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        高層建筑結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)力計(jì)算

        2014-07-25 11:28:52
        鐵道勘察 2014年2期
        關(guān)鍵詞:順風(fēng)剪力脈動(dòng)

        李 文

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

        高層建筑結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)力計(jì)算

        李 文

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

        高層建筑結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化成豎直伸臂式結(jié)構(gòu)。采用規(guī)范計(jì)算法和脈動(dòng)風(fēng)的上界力計(jì)算法以及平均風(fēng)的壓力計(jì)算法等計(jì)算結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力,對(duì)計(jì)算方法做了詳細(xì)說(shuō)明和例題計(jì)算,可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)力上限值和設(shè)計(jì)用值。

        高層建筑 上界力 加固

        高層建筑結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化成豎直伸臂式結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載和地震荷載一樣為高層建筑結(jié)構(gòu)的主要荷載。風(fēng)力計(jì)算方法有按規(guī)范計(jì)算的方法(規(guī)范法)、反應(yīng)譜法、平均風(fēng)壓力計(jì)算法,脈動(dòng)風(fēng)上界力計(jì)算方法等。對(duì)加固已建成的高層建筑結(jié)構(gòu),如剛度不知,由于結(jié)構(gòu)的頻率、周期、振型是估算,計(jì)算精度難以確定。采用規(guī)范法、平均風(fēng)壓力計(jì)算法和脈動(dòng)風(fēng)上界力法,將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,取用較合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì),是一種可行的辦法。

        1 按規(guī)范計(jì)算

        計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí),順風(fēng)向風(fēng)力計(jì)算式為[3,4]

        Wk=βzμsμzwo

        式中Wk是風(fēng)壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2),βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù),μs為風(fēng)荷載體型系數(shù),μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù),wo為基本風(fēng)壓(kN/m2)

        2 按脈動(dòng)風(fēng)上界力法計(jì)算

        如圖1所示,m為集中質(zhì)量,i,j,k為質(zhì)點(diǎn)序號(hào)(i,j,k=1,2…n)。剛度分布任意。由風(fēng)反應(yīng)譜定義可知,在順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下,截面i-(i+1)的剪力反應(yīng)為[1,2]

        圖1 脈動(dòng)風(fēng)上界力法計(jì)算

        (1)

        式中,m為各層質(zhì)量,u為振型位移,DW′為風(fēng)擬加速度反應(yīng)譜,α為振型參與因數(shù),有

        (2)

        (3)

        式中KZ=0.38,h=0.607H(H—結(jié)構(gòu)總高度)。

        剪力式(1)改寫為

        (4)

        取j層等效質(zhì)量

        (5)

        振型參與因數(shù)為

        (6)

        式(4)改為

        (7)

        采用積函數(shù)極值法求風(fēng)振剪力的上限值。積函數(shù)極值法是定義參與因數(shù)與振型反應(yīng)的乘積為積函數(shù),如式(7)所示,對(duì)積函數(shù)取極值求剪力上限值。在順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下,經(jīng)過(guò)推導(dǎo)求得風(fēng)振剪力的主上限值和次上限值為[2]

        (8)

        (9)

        式中

        (10)

        (11)

        (12)

        (13)

        如考慮剪力主次上限值的組合,可采用平方和開平方的方法求剪力組合值。結(jié)構(gòu)在平均風(fēng)壓力作用下,結(jié)構(gòu)剪力另算。

        3 例題

        3.1 按脈動(dòng)風(fēng)的上界力法計(jì)算

        如圖2所示,計(jì)算中剛架結(jié)點(diǎn)的風(fēng)力,已知迎風(fēng)面寬度為B=7.5 m(取J層質(zhì)點(diǎn)至左右中點(diǎn)距離之和)。

        圖2 中剛架結(jié)點(diǎn)風(fēng)力計(jì)算

        m1=116.62×103kg;m2=110.85×103kg;m3=59.45×103kg。

        T1=0.78 sT2=0.269 sT3=0.183 s

        計(jì)算等效質(zhì)量

        Kz=0.38,h=0.607H,(H—結(jié)構(gòu)總高度)

        C2=

        0.884 1

        k=0.03

        計(jì)算EMj,Hj取j層至上下層中點(diǎn)距之和

        1點(diǎn):

        EM1=

        2點(diǎn):

        EM2=

        3點(diǎn):

        EM3=

        計(jì)算剪力Q12

        EM3A3=1.432 6×10-4

        次上界力

        計(jì)算Q23

        計(jì)算Q01

        282.04 kN

        3.2 按規(guī)范計(jì)算

        風(fēng)力計(jì)算式為WK(z)=βzμsμzwo,含平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的壓力;

        按荷載規(guī)范8.4.3~8.4.5式計(jì)算,1點(diǎn):β1=1.830 3;2點(diǎn):β2=2.436 4;3點(diǎn):β3=2.492 1

        計(jì)算結(jié)點(diǎn)風(fēng)力:P=WK(z)A

        P1=45.86 kNP2=54.27 kNP3=30.38 kN

        平均風(fēng)的壓力計(jì)算式為

        WK(z)=μS(z)μz(z)w0

        結(jié)點(diǎn)平均風(fēng)壓力為

        4 結(jié)束語(yǔ)

        由算例可知,脈動(dòng)風(fēng)主上界壓力大于由規(guī)范算得的脈動(dòng)風(fēng)壓力,脈動(dòng)風(fēng)主上界壓力加上平均風(fēng)壓力大于由規(guī)范算得的風(fēng)壓力。脈動(dòng)風(fēng)上界壓力是由極值條件求得,大于由規(guī)范算得的脈動(dòng)風(fēng)壓力是合理的。上述各種計(jì)算方法有賴于各種系數(shù)的正確選擇,系數(shù)不同,計(jì)算結(jié)果也不同。各種計(jì)算結(jié)果可用來(lái)比較,按規(guī)范做出正確判斷,取用合理的數(shù)據(jù)。對(duì)于加固已建高層建筑結(jié)構(gòu),由于剛度不知,頻率周期、振型只能估算,上述計(jì)算方法用來(lái)比較是可行的。

        [1] 王前信.工程結(jié)構(gòu)上界地震力理論及其應(yīng)用[M].北京:地震出版社,2000

        [2] 張艷紅.建筑結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)作用下的反應(yīng)及可靠度分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1996

        [3] 姜紅月,李敬學(xué).金屬屋面風(fēng)揭設(shè)計(jì)探討[J].鐵道勘察,2013(2)

        [4] 溫四清,董衛(wèi)國(guó),邱劍.鐵路客站站臺(tái)雨棚風(fēng)荷載計(jì)算探討[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2012(5)

        [5] 辛兵,王克海,徐升橋.高新高速上地斜拉橋抗震設(shè)計(jì)分析[J].鐵道勘察,2012(6)

        [6] GB50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]

        [7] 董軍.遞階結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論及巨型結(jié)構(gòu)懸掛體系振動(dòng)控制研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1998

        [8] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1985

        Calculation of Following Wind Lord in High Storeyed Construction

        LI Wen

        2014-02-19

        李 文(1981—),男,2008年畢業(yè)于武漢大學(xué),工程師。

        1672-7479(2014)02-0109-04

        TU973

        : B

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