(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

引言

大多數(shù)的情況下,大跨度、高層、異形結(jié)構(gòu)建筑對(duì)于風(fēng)荷載效應(yīng)非常敏感,風(fēng)荷載成為此類建筑設(shè)計(jì)分析過程中的主要控制因素之一。結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常涉及到風(fēng)洞試驗(yàn)和非確定性振動(dòng)分析等復(fù)雜的過程,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師難于掌握,因此急切需要探索簡單的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法[1]。為了解決以上的問題,國內(nèi)外專家對(duì)等效靜力風(fēng)荷載的理論進(jìn)行探討。

一、物理意義

所謂等效靜力風(fēng)荷載是指這樣一種靜風(fēng)荷載,當(dāng)把它有效地作用于一個(gè)結(jié)構(gòu)上時(shí),在其上導(dǎo)致的靜荷載響應(yīng)與外來氣動(dòng)荷載產(chǎn)生的極大脈動(dòng)響應(yīng)一致[2]。值得一提的是,這里的“等效”指的是某一設(shè)計(jì)關(guān)注的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo),讓建筑結(jié)構(gòu)在某類假設(shè)模式的荷載作用下靜力風(fēng)振響應(yīng)與實(shí)際風(fēng)荷載作用導(dǎo)致的極值脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)一致。

二、等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算方法

等效靜風(fēng)荷載并非真實(shí)存在,而是出于設(shè)計(jì)需要而假設(shè)的一種風(fēng)荷載模式，主要有以下幾種計(jì)算方式。

(一)陣風(fēng)荷載因子(GLF)法?！瓣囷L(fēng)荷載因子”的概念由davenport在1967年提出,用來表征脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的擴(kuò)大,這種簡便可行的方法被推廣于實(shí)際的工程,并逐漸成為了制定高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)力規(guī)范的重要依據(jù)[3]。其計(jì)算方法為:

其中,g是峰值因子,σr(z)是計(jì)算得到的某個(gè)響應(yīng)的均方根值。

(二)慣性風(fēng)荷載(IWL)法。慣性力法實(shí)際上也屬于陣風(fēng)荷載因子法,它的陣風(fēng)荷載因子與慣性力有關(guān)。其基本思路是，從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，用結(jié)構(gòu)的一階振型慣性力來表示等效風(fēng)荷載。其計(jì)算方法為:

式中,m(z)是集中質(zhì)量;n1為結(jié)構(gòu)基頻；σy1(z)是一階振型均方差。

(三)荷載響應(yīng)相關(guān)(LRC)法。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),結(jié)構(gòu)低頻區(qū)域響應(yīng)抵御外力作用的僅有彈力?；诖死碚?荷載-響應(yīng)相關(guān)法充分考慮了結(jié)構(gòu)上脈動(dòng)風(fēng)力間的關(guān)聯(lián)性,用準(zhǔn)靜風(fēng)荷載的方式計(jì)算出結(jié)構(gòu)的等效背景風(fēng)荷載。

PeB(z)=gBρr,PσP(z)

式中,gB是背景風(fēng)振響應(yīng)相關(guān)的峰值因子；ρr,P是為z0處的背景風(fēng)振響應(yīng)與z2位置處風(fēng)力間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；σP(z)是脈動(dòng)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

(四)三分量法。根據(jù)davenport把各種順風(fēng)向響應(yīng)分別處理為平均、背景和共振等三個(gè)部分的思想,用這三個(gè)部分的組合來表征等效靜風(fēng)荷載。三分量法的計(jì)算方法為:

(五)基底彎矩陣風(fēng)荷載因子(MGLF)法

1.MGLF法對(duì)背景等效風(fēng)荷載的簡化處理。背景等效風(fēng)荷載的表達(dá)式為：

式中，GYB是唯一對(duì)應(yīng)背景陣風(fēng)荷載因子；gB是背景極值系數(shù)；Ih是參考高度處紊流度；B是與結(jié)構(gòu)高寬比相關(guān)的背景因子。

2.MGLF法對(duì)共振等效風(fēng)荷載的簡化處理。為了便于用上高頻底座力天平測得的數(shù)據(jù),Zhou&Kareem在論文中[4]提出了將底座力矩響應(yīng)共振部分分配到各層的方法。對(duì)共振等效靜風(fēng)荷載的計(jì)算方法為:

MR=GMRM

式中，S是尺寸折算系數(shù)；E是陣風(fēng)能量系數(shù)；ζ1是結(jié)構(gòu)初階的阻尼比；MR是共振峰值基底彎矩。

則共振等效風(fēng)荷載的計(jì)算方式為：

式中,φ(z)是模態(tài)振型。

(六)五種方法研究對(duì)比

1.GLF法與IWL法雖然廣泛地運(yùn)用于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,但其在物理上的意義實(shí)際上都是不準(zhǔn)確的,都只能得到在數(shù)學(xué)理論上近似的響應(yīng)值。

2.LRC法的主要優(yōu)點(diǎn)是，它利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)和靜風(fēng)荷載兩者的相關(guān)系數(shù)來計(jì)算等效靜力風(fēng)荷載,這致使所求等效靜力風(fēng)荷載實(shí)際有幾率存在。LRC方法的主要缺點(diǎn)是,應(yīng)用于大跨屋面結(jié)構(gòu)時(shí),只適用于計(jì)算強(qiáng)剛性屋面結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)力分布,而對(duì)于弱剛性或強(qiáng)撓性屋面結(jié)構(gòu)的計(jì)算則不可用,因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)振響應(yīng)作用占有很大比重。

3.三分量法把等效靜風(fēng)荷載分為平均、背景和共振三個(gè)基本分量,具有明確的物理概念,雖然其分析和計(jì)算的過程不容易,但對(duì)深刻解讀靜力等效靜風(fēng)荷載具有實(shí)際意義。

(4)MGLF法能夠大范圍運(yùn)用于順風(fēng)向、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)方向靜力等效風(fēng)荷載的計(jì)算,其所需風(fēng)荷載數(shù)據(jù)量少,計(jì)算快速,很好地適用于網(wǎng)絡(luò)云運(yùn)算。至今國內(nèi)外很多的風(fēng)工程學(xué)者研發(fā)的大型超高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫正是充分運(yùn)用了此算法。

三、總結(jié)

等效靜風(fēng)荷載是溝通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和風(fēng)工程師的橋梁,是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的核心問題之一。等效靜風(fēng)荷載實(shí)質(zhì)是對(duì)風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果的一種等效化處理。在這方面，國內(nèi)外風(fēng)工程學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了多種分析方式。因此,尋求一種能適用于多種風(fēng)振響應(yīng)分析,安全且有效的等效靜風(fēng)荷載的計(jì)算方式是風(fēng)工程學(xué)者們熱衷探索的方向。