī)范對于順風(fēng)向風(fēng)振加速度的計算理論與風(fēng)振系數(shù)計算理論相同，而橫風(fēng)向風(fēng)振加速度計算的依據(jù)和方法則

27、與橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載相似；高鋼規(guī)順風(fēng)向頂點最大加速度計算公式是按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001中風(fēng)荷載公式的動力部分經(jīng)推導(dǎo)后得到的，橫風(fēng)向頂點加速度計算則采用了加拿大國家建筑規(guī)范中的有關(guān)公式。可見兩種方法對于順風(fēng)向風(fēng)振加速度的計算依據(jù)均來源于荷載規(guī)范順風(fēng)向風(fēng)荷載的動力部分計算理論，區(qū)別在于高鋼規(guī)方法源于2001荷載規(guī)范。比較而言，荷載規(guī)范橫風(fēng)向風(fēng)振加速度的計算公式，依據(jù)橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載的計算理論，基于大量的風(fēng)洞試驗結(jié)果，根據(jù)橫風(fēng)向風(fēng)力譜的特點，并參考相關(guān)研究成果推導(dǎo)得到相應(yīng)的公式，相比高鋼規(guī)方法要更為合理。為比較兩種方式計算風(fēng)振加速度的結(jié)果差異，采用PKPM軟件計算了三個150米以上的框筒結(jié)構(gòu)。 框筒一 框筒二 框筒三 圖14 風(fēng)振加速度計算框筒模型 框筒一 框筒二 框筒三 圖15 風(fēng)振加速度框筒平面 表2 加速度比較結(jié)構(gòu)基本參數(shù)結(jié)構(gòu)材料高度(m)高寬比深寬比粗糙度風(fēng)壓(kN/m2)X向周期(s)Y向周期(s)阻尼比(%)框筒一鋼156.94.171.70B0.356.06.01框筒二混凝土1